Guten Abend
Habe mich in letzter Zeit ein wenig mit I²C beschäftigt, da ich es über
einige Meter übertragen möchte. Ich habe die Datenleitungen mit meinem
Oszilloskop ausgemessen und hätte von euch gerne eine Einschätzung zu
meiner Signalqualität.
Den I²C habe ich gemäss dem angefügten Bild namens "Schaltung"
aufgebaut. Habe mich an einem PDF aus dem Internet orientiert, welches
über lange I²C-Buslänge und ungefähre Dimensionierung der Widerstände
berichtete.
Habe 1x eine Messung mit einer Leitungslänge von 1meter gemacht und bei
der 2. Messung noch 9meter Kabel angehängt, jedoch war es am einen Ende
offen. Bei den zusätzlichen 9metern der 2. Messung ging es mir darum,
eine kapazität zu simulieren, welche das I²C-Signal negativ beeinflussen
sollte. Bei beiden Messungen klappte der Datenaustausch auf dem Bus
problemlos. Alles über 10meter hat jedoch teilweise zu Problemen
geführt.
Nun zu meiner Frage:
Wie würdet ihr die Signalqualität einschätzen. Mir geht es drum, dass
auch nach Alterung der Bauteile die Datenübertragung immer noch sauber
gewährleistet ist. Im Moment kann ich noch nicht genau sagen, welche
Buslänge ich schlussendlich brauche, jedoch sind es Schätzungsweise um
die 5 bis 6 meter.
Wie kann ich meine Schaltung verbessern? Mit den 1490Ohm
Pullupwiderstand sind es bei 3.3V einen Strom von 2.2mA. Gemäss
Busbeschrieb kann I²C bis zu 3mA strom bringen. Sollte ich diese 3mA
voll ausnutzen oder gibt es andere, sinnvollere Varianten um meine
Busqualität zu verbessern?
Wie wird das in der "professionellen" elektronik gehandhabt. Lässt man
die Schaltung stehen, wenn sie einmal funktioniert? Oder wird sie bis
ans limit optimiert? Habe leider keinerlei Erfahrungswerte was gut oder
schlecht ist.
Danke für zahlreiche Antworten
I²C war eigentlich nie gedacht außerhalb einer PCB benutzt zu werden.
Der eigentliche Gedanken war, einen Bus für mehrere ICs auf einer PCB
bereitzustellen. Für externe Verbindungen solltest du auf einen Bus
setzten, der tatsächlich dafür ausgelegt wurde. Stichwort CAN, RS485,
RS232, HART, usw.
Hast du einen Link zu diesem PDF?
Die Signale zusammen mit der RC Schaltung und Leitungslänge sind
plausibel.
I2C Spec schrieb:> I²C war eigentlich nie gedacht außerhalb einer PCB benutzt zu> werden.> Der eigentliche Gedanken war, einen Bus für mehrere ICs auf einer PCB> bereitzustellen. Für externe Verbindungen solltest du auf einen Bus> setzten, der tatsächlich dafür ausgelegt wurde. Stichwort CAN, RS485,> RS232, HART, usw.>> Hast du einen Link zu diesem PDF?>> Die Signale zusammen mit der RC Schaltung und Leitungslänge sind> plausibel.
Also direkt für lange Leitungen ist nichts beschrieben...Aber einige
Beispielwerte, welche gut miteinander harmonieren sollen.
Was ist deine Meinung zum I²C-Signal, welches ich gemessen habe?
Manuel Neff schrieb:> Was ist deine Meinung zum I²C-Signal, welches ich gemessen habe?
Was erwartest du hier?
Für die grobe Misshandlung, die du deinem Signal antust, sieht das
normal aus.
Bist du dir sicher das mit den Serienwiederständen und dem Kondensator
nicht jemand versucht hat das Ersatzschaltbild eines Kabels
darzustellen? So hast du dein Kabel künstlich verlängert. Rechne mal aus
welche Ströme beim Umladen des Kondensators bei den jeweiligen Freq.
fliesen, du das nur statisch gerechnet. Und überhaupt wie kommt man auf
so Werte wie 1,49kOhm? Die entsprechen keiner gängigen Normenreihe und
noch dazu mit einer Genauigkeit von zwei Stellen hinter dem Komma bei
einem 08/15 Bus?
Die Beschaltung macht wenig bis keinen Sinn, in deinem PDF wollen sie
Störungen auf der Leitung filtern. Das hat nichts mit einem langen Bus
zu tun.
