本文主要針對 i2c 設備，講解如何解決 i2c 設備主機與從機直接無(wú)法正常數據交互的問(wèn)題，側重點(diǎn)是針對硬件設計不太合理、i2c 設備設計不標準導致總線(xiàn)故障的情況，并且通過(guò)分析現象，提出解決方案。對于在設備初始化中，沒(méi)有設置相應的寄存器或者發(fā)送命令，而導致的無(wú)法獲取想要的數據情況，不作詳細介紹。

 

一、i2c 基本用法

 

i2c 總線(xiàn)是一種簡(jiǎn)單、雙向二線(xiàn)制同步串行總線(xiàn)。所有主機在 SCL 線(xiàn)上產(chǎn)生它們自己的時(shí)鐘來(lái)傳輸總線(xiàn)上的報文，SDA 線(xiàn)傳輸每個(gè)字節必須為 8 位，每次傳輸可以發(fā)送的字節數量不受限制，每個(gè)字節后必須跟一個(gè)響應位。在空閑狀態(tài)時(shí)，SCL 與 SDA 均為高電平。

 

通常一些低功耗 i2c 設備，芯片引腳使用上拉輸出即可滿(mǎn)足與其正常數據交互，還有一些 i2c 設備，則需要在總線(xiàn)上外加一個(gè)上拉電阻，此時(shí)相應的 I/O 配置成開(kāi)漏輸出，其他的按照芯片手冊進(jìn)行標準配置。

 

二、硬件問(wèn)題匯總

 

2.1 無(wú)法正常拉高拉低引腳

 

首先確定 SDA 與SCL 引腳能夠被拉高、拉低，檢測方式直接軟件控制 I/O 口輸出引腳低電平/高電平，測量引腳電壓是否能夠隨著(zhù)芯片引腳的設置輸出相應的狀態(tài)。

如果不能被拉低，檢測虛焊、上拉電阻斷開(kāi)、i2c 設備是否正常、芯片引腳是否損壞等問(wèn)題，確保能夠正常被拉高或者拉低。

 

2.2 電氣特性無(wú)法滿(mǎn)足

 

如果正常拉高、拉低的情況下，依然無(wú)法正常讀取數據。通常建議，根據負載電流更換小阻值的電阻。

 

如果需要詳細知道原因，就具體查詢(xún) i2c 設備電氣特性。大多數 i2c 設備電氣特性，大致下圖所示

 

 

通常這塊內容在 i2c 設備電氣特性這一塊，主要講解電平拉高拉低的最長(cháng)時(shí)間、最短時(shí)間，以及處于高電平與電平的閾值與持續時(shí)間等等內容。

 

硬件設計，為了降低單片機的功耗與保護芯片引腳，在滿(mǎn)足負載電流和負載電容相關(guān)要求的前提下，阻值設置通常比較大。如果同一個(gè)總線(xiàn)上掛載多個(gè) i2c 設備， 即使在 I/O 口配置正確的前提下，也會(huì )導致驅動(dòng)能力不足。

 

現象是拉高電壓不足，在拉高、拉低過(guò)程中消耗時(shí)間過(guò)長(cháng)。這兩個(gè)問(wèn)題通常還引起數據線(xiàn)與時(shí)鐘線(xiàn)：拉高時(shí)，高電壓持續時(shí)間過(guò)短;拉低時(shí)，低電壓持續時(shí)間過(guò)短。用示波器抓取圖形：從波形上看，顯示是尖波、斜波、雜波等不符合 i2c 設備電氣特性的波形;從數據上看，數據線(xiàn)高電平持續時(shí)間過(guò)小 ，上升沿時(shí)間過(guò)長(cháng) ，下降沿時(shí)間過(guò)長(cháng)等等數據超出設備電氣特性的有效值。典型雜波圖，如下所示

 

 

如果出現此類(lèi)異常，建議更換小一點(diǎn)的電阻，用來(lái)增強總線(xiàn)驅動(dòng)能力，提高電平轉換速度。應當注意的是每個(gè) MCU 的耐受電流不一樣，減小電阻應避免超過(guò)相應引腳承受電流的最大值。

 

3 SDA 死鎖

 

如果i2c 設備的數據偶爾能夠正確獲取，但是仍然會(huì )在總線(xiàn)發(fā)送數據或者命令的時(shí)候，爆出總線(xiàn)讀寫(xiě)錯誤，那么有可能遇到下面的死鎖問(wèn)題，死鎖時(shí)候，就是數據線(xiàn)被拉低，主機無(wú)法拉高。死鎖一般發(fā)生在從機上，且為數據線(xiàn)死鎖。因為i2c總線(xiàn)是共享的，如果需要確定，是否是從機死鎖，可以參照下面兩幅圖，串聯(lián)電阻進(jìn)行測試

 

 

