基于正交設(shè)計(jì)的LED燈內(nèi)部I2C通訊抗干擾參數(shù)優(yōu)化

馬曉鵬

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基于正交設(shè)計(jì)的LED燈內(nèi)部I2C通訊抗干擾參數(shù)優(yōu)化

馬曉鵬

（色幻無線光電科技（深圳）有限公司）

針對LED燈內(nèi)部通信I2C總線抗干擾性差，易造成數(shù)據(jù)丟失等問題，通過正交試驗(yàn)法進(jìn)行I2C通訊干擾故障定位并選擇相應(yīng)解決方案。以I2C通訊包間隙時(shí)長為優(yōu)化指標(biāo)，改變LED輸出功率、充電電流和充電電流檢測頻率，確定各要素對指標(biāo)影響程度，以快速找到最優(yōu)參數(shù)。結(jié)果表明：采用正交試驗(yàn)確定的參數(shù)方案，可使I2C通訊包傳輸速率達(dá)到100 Hz以上，滿足設(shè)計(jì)要求。

正交試驗(yàn)；I2C通訊干擾；LED

0 引言

I2C通訊是嵌入式系統(tǒng)常用的內(nèi)部通訊方式，具有軟硬件實(shí)現(xiàn)相對簡單方便、技術(shù)通用、抗干擾差、速率低等特性[1-2]。LED燈內(nèi)部采用I2C通訊采集電池、分支處理單元（branch processing unit，BPU）的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及控制[3]。為保證BPU控制及時(shí)可靠，要求I2C通訊間隔不大于5 ms[4]。由于存在電磁干擾，可能使I2C通訊延遲（可達(dá)到幾百毫秒），造成電池充放電極不穩(wěn)定[5-6]。近年來學(xué)者通過故障注入方式[7]，發(fā)現(xiàn)引起通訊延遲的干擾因素較多，故本文以I2C通訊間隔為優(yōu)化指標(biāo)，采用正交試驗(yàn)法分析各干擾因素對指標(biāo)的影響程度并進(jìn)行排序，由此順序進(jìn)行故障分析定位并找到最優(yōu)參數(shù)，以保證LED內(nèi)部I2C通訊間隔在合理區(qū)間內(nèi)。

1 配置參數(shù)及優(yōu)化綜合指標(biāo)

由于串行通信存在碼間干擾和噪聲，從示波器上觀察到的信號(hào)抖動(dòng)是隨機(jī)或確定的[8]。因而，在LED燈內(nèi)部I2C總線的串行數(shù)據(jù)通信中必然存在由干擾或抖動(dòng)而造成誤碼。本文使用的I2C芯片會(huì)根據(jù)誤碼率自動(dòng)調(diào)整數(shù)據(jù)包傳輸速率，其速率與信號(hào)的抖動(dòng)或干擾呈負(fù)線性相關(guān)，即干擾越少，數(shù)據(jù)包傳輸速率越高。因此I2C數(shù)據(jù)包通訊間隔時(shí)間可作為I2C通信優(yōu)化的依據(jù)。

為測定I2C芯片的通訊間隔時(shí)間，在LED燈內(nèi)部I2C總線的串行數(shù)據(jù)線SDA和串行時(shí)鐘線SDL各接入數(shù)字邏輯分析儀，并與邏輯分析儀共地。檢測原理圖如圖1所示，數(shù)字邏輯分析儀以2 MHz的速率抓取I2C通訊的時(shí)鐘與數(shù)據(jù)波形[9]，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后通過分析軟件顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，用分析軟件提供的工具量取各數(shù)據(jù)包時(shí)間間隔并記錄下來。

圖1 檢測原理圖

經(jīng)初步分析，在LED充電時(shí)，充電電流產(chǎn)生的干擾會(huì)造成I2C通訊延時(shí)，因此需確定合理的充電電流值。充電電流檢測的AD轉(zhuǎn)換頻率同樣干擾通訊。同時(shí)，不同的輸出功率驅(qū)動(dòng)LED顯示不同顏色，此因素也干擾通訊。因此，影響LED通訊延時(shí)的因素主要包括LED輸出功率、充電電流和電流檢測AD轉(zhuǎn)換頻率等。改變上述因素，以I2C通訊包間隔為有效指標(biāo)（單位ms），通過正交試驗(yàn)確定各因素影響效果，從而找到進(jìn)一步優(yōu)化通訊指標(biāo)的方向。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析

借鑒軟件測試正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法[10]，分別用、、表示輸出功率、充電電流和充電電流AD轉(zhuǎn)換頻率3個(gè)主要因素。各因素有3水平，用1、2、3表示，如表1所示；采用L9（34）正交表安排試驗(yàn)，如表2所示。

