I2C（Inter-Integrated Circuit）協議是一種串行通信協議，由Philips Semiconductor（現為NXP Semiconductors）在1980年代初期開發。它被設計用于連接微控制器和其他集成電路，允許它們通過僅兩根線（數據線SDA和時鐘線SCL）進行通信。

1. 通信線路

• SDA（數據線） ：用于傳輸數據。
• SCL（時鐘線） ：用于同步數據傳輸。

2. 電氣特性

• 電壓水平 ：I2C協議支持不同的電壓水平，包括3.3V、5V等。這允許I2C總線在不同的電壓級別上工作，但需要確保所有連接到總線的設備都能在相同的電壓水平上工作。
• 上拉電阻 ：SDA和SCL線需要外部上拉電阻，以確保在沒有數據傳輸時線路保持高電平。這些電阻通常連接到電源電壓，其值取決于總線長度和負載電容。
• 開漏輸出 ：I2C設備使用開漏輸出，這意味著它們可以拉低SDA或SCL線，但不能將其拉高。上拉電阻確保了沒有設備驅動時線路保持高電平。
• 電平變化速率 ：I2C協議規定了電平變化的速率，以確保數據在總線上穩定傳輸。這通常與時鐘頻率有關。
• 噪聲容限 ：I2C協議具有一定的噪聲容限，允許在有噪聲干擾的情況下穩定工作。

3. 時鐘頻率

I2C協議定義了不同的時鐘頻率模式：

• 標準模式 ：時鐘頻率為100kHz。
• 快速模式 ：時鐘頻率為400kHz。
• 快速模式加 ：時鐘頻率為1MHz。
• 高速模式 ：時鐘頻率為3.4MHz。
• 超高速模式 ：時鐘頻率為5MHz。

4. 信號完整性

• 總線電容 ：I2C總線的電容會影響信號完整性和時鐘頻率。總線電容包括電纜電容和設備電容。
• 總線長度 ：較長的總線可能會引入信號延遲和反射，影響信號完整性。I2C協議規定了最大總線長度，以確保可靠的通信。

5. 地址和數據格式

• 地址位 ：I2C協議使用7位或10位地址，允許連接多個設備到同一總線上。
• 數據位 ：數據傳輸可以是8位或16位，具體取決于設備和協議。

6. 總線仲裁

• 多主機環境 ：在多主機環境中，I2C協議支持總線仲裁，確保只有一個主機在任何給定時間控制總線。

7. 信號同步

• 時鐘同步 ：SCL線用于同步SDA線上的數據傳輸，確保所有設備都能正確解釋數據。

8. 信號電平

• 邏輯高（高電平） ：通常定義為接近電源電壓的電平。
• 邏輯低（低電平） ：通常定義為接近地或0V的電平。

9. 電源和地

• 電源電壓 ：I2C設備需要穩定的電源供應，以確保正確的邏輯電平。
• 地線 ：所有設備應共地，以減少地回路和噪聲。

10. 兼容性和擴展性

• 電壓兼容性 ：I2C協議支持不同電壓級別的設備通過使用電平轉換器進行通信。
• 總線擴展 ：可以通過添加更多的設備來擴展I2C總線，但需要考慮總線電容和信號完整性。

I2C協議的電氣特性是確保數據在不同設備之間可靠傳輸的關鍵。設計時需要考慮這些特性，以確保系統的穩定性和性能。