通过I2C兼容接口读取ADC数据

本应用笔记讨论了通过I2C兼容接口读取多字节数据时需要特别注意的地方。介绍了每次读取一个字节时容易出现的问题，并给出了几个具体示例。本文也描述了进行数据传输的正确方法。

概述

I²C兼容2线接口是功能强大的总线机制，用于连接微控制器或微处理器与低速外设，例如：集成了模/数转换器(ADC)的外设。基于该总线的最基本的通信方式(即，写入/读取从机寄存器的一个字节)非常直观。但是，如果因为这种方法简单而掉以轻心，则会导致严重的系统错误。

单字节通道传送2字节数据

任何连接外设(尤其是传感器)的数字接口，都需要确保从器件的内部寄存器正确读取数据，尤其是在读取寄存器的过程中数据发生变化的情况下。数据传输过程中，如果ADC执行转换操作并更新寄存器的内容，数据则会发生改变。许多器件带有内部缓存器(通常不能从外部访问)，用来存放最新转换结果。当I²C总线处于空闲状态时，更新所谓的“用户可访问”寄存器内容。

I²C协议每次只传送1个字节的数据。因此，如果有效数据字长超过8位，并且没有合理处置传输操作，则会引发问题。比如，MAX44000环境光传感器(ALS)的数据寄存器具有多达14位的数据(另有1位作为溢出标志，表示需要增加计数/亮度设置)。

表1. MAX44000 ALS数据寄存器

我们不能通过I²C直接读取所有数据ALSDATA[13:0]，需要首先读取寄存器0x04的内容，然后读取寄存器0x05的内容，再把这些数据合并到一个至少16位的寄存器内。因此，在读取这些数据时需要特别谨慎。通过两次简单的单字节读操作(利用STOP (P)条件终止)完成数据读取，如图1所示。


图1. 单字节读操作

这种方法存在致命缺陷，确切地说，向器件发送STOP条件，返回“用户可见”的寄存器内容。由此，从寄存器0x04读取数据后，实际的14位数据可能在读取0x05寄存器之前已经更新。几种情形下，这种缺陷可能导致严重错误。

例如，当MAX44000环境光传感器处于10位、12位或14位模式时，亮度处于相对稳定状态，假设亮度在小范围波动，或许亮度正在缓慢上升，或周围存在少量噪声，使得0x04和0x05寄存器的14位数据计数值为255或256，考虑表2中的三种情形。

表2. 误差图示说明

State of Registers During First Byte Read (Read 0x04 Only)	State of Registers During Second Byte Read (Read 0x05 Only)	Result (14 Bit)

在后两种情形下，我们可能读到0或511，而不是读255或256，这是一个很严重的错误。发生这已错误的原因在于，第一次和第二次读操作之间，发出STOP状态后，寄存器0x04和0x05中的数据被更新。第一种出现问题情形下，第一个字节可以正确读出，但在读第二个字节时，总数为256的数据对应的最低位为零，因而，我们从器件中得到读数0；第二种出现问题的情形下，数据总计数值为256，由于在STOP状态发出后，第二个字节的数据在读取之前减少了1，所以显示为511，图2给出了多次读取数据时，这种故障的抽样情况。


图2. 多次采样时，实际读取单字节的数值

这个问题很容易通过一次读取2字节数据来避免，如图3所示。具体操作是，读取第一个数据字节后，发送REPEATED START (而不是STOP)进行操作，操作非常简单。通过读取2个字节，尽管在两个器件之间发送完全相同的位数，却可避免器件不恰当地更新I²C寄存器的内容。


图3. 2字节读操作示意图

上述示例适用于MAX44000和MAX44009，进行多次读操作时不会自动递增寄存器指针。器件功能各有差异，但工作原理相同。也可以将其很容易地扩展到N字节读取操作。应用笔记AN3588：“MAXQ2000微控制器软件I²C驱动”一文给出了几个C程序示例。