SMBUS通信波形分析：实现更高效的传输

1.特性

SMBus是 System Management Bus 的缩写，译为系统管理总线，SMBus是一种二线制串行总线，1996年第一版规范开始商用。它大部分基于I2C总 线规范。和 I2C一样，SMBus不需增加额外引脚，创建该总线主要是为了增加新的功能特性，但只工作在100kHz且专门面向智能电池管理应用。它工作在主/从模式：主器件提供时钟，在其发起一次传输时提供一个起始位，在其终止一次传输时提供一个停止位；从器件拥有一个唯一的7或10位从器件地址。

2. 位传输

SMBus通信协议使用0.8V和2.1V的固定电压电平来定义逻辑电平0和逻辑电平1.

2.1数据有效性

SDA上的数据必须在SCL信号为高电平时保持稳定，这样SDA上的数据才能认为是有效传输数据。只有当SCL为低电平时，SDA上的数据才能进行转变。

2.2 Start和Stop条件

与I2C通信协议一样，SMBus总线情况定义了消息START和STOP条件。当SCL为“高”时，SDA线的高到低转换表示消息“start”条件，当SCL为高时，SDA线的低到高转换定义了消息STOP条件。

3．SMbus数据传输

3.1字节形式

每个字节包含8位。每个字节在SMbus总线上传输时必须要跟一个应答位，字节首先使用最高有效位（MSB）进行传输。

3.2应答和非应答

应答信号的时钟信号是由主机提供的，在应答时间周期内，主机方需保持数据传输线为高电位，接收机必须将SDA电平拉低才表示应答成功。

4. 数据传输格式

SMbus数据传输遵循以下格式：

在START条件（S）之后，主设备将其要寻址的从设备的7位地址放在该地址上。地址长度为7位，后跟指示数据传输方向的第八位。R/W）;0表示传输（写入），而1表示数据请求（读取）。一个数据传输始终由主服务器生成的STOP（P）条件终止，Smbus实现的这几种通信格式是由IIC通信拓展而来的。特定的SMBus协议要求主站生成重复的START条件，然后生成从机设备地址，而不首先生成STOP条件。

SMBus实现的数据格式包括：

1. 主发送器传输到从接收器。在这种情况下，传输方向不发生更改.

主服务器在第一个字节之后立即读取从站。

（2）在第一次确认的那一刻，传输方向发生改变。

（3）组合格式。在传输中改变方向期间，主站重复两个START条件和从地址，但R/W位反转。在这种情况下，主接收机通过在传输的最后一个字节上生成NACK和STOP条件来终止传输。

首先需要安装KingsiVIS软件，安装好相应软件之后，在软件安装、设备连接完成后，就可以进行信号的采集和分析了。

1. 采样深度与采样率设置

采样深度：即对被测信号一次采集的样点总数。它直接决定了一次采样所能采集到的数据量的多少，显然深度越大，一次采集的数据量越大。

采样率：也称采样速率，即对被测信号进行采样的频率，也就是每秒所采集的样点数。 它直接决定了一次采样结果的时间精度，采样率越高，时间精度越高。一次采样结果的时间 精度就等于“1/。采样率”，即一个采样周期。

一次采样过程所持续的时间等于“采样深度÷采样率”，那么在进行采样之前，首先要 对被测信号有一个大概的评估——最高频率是多少、需要采集多长时间的数据等，然后由被 测信号最高频率来选择采样率，原则是“采样率必须达到被测信号最高频率的 5 倍以上，推荐10倍以上”，倍数越高采样的时间精度就越高。但采样率也不是越高越好，因为在同样 采样深度下，采样率越高一次采样所能采集的时间就越短，所以还要综合考虑所需要的采样 时间，在同时满足二者最低需要的情况下留有适当的裕量即可。下图为采样深度和采样率状态栏：

2．触发条件设置

触发就是设置一定的条件，当被测信号满足该条件时，才开始采集数据， 而该设定条件就叫做触发条件。触发条件包括信号的跳变沿、高低电平或二者的组合等。触 发条件要根据被测信号的特点来设置。由于本实验需要测的是SMbus通信过程，Start条件是SCL为高电平时，SDA电平由高往低跳变。所以设置触发条件如下所示。

点击开始按钮，当检测到波形满足触发条件时，软件就开始收集和采样数据。

三、Smbus波形采集与分析

将电脑与BQ4050连接，并用逻辑分析仪连接好相应的信号线，命令通信

使用Smbus协议。TargetAddress填写电量计的SMBUS设备地址，SMBUS电量计的7位地址是0x0B，对应8位地址是0x16表示写，0x17表示读。这里填写0x16或17皆可。

（1）Read Word操作

下面使用0x09命令实现电池电压数值读取，使用逻辑分析抓取波形，bqstudio显示界面如下：

逻辑分析仪采集到的波形如下：

通过查阅相关数据手册，有关使用命令进行word读取介绍：读取数据比写入数据稍微复杂一些。 首先，主机必须将命令写入从设备。 然后，它必须遵循该命令，并带有重复的启动条件，以表示从该命令读取设备的地址。 然后，从站返回 1 或 2 字节的数据。同时注意，在重复启动条件之前没有停止条件，并且“NACK”表示读取传输结束。相关读取过程如下所示：

通过比对，发现过程基本一致。

1. Write Word操作

通过0x01指令为电池组设置低容量报警阈值。bqStudio提示写入成功操作。

逻辑分析仪抓取到的波形如下：

其中Byte0x04和Byte0x37是要写入的数据，每个数据字节后面接一个应答信号。其中0xF6表示PEC校验字节。相关写入操作流程如下图所示：

在此示例中，主设备发送从设备地址，后跟写入位。从机确认，主服务器提供命令代码。从机再次对主机应答，发送数据字节或字（低字节优先）。 从机接收数据后发送应答信号。发送数据成功后，再发送一个字节PEC校验并应答。

（3）Read Block操作

通过块读取指令0x20读取电池包制造商名称，bqstudio提示读取成功窗口如下：

逻辑分析仪抓取到的波形如下

其中0X0B表示地址，0x20表示命令，0x03表示读取块内存字节长度，0x4B，0X41,0x42都表示数据字节。相关流程如下所示：

块读取操作开始后，主机先发送从机地址和写方向，从机应答，然后发送命令代码，从机应答，然后重复发送start信号，从机地址和读方向，之后从机发送块字节大小，最多不能超过20个字节，也不能等于0，后面跟块字节数据，最后跟一个非传输数据字节和非应答信号。

1. Write Block操作

使用块写入命令0x70操作修改制造商信息，bqstudio提示写入窗口如下：

逻辑分析仪抓取到波形如下：

0x0B表示地址，0x70表示命令，0x03表示块写入字节数，0xA3,0x61,0x62表示写入的数据字节，0xF0表示PEC校验字节。

相关流程如下所示：

写入块操作由起始信号开始，主机发送从机地址和写方向，从机应答，发送命令，从机应答，然后是写入字节个数，最多不能超过20个字节，也不能等于0，再接着的是要写入的数据，主机全部写入数据后，在发送一个字节PEC校验。