Im ersten Schritt solltest du schonmal die die 180Ohm und die 130pF
entfernen.
Das Paper zielt eher auf das Filtern der Bussleitungen auf Boards ab,
bei denen der Bus durch umgebene System zugemüllt wird.
Dein Signal zeigt halt die starke Kapazität deiner Schaltung. Wenn du
mit der Frequenz höher gehst läufst du Gefahr, dass du die Pegel nicht
mehr erreichst und Clock/Datensignale verloren gehen. Es wird wohl
irgendwie klappen aber immer irgendwie gerade so. Externe Störungen, die
du dir dann dazu noch einfängst erhöhen dann auch Bit Fehlerrate...
Wenn es nicht läuft und unbedingt I2C sein muss, wirst du wohl mit der
Frequenz runter gehen müssen.
Teste mal wie es aussieht wenn du den Kondensator rausnimmst.
Sonst einfach einen Bus benutzen der für Verbindungen außerhalb der PCB
vorgesehen ist.
Kevin M. schrieb:> Im ersten Schritt solltest du schonmal die die 180Ohm und die 130pF> entfernen.
Würde ich auch empfehlen und stattdessen als Pullup zwei Stromquellen,
dann sind die steigenden Flanken auch sauber.
Irgend W. schrieb:> Manuel Neff schrieb:>> Was ist deine Meinung zum I²C-Signal, welches ich gemessen habe?>> Was erwartest du hier?>> Für die grobe Misshandlung, die du deinem Signal antust, sieht das> normal aus.>> Bist du dir sicher das mit den Serienwiederständen und dem Kondensator> nicht jemand versucht hat das Ersatzschaltbild eines Kabels> darzustellen? So hast du dein Kabel künstlich verlängert. Rechne mal aus> welche Ströme beim Umladen des Kondensators bei den jeweiligen Freq.> fliesen, du das nur statisch gerechnet. Und überhaupt wie kommt man auf> so Werte wie 1,49kOhm? Die entsprechen keiner gängigen Normenreihe und> noch dazu mit einer Genauigkeit von zwei Stellen hinter dem Komma bei> einem 08/15 Bus?
Ich werde morgen einmal die Serienwiderstände/130pF Kondensator in
meiner Schaltung auslöten und testen. Das mit dem Kondensator weiss ich
nicht mehr, von wo ich das her habe. Die Widerstände hat man ja bei
Datenleitungen mit Potentialunterschied, um den Strom zu begrenzen.
Klang für mich deshalb noch mehr oder weniger plausibel.
Den Widerstandswert 1,49kOhm habe ich errechnet aus einigen
Teilwiderständen. Habe am Master und an den Slaves jeweils Widerstände
Ob man das so "stehen lassen" kann, hängt halt von der Anwendung ab. Das
kann in Ordnung sein, wenn z. B. nur einmal beim Hochfahren aus einem
EEPROM mit einer CRC abgesicherte Daten geholt werden müssen.
Man kann sich noch mit so etwas wie einem PCA9615 (differentieller
I²C-Tranceiver) behelfen. Aber schön wir "I²C über Kabel" nie wirklich.
Lars R. schrieb:> Kevin M. schrieb:>> Im ersten Schritt solltest du schonmal die die 180Ohm und die 130pF>> entfernen.>> Würde ich auch empfehlen und stattdessen als Pullup zwei Stromquellen,> dann sind die steigenden Flanken auch sauber.
Interessanter Ansatz. Hab noch die davon gehört. Kennst du eine gute
einfache Schaltung? Bin mit der Recherche im Internet ein wenig
unsicher, da ich nicht genau weiss, welchen Schaltungen ich vertrauen
darf.
Danke
Manuel Neff schrieb:> Serienwiderstände/130pF Kondensator
sicher, dass es 130pF sind, die da verbaut sind? Hat da einer 130n
eingebaut? Die Flanken sehen schlimm aus. Das ist am Rande des
Akzeptablen.
Manuel Neff schrieb:> ...Die Widerstände hat man ja bei Datenleitungen mit Potentialunterschied, um
den Strom zu begrenzen...
> ...Habe am Master und an den Slaves jeweils Widerstände...
