TCA9548A — как развести несколько одинаковых I2C-устройств?

Что это за прибор

Прибор включается так: к ведущей шине подключаются выводы SDA и SCL, а к каждому каналу — своя пара выводов SD и SC. Все восемь пар выводов коммутируются независимо, и в каждый момент активна выбранная комбинация каналов, задаваемая одним байтом в регистре управления. На неактивной ветви прибор не просто не передаёт данные, а разрывает её, и устройство на этой ветви перестаёт удерживать линию, — поэтому несколько одинаковых приборов на разных ветвях не конфликтуют даже при включении питания в произвольном порядке.

Важная деталь при включении: после подачи питания все каналы отключены, и глитча на выходах при этом не возникает. То есть ведущий должен сам выбрать нужный канал, и пока этого не сделано, ни одно из устройств не отвечает. Порядок работы простой: сначала запись в регистр управления, затем обмен с устройством на выбранной ветви.

Отдельный вывод сброса позволяет вернуть прибор в исходное состояние без обесточивания всей платы. Это удобно в системах, где несколько устройств на шине зависают при включении питания и нужно переинициализировать их без разборки.

Поскольку каналы двунаправленные и прибор пропускает сигналы уровня, через него можно сопрягать шины с разными логическими уровнями: ведущая сторона 1,8 В, а сторона устройств 3,3 или 5 В. Это отдельное применение, не связанное с разделением адресов, и в таких схемах важно проверить, что уровни на всех восьми ветвях одинаковы, — прибор не рассчитан на смешанные уровни в разных ветвях.

TCA9548A и PCA9548A

Эти два прибора регулярно путают при закупке — особенно когда позиция берётся по каталогу с пометкой «8-канальный I2C-коммутатор». Распиновка по выводам, адресное поле и частотный диапазон у них совпадают, приборы взаимозаменяемы по программе, но различия в параметрах есть, и два из них бьют по плате.

Первое — напряжение питания. При шине 3,3 или 5 В подходит любой из двух. При шине 1,8 В — только TCA9548A, потому что у PCA9548A нижняя граница 2,3 В. Обратное тоже верно: при питании от 1,65 В прибор TCA9548A работает, а вот схема, рассчитанная на 5 В, с ним работает так же, как с PCA9548A.

Второе — корпуса. У PCA9548A есть вариант в SOIC-24, а TCA9548A в SOIC-24 не выпускается: его корпуса — TSSOP-24, VQFN-24 и VSSOP-24. На практике это значит, что плата, разведённая под PCA9548ADW в SOIC-24, под TCA9548APWR не встанет, и замена потребует переработки посадочного места. Обратная ситуация безопаснее: TSSOP-24 у обоих приборов взаимозаменяем по выводам.

Третье — сопротивление открытого канала: у TCA9548A оно около 6 Ом, у PCA9548A около 10 Ом. На длинной или высокоёмкостной шине разница даёт дополнительное падение уровня на переключателе, и в схемах с длинными ветвями это учитывают при расчёте бюджета уровней.

Четвёртое — поведение вывода сброса. По сообщениям инженерной поддержки Texas Instruments, в PCA9548A есть оговорка по выводу RESET, и в TCA9548A она исправлена. Практический вывод для закупки: если сброс используют как средство «оживить» зависшую шину, полагаться на него у PCA9548A не стоит. Отдельно общее для обоих приборов правило: неиспользуемый вывод RESET нельзя оставлять болтающимся — он должен удерживаться подтяжкой вверх, иначе прибор может остаться в состоянии сброса и не отвечать на шине.

И последнее — происхождение позиции. Под этими обозначениями встречаются приборы от сторонних изготовителей, и их параметры по питанию, сопротивлению канала и стойкости к нагрузке отличаются. Для позиции, где важна работа от 1,8 В или где прибор стоит в горячем корпусе, паспорт проверяют по конкретному изготовителю.

Распиновка

В корпусе на 24 вывода пары каналов идут подряд: сначала линия данных первого канала, потом тактовая, затем второй канал и так далее. При разводке это удобно тем, что каждая ветвь физически подходит к своему выводу, и плохое качество дорожки на одной ветви не влияет на остальные.

Выводы выбора адреса дают восемь мультиплексоров на одной шине, а каждый мультиплексор даёт восемь ветвей — то есть теоретический предел схемы с одним уровнем мультиплексирования составляет 64 устройства с одинаковым адресом. На практике до таких объёмов доходят редко, и ограничителем становится уже не мультиплексирование, а время обмена: переключение канала стоит дополнительного такта, и при большом числе ветвей это заметно.

Что проверять при заказе

1. 01 TCA9548A или PCA9548A: нижняя граница питания 1,65 В против 2,3 В.
2. 02 Адрес 0x70 по умолчанию и 0x70–0x77 через A0, A1, A2.
3. 03 Корпус: TSSOP-24, VQFN-24 или VSSOP-24 — разводка под каждый своя; в SOIC-24 выпускается только PCA9548A.
4. 04 Питание ведущей стороны: при шине 1,8 В подходит только TCA9548A.
5. 05 Уровни на всех ветвях должны совпадать — смешивать 1,8 и 5 В в разных ветвях одного прибора нельзя.
6. 06 Поведение после включения: каналы отключены, выбрать канал должен ведущий.

Частые вопросы

• Сколько каналов — восемь, каждый со своей парой выводов данных и такта.
• Какой адрес — 0x70 по умолчанию, всего 0x70–0x77.
• Какая максимальная частота шины — 400 кГц.
• Чем TCA9548A отличается от PCA9548A — нижней границей питания (1,65 В против 2,3 В), сопротивлением канала (около 6 Ом против 10 Ом), набором корпусов (SOIC-24 есть только у PCA9548A) и поведением вывода сброса.
• Можно ли использовать для разных уровней напряжения — да, прибор пропускает сигналы уровня, и это его второе назначение.
• Что происходит после подачи питания — все каналы отключены, ведущий выбирает нужный.