基于正交設計的LED燈內部I2C通訊抗干擾參數優化

馬曉鵬

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基于正交設計的LED燈內部I2C通訊抗干擾參數優化

馬曉鵬

（色幻無線光電科技（深圳）有限公司）

針對LED燈內部通信I2C總線抗干擾性差，易造成數據丟失等問題，通過正交試驗法進行I2C通訊干擾故障定位并選擇相應解決方案。以I2C通訊包間隙時長為優化指標，改變LED輸出功率、充電電流和充電電流檢測頻率，確定各要素對指標影響程度，以快速找到最優參數。結果表明：采用正交試驗確定的參數方案，可使I2C通訊包傳輸速率達到100 Hz以上，滿足設計要求。

正交試驗；I2C通訊干擾；LED

0 引言

I2C通訊是嵌入式系統常用的內部通訊方式，具有軟硬件實現相對簡單方便、技術通用、抗干擾差、速率低等特性[1-2]。LED燈內部采用I2C通訊采集電池、分支處理單元（branch processing unit，BPU）的數據進行分析及控制[3]。為保證BPU控制及時可靠，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（可達到幾百毫秒），造成電池充放電極不穩定[5-6]。近年來學者通過故障注入方式[7]，發現引起通訊延遲的干擾因素較多，故本文以I2C通訊間隔為優化指標，采用正交試驗法分析各干擾因素對指標的影響程度并進行排序，由此順序進行故障分析定位并找到最優參數，以保證LED內部I2C通訊間隔在合理區間內。

1 配置參數及優化綜合指標

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抖動是隨機或確定的[8]。因而，在LED燈內部I2C總線的串行數據通信中必然存在由干擾或抖動而造成誤碼。本文使用的I2C芯片會根據誤碼率自動調整數據包傳輸速率，其速率與信號的抖動或干擾呈負線性相關，即干擾越少，數據包傳輸速率越高。因此I2C數據包通訊間隔時間可作為I2C通信優化的依據。

為測定I2C芯片的通訊間隔時間，在LED燈內部I2C總線的串行數據線SDA和串行時鐘線SDL各接入數字邏輯分析儀，并與邏輯分析儀共地。檢測原理圖如圖1所示，數字邏輯分析儀以2 MHz的速率抓取I2C通訊的時鐘與數據波形[9]，轉換為數字信號，然后通過分析軟件顯示在計算機屏幕上，用分析軟件提供的工具量取各數據包時間間隔并記錄下來。

圖1 檢測原理圖

經初步分析，在LED充電時，充電電流產生的干擾會造成I2C通訊延時，因此需確定合理的充電電流值。充電電流檢測的AD轉換頻率同樣干擾通訊。同時，不同的輸出功率驅動LED顯示不同顏色，此因素也干擾通訊。因此，影響LED通訊延時的因素主要包括LED輸出功率、充電電流和電流檢測AD轉換頻率等。改變上述因素，以I2C通訊包間隔為有效指標（單位ms），通過正交試驗確定各因素影響效果，從而找到進一步優化通訊指標的方向。

2 試驗設計與分析

借鑒軟件測試正交試驗設計方法[10]，分別用、、表示輸出功率、充電電流和充電電流AD轉換頻率3個主要因素。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，如表2所示。

表1 因素水平表

表2 L9（34）正交表

表3、表4分別為各次試驗結果以及各因素對分析靈敏度的影響數據分析表。表4中1、2、3為各因素同一水平試驗結果之和。

表3 正交試驗結果

表4 正交試驗結果分析

3 結果分析

由表4得到因素主次順序為：輸出功率（因素）>AD轉換頻率（因素）>充電電流（因素）。由表4，以做縱坐標，、、做橫坐標來觀察、、各因素影響趨勢，如圖2所示。由表5方差分析得到相同結果，且充電電流（因素）的影響低于誤差，可以忽略不計。根據各因素各水平確定優水平，進而選出優組合為121，并據此分析I2C通訊干擾因素定位及優化。由此次試驗結果可知，輸出功率影響最大，分析軟件代碼發現LED燈光照明算法占用CPU時間過多，對此進行優化，同時在輸出功率大于1時即停止充電。由于充電電流影響可以忽略不計，因此采用500 mA充電電流。充電電流AD轉換頻率應采用試驗最優條件，但AD轉換頻率過低會導致過流保護不夠靈敏，從而造成器件損壞。再查看試驗結果，1BC3通訊間隔也能滿足需要。因此保持ADC為最大頻率，同時嚴格控制輸出功率小于1時才啟動充電。

表5 方差分析

圖2 趨勢圖

4 結語

本文通過引入正交試驗設計，對LED燈具嵌入式軟硬件各影響因素進行有效選擇，分析結果可有效定位故障。本次試驗結果清晰指明了各因素對I2C通訊干擾影響大小，根據分析結果選擇的參數，使得I2C通訊包傳輸速率達到100 Hz以上，滿足設計要求。

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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。E-mail: maxp@netease.com