Da dürfte dein Denkfehler liegen. Das gilt für Aktiv getrieben push/pull
Endstufen, aber nicht für OC Ausgänge wie bei I2C. Das "HI" wird
ausschließlich durch den pullup erzeugt und nicht durch die
Busteilnehmer. Und wenn du wie vorgesehen auch nur ein Widerstand
verwendest hast du garnicht das Problem mit etwaigen
Potenzialunterschieden (GND muss natürlich verbunden sein und die
Spannung in der Bandbreite beider Seiten). Der maximale Strom wird durch
den pullup begrenzt.
Manuel Neff schrieb:> Wie würdet ihr die Signalqualität einschätzen. Mir geht es drum, dass> auch nach Alterung der Bauteile die Datenübertragung immer noch sauber> gewährleistet ist.
Das Signal ist ein Traum. Keine Stöärungen und eine satte fallende
Flanke.
Die Steigende ist irrelevant, wichtig ist nur das SDA eine Mindestzeit
High ist bevor SCL Low wird. (s. Datenblätter).
Für die Simulation von Alterung eifach noch weitere 10m dranhägen und
die Frequenz soweit runter das es wieder funktioniert. Wenn Deine
Umgebung keine Störungen produziert können der Kondensator und die 180
Ohm weg. Die 68 Ohm sind Angstwidersände für den Fall das es einen
Vcc-Signalleitung Kurzschluß gibt.
"Professionell" im Sine von Industrie/Medizin Technik? Da würde das mit
dem i2c gar nicht erst versucht, bzw reichlich Störungen drauf gegeben
um zu sehen was geht.
im Sinne von Customerproduktentwicklung. Da wird gar nichts optimiert
nur solange Eingespart bis es gerade noch die Garantiezeit hält.
(Alle Teile entfernen , 1k Pullups und fertig ;-)
PS Konstandstromquellen-Pullups sind weitere Fehlequellen. Zum einen
könnten sie ausfallen zum anderen produziert jede schnelle Flanke
Störungen.
Manuel Neff schrieb:> Lars R. schrieb:>> als Pullup zwei Stromquellen>> Kennst du eine gute einfache Schaltung?
Es wäre möglich, eine Konstantstromquelle aus zwei PNPs zu bauen.
Aber das gibt es auch fertig (LTC1694, LTC4311), oder integriert in
I²C-Repeatern (z.B. TCA9803).
> Die Steigende ist irrelevant
Wie deutet man dann den Parameter "rise time of both SDA and SCL
signals" in UM10204Rev6, Tabelle 10?
> aus zwei PNPs
BCV62 spart Platz. Benutze ich sehr gerne. Macht den Bus zudem robuster
gegen Einstrahlungen.
Manuel Neff schrieb:> Wie kann ich meine Schaltung verbessern?
180Ohm Widerstand ersatzlos (naja: Ersatz 0Ohm) entsorgen, 130pF
Kondensator ebenfalls ersatzlos entsorgen. Pullups auf 1.2k verringern.
Das ist schon so ziemlich alles, was man machen kann. Ansosnten hilft
nur: Entweder Kabel kürzer oder (besser) geschirmt oder Bitrate
verringern.
Die meisten Mikrocontroller enthalten übrigens bereits intern analoge Filter. Bei einigen sind sie sogar für unterschiedliche Taktraten konfigurierbar.
Für 10 Meter Kabel zwischen zwei Geräten ist I2C nicht vorgesehen.
Wobei "besonders sicher gegen Einflüsse von Außen" gar nicht der vorgesehene Einsatzbereich ist. Die Schnittstelle ist für interne Kommunikation innerhalb eines Gerätes vorgesehen.
Die Schnittstelle ist für interne
Kommunikation innerhalb eines Gerätes vorgesehen.
Das ist bekannt, wird aber oftmals auch extern genutzt.
Das war 1982 sicher nicht abzusehen.
Es ginge also nun darum, die Widerstände optimal zu gestalten, um eine höchstmögliche Resistenz zu generieren.
Zur Vereinfachung wäre es denkbar, eine 1:1 Verbindung zu verwenden. Der zur Verfügung stehende Controller hat 4 I2C verfügbar. Es dürfen mehrere Controller parallel laufen.
Soweit meine Elektronikkenntnisse reichn, würde ich vermuten, dass man einen möglichst hohen Strom zulassen muss, den der Chip gerade noch ab kann, um die maximale Störfestigkeit zu erreichen -> minimale Widerstände.
Soweit meine Elektronikkenntnisse reichn, würde ich vermuten, dass man
einen möglichst hohen Strom zulassen muss, den der Chip gerade noch ab
kann, um die maximale Störfestigkeit zu erreichen -> minimale
Widerstände.