表1 因素水平表

表2 L9（34）正交表

表3、表4分別為各次試驗(yàn)結(jié)果以及各因素對分析靈敏度的影響數(shù)據(jù)分析表。表4中1、2、3為各因素同一水平試驗(yàn)結(jié)果之和。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

3 結(jié)果分析

由表4得到因素主次順序?yàn)椋狠敵龉β剩ㄒ蛩兀?AD轉(zhuǎn)換頻率（因素）>充電電流（因素）。由表4，以做縱坐標(biāo)，、、做橫坐標(biāo)來觀察、、各因素影響趨勢，如圖2所示。由表5方差分析得到相同結(jié)果，且充電電流（因素）的影響低于誤差，可以忽略不計(jì)。根據(jù)各因素各水平確定優(yōu)水平，進(jìn)而選出優(yōu)組合為121，并據(jù)此分析I2C通訊干擾因素定位及優(yōu)化。由此次試驗(yàn)結(jié)果可知，輸出功率影響最大，分析軟件代碼發(fā)現(xiàn)LED燈光照明算法占用CPU時(shí)間過多，對此進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)在輸出功率大于1時(shí)即停止充電。由于充電電流影響可以忽略不計(jì)，因此采用500 mA充電電流。充電電流AD轉(zhuǎn)換頻率應(yīng)采用試驗(yàn)最優(yōu)條件，但AD轉(zhuǎn)換頻率過低會(huì)導(dǎo)致過流保護(hù)不夠靈敏，從而造成器件損壞。再查看試驗(yàn)結(jié)果，1BC3通訊間隔也能滿足需要。因此保持ADC為最大頻率，同時(shí)嚴(yán)格控制輸出功率小于1時(shí)才啟動(dòng)充電。

表5 方差分析

圖2 趨勢圖

4 結(jié)語

本文通過引入正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，對LED燈具嵌入式軟硬件各影響因素進(jìn)行有效選擇，分析結(jié)果可有效定位故障。本次試驗(yàn)結(jié)果清晰指明了各因素對I2C通訊干擾影響大小，根據(jù)分析結(jié)果選擇的參數(shù)，使得I2C通訊包傳輸速率達(dá)到100 Hz以上，滿足設(shè)計(jì)要求。

[1] 董興.非接觸式IC卡讀寫器中I2C總線接口的開發(fā)與驗(yàn)證[D].上海:復(fù)旦大學(xué),2013.

[2] 寧祎,王旭昊.一種基于I2C總線通訊的機(jī)器人舵機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程技術(shù),2011,40(4):76-78,113.

[3] 辛大欣,張志龍.基于CC3200的無線照明控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程,2017,45(4):758-762.

[4] 易瑋珂.微處理器中分支處理技術(shù)的開發(fā)與研究[D].西安:西安電子科技大學(xué),2008.

[5] 李真,馬旭超,蘇志斌,等.VoIP語音通訊延遲檢測方法的研究[J].中國傳媒大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,23(2):31-34.

[6] 盧炎生,謝曉東,朱英武.分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的通訊延遲模型與協(xié)議[J].軟件學(xué)報(bào),1998,9(3):227-230.

[7] 巨漢基,鄭蒙蒙,田海亭,等.基于故障注入的電能表存儲(chǔ)信息突變問題分析方法研究[J].電測與儀表,2016,53(15A): 67-69,78.

[8] 付英華.眼圖測試在串行通信系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D].南京:南京大學(xué),2016.

[9] 魏榕山,錢振煌.基于I2C總線的數(shù)模混合電路設(shè)計(jì)與驗(yàn)證[J].電子科技,2016,29(12):9-11.

[10] 曾茂希,陸璐.基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的測試用例選擇方法[J]. 計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程,2016,44(8):1468-1473.

Anti - Interference Parameter Optimization of I2C Communication in LED Lamp Based on Orthogonal Design

Ma Xiaopeng

(Color-LED Wireless Lights Limited, Shenzhen)

Focusing on the problem that the internal communication of LED lights I2C bus anti-interference is poor, easy to cause data loss, an orthogonal test method for I2C communication interference fault location is proposed to select the appropriate solution. Using the time between I2C communication packets as the optimization objective, the LED output power, charge current and charge current detection frequency are changed to find out the impact of the elements on the indicators to quickly find the optimal parameters. The results show that the orthogonal scheme can be used to determine the communication scheme of the I2C communication packet to reach more than 100 Hz to meet the design.

Orthogonal Experiment Design; I2C Communication Interference; LED

馬曉鵬，男，1976年生，本科，主要研究方向：智能檢測技術(shù)。E-mail: maxp@netease.com