Korrekt.
3 mA muss jeder Chip können. Ich lege die Widerstände immer für 1-2 mA aus.
Soweit meine Elektronikkenntnisse reichn, würde ich vermuten, dass man
einen möglichst hohen Strom zulassen muss, den der Chip gerade noch ab
kann, um die maximale Störfestigkeit zu erreichen -> minimale
Widerstände.
Faustformel: bei 5V bis 1k5 runter, bei 3.3 Volt bis 1k runter, die Bilder stammen aus Papers von NXP und TI
Richtig sicher bekommmt man I2C über längere Distanzen mit single ended wires nicht. Da muss man symmetrisch übertragen und Hin- und Rückleitungen auftrennen. Gfs sogar fürs Clocksignal wegen möglichen streching.
Es gab mal eine App-note von Philips zum Puffern von I2C,
aber in der Zusammenfassung am Ende, da haben die Autoren
nicht den Eindruck erweckt, dass sie ihrer Sache sicher waren.
Mist , diese bidirektionalen Signale! I2C ist für kurz und
ohne Außenwelt.
Wenn ich es mir aussuchen dürfte, würde ich auch auf I2C so weit verzichten, wie es eben geht. Da es manche Chips aber nur mit diesem Interface gibt, hat man einfach oft keine Wahl. Selbst Video-Chips laufen mit einem I2C-Config interface und ich muss bei komplizierten Systemen dann einen Microblaze reinsetzen, damit der FPGA den Chip sinnvoll umschalten kann. Allerdings sitzen die dann wenigstens auf der selben Platine oder einen Adapter-PCB.
Für große Distanzen sollte man das Interface vorort mit einem UC übersetzen und digital übertragen.. Meine Waffe No 1 war seit den 90ern Manchester / BMC, bei Bedarf symmetrisch und immer unidirektional. Es gab damals schon Chips aus dem Audio-Sektor, die einen DAC/ADC treiben könnten oder intus hatten und einen S/PDIF transceiver hatten. Damit bekommt man 5 I2C-decvices mit 400kHz direkt als Bruttodatenstrom in den S/PDIF Datenbits verpackt. Damit geht sogar real-time-acknowledge über die Leitungen, wenn man das PLD etwas intelligent baut.
Wenn es unbedingt ein Passiv-System sein soll, dann eben wie oben beschrieben mit Trennung der Pfade. So wie im Bild kann das in etwa aussehen. Der Schaltkreis wurde so von mir entwickelt und mit einem PLD implementiert. Zuckelte ab Ende der 1990er in Schaltungen meines damaligen Kunden. Eine der Anwendungen waren vergossene Module mit Temperatur-Sensorik, in den "keine Softwarekomponenten" eingesetzt werden durfen. Außerdem wollte der Endkunde noch eigene unbekannte Module an die Endpunkte hängen.
Ich habe ein ähnliches Problem, wie der Thread-Starter. Die Flanken sind aber wirklich wegen des Stroms an sich schlecht. Besser dimensionieren wird kaum gehen.
Frage:
Ist es irgendwie zulässig und möglich, da mit einer Art Anpassung nachzuhelfen? Also einen Kondensator parallel zum Ausgangswiderstand, um die Flanke zu verbessern?
Die Ursache sind die vielen Teilnehmer und deren Pullups.
Du brauchst nur einen Pullup für den Bus. Warum hast du mehrere?
Also einen Kondensator parallel zum Ausgangswiderstand, um
die Flanke zu verbessern?
Meinst du die fallende oder die steigende Flanke? Der Schutzwiderstand sollte klein genug sein, dass er auf die fallende Flanken keinen großen Einfluss hat, und die steigenden Flanken beeinflusst er überhaupt nicht.
Weiter oben wurden schon Konstantstromquellen erwähnt.
Die Ursache sind die vielen Teilnehmer und deren Pullups.
Du brauchst nur einen Pullup für den Bus.
Nicht eher zwei, an beiden Enden?
Warum hast du mehrere?
Weil er Chinaplatinchen zusammen steckt? Bei überschaubaren Längen innerhalb eines Gerätes habe ich auch mit mehreren Widerständen kein Problem, solange der Gesamtwiderstand nicht zu gering wird.
Wenn er grenzwertige Längen ferkeln will, könnte ein Pegelwandler wie der TXS0108E helfen, der will lt. Beschreibung auch Flanken restaurieren. Er kann auf einer Seite aber nur bis 3,6 Volt.
Nein. Differenzielle Busse wie RS-485 oder CAN brauchen Terminierung an beiden Enden, für mittlere oder hohe Geschwindigkeiten.
I²C ist langsamer, und mit den asymmetrischen Open-Drain-Signalen wäre Terminierung eh schwierig. Die Pull-Up-Widerstände werden nur benötigt, damit der Bus eine definierte Spannung hat, wenn gerade keines der angeschlossenen Geräte die Leitung auf GND zieht.
Ich verstehe nicht, wass du mit "irgendwie" meinst. Zeig doch mal die Flanken auf einem Oszilloskop. (Und bevor du das Händi zückst: alle modernen Oszilloskope haben eine eingbaute Screenshot-Funktion.)
Also einen Kondensator parallel zum Ausgangswiderstand, um
die Flanke zu verbessern?
Das wäre möglich. Aber wenn es hilft, dann war der Schutzwiderstand falsch.
Ich habe ein ähnliches Problem, wie der Thread-Starter. Die Flanken sind
aber wirklich wegen des Stroms an sich schlecht. Besser dimensionieren
wird kaum gehen.
Wenn es nicht besser geht wirst du wohl damit leben müssen....du hast deine Aussage auch ausreichend belegt und damit endet der Thread hier ;).
Wie soll dir jemand sinnvoll helfen (der es eventuell besser dimensionieren kann) wenn du keine Oszi Bilder, Schaltpläne und eventuell noch paar Datenblätter in die Diskussion gibst?
Man kann I2C auch aufbohren, differentiell übertragen und und und. Aber das ist eine Entscheidung die man anhand der technischen Gegebenheiten und anhand des Kostenrahmens trifft. Das ist der Input den du bringen solltest.
Ich kann da leider nichts weiter einbauen oder "aufbohren", weil ich an die Verschaltung der Teilnehmer nicht rankomme und die haben eben pullups.
Meine Seite hinsichtlich des Schutzwiderstandes sieht aus wie im Bild ganz oben rechts. Es sind halt 100 Ohm.
Ich habe jetzt probehalber 100nF mit 50 Ohm in Serie parallel geschaltet.
Das hat es schon stark verbessert.
Ich vermute, dass es vor allem die Kabelkapazitäten sind, die gebremst haben.
Mit dem Ausgangswiderstand meine ich einen Schutzwiderstand in den
Leitungen, der Kurzschlüsse verhindern soll.
So etwas ist bei I²C nicht vorgesehen. Damit macht man das Signal
unnötig schlechter.
Außer im UM10204 "I2C-bus specification and user manual". Da sind die in praktisch allen Schaltbildern eingezeichnet. Es gibt auch 2 Seiten zur Berechnung.
Du bist ein Spassvogel. Macht man das heute so: "Hey Chef ich finde die
Lösung nicht gut und möchte nicht arbeiten" :-)
Lügen wäre falsch. So geht das:
Hey Chef, was du da haben willst ist unmöglich.
Ja.
Gebe mir eine andere Aufgabe.
Träumerei. Wenn der Chef das so anordnet, fährt man das vor die Wand. Dazu muß man natürlich sicher sein, dass nicht doch ein Kollege es so lösen kann.
Außer im UM10204 "I2C-bus specification and user manual". Da sind die in
praktisch allen Schaltbildern eingezeichnet. Es gibt auch 2 Seiten zur
Berechnung.
Na wenigstens einer, der etwas von Schutzbeschaltungen zu verstehen scheint.
Guter Hinweis, die Koppelwiderstände werden neuerdings zunehmend weggelassen, wie mir scheint. Ich habe und hatte die immer drin. Schon wenn sich ein Teilnehmer verabschiedet oder falsch programmiert ist.
Ich habe jetzt probehalber 100nF mit 50 Ohm in Serie parallel
geschaltet. Das hat es schon stark verbessert.
Da musst man aufpassen, dass mit diesem AC-mässigen Kurzschluss nicht über erst ein Problem geschaffen wird.
Wenn der Master ein programmierbarer Port-Pin ist, kann man den auch aktiv treiben, wenn man den Strom begrenzt. Dann bekommt man super gute Flanken. Habe ich zuletzt mit 3 MHz betrieben.
I_C_1meter.jpg
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I_C_10meter.jpg
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Schaltung.jpg
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