如上圖所示，如果從機死鎖，即從機拉低電平，此時(shí)檢測到的電壓為1/3 Vcc。

 

 

如上圖所示，如果主機死鎖，即主機拉低電平，此時(shí)檢測到的電壓為 1/11 Vcc。依據這個(gè)原理，可以準確判定死鎖的具體位置，多個(gè)傳感器依據類(lèi)似方式進(jìn)行定位。

 

3.1 反復重啟導致死鎖

 

3.1.1 現象

 

如果設備需要反復重啟，很有可能在從機設備返回數據的時(shí)候，SDA被鎖住。具體原因是從機設備在回數據，還沒(méi)有發(fā)送完成，主機時(shí)鐘消失，從機等待時(shí)鐘信號， MCU重啟，如果從機設備的電源沒(méi)有復位，從機繼續等待 MCU 時(shí)鐘信號，數據一直被鉗住，總線(xiàn)無(wú)法完成數據交互。

 

3.1.2 解決方式

 

解決重啟導致總線(xiàn)死鎖，一種方式可以如同 rt-thread 驅動(dòng)解決方式一樣，在系統復位的時(shí)候，提供9個(gè)時(shí)鐘信號，解初總線(xiàn)死鎖;另一種是在按下復位鍵初始化的時(shí)候，給從機設備電源斷電重啟，這個(gè)需要引腳控制。

 

3.1.3 9 個(gè)時(shí)鐘信號

 

i2c 設備進(jìn)行讀寫(xiě)操作的過(guò)程中，在從機鉗住總線(xiàn)的期間，MCU 異常復位，會(huì )導致 SDA 死鎖，異常產(chǎn)生出現在倆個(gè)階段：從機響應階段、從機發(fā)送數據階段。下面將針對這兩種異常，對時(shí)鐘信號進(jìn)行解釋?zhuān)⑶铱偨Y其他原因，得出結論。

 

(a) 從機響應階段

 

MCU 在開(kāi)始信號后發(fā)送地址，得到從機設備響應，準備開(kāi)始返回數據，在這個(gè)時(shí)候，從機將 SDA 信號拉為低電平，如果 MCU 異常復位，會(huì )導致總線(xiàn)上 SCL 停止發(fā)送時(shí)鐘信號，從機等待 MCU 的時(shí)鐘信號，產(chǎn)生鉗住并且拉低 SDA 的現象。如果想要解鎖 SDA，從機需要 9 個(gè)時(shí)鐘信號，使得從機完成響應，釋放 SDA 。

 

(b) 從機發(fā)送數據階段

 

如果從機響應完成了，開(kāi)始給 MCU 返回數據。這個(gè)數據有八位，每一位都有可能為低，如果在數據低位，MCU 異常復位，停止發(fā)送時(shí)鐘信號，從機就會(huì )等待 MCU 的時(shí)鐘信號，產(chǎn)生鉗住并且拉低 SDA 的現象。如果想要解鎖 SDA，從機需要 1-8 個(gè)時(shí)鐘信號，使得從機完成數據響應，釋放 SDA 。

 

(c)其他情況

 

在從機一個(gè) 8 位數據發(fā)送完成后，等待 MCU 響應, 即使屬于 MCU 的，從機不再鉗住 SDA，沒(méi)有時(shí)鐘，數據交互停止。

 

在主機發(fā)送數據階段，總線(xiàn)所有權在主機，主機異常，數據交互停止，總線(xiàn)釋放。所以，這些情況下，不存在 SDA 死鎖的情況。

 

(d)結論

 

綜上所述，解鎖 SDA 從機最多需要 9 個(gè)時(shí)鐘信號，也就是異常復位后，MCU 至少發(fā)送需要 9 個(gè)時(shí)鐘信號，完成 i2c 總線(xiàn)的 SDA 解鎖。所以，RT_Thread 為了避免此類(lèi)問(wèn)題的產(chǎn)生，在 i2c 驅動(dòng)初始化，對總線(xiàn)進(jìn)行判斷，判斷是否需要解鎖，如果需要，就進(jìn)行解鎖，確保 i2c 設備不會(huì )因為這個(gè)問(wèn)題導致數據交互失敗。

 

3.2 多個(gè) i2c 設備導致死鎖

 

多 i2c 設備除了異常復位導致死鎖，還會(huì )形成相互干擾的問(wèn)題，一般情況下，不會(huì )把同種從機地址掛在同一條總線(xiàn)上，但除此之外，有些 i2c 設備設計不是按照標準的 i2c 總線(xiàn)協(xié)議設計，在 i2c 總線(xiàn)共享的前提條件下，有的設備只要總線(xiàn)上從機地址就會(huì )有響應。這樣由于從機的錯誤響應，使得各個(gè) i2c 總線(xiàn)異常，甚至鉗住總線(xiàn)，導致 I2C 總線(xiàn)進(jìn)人一種死鎖狀態(tài)。

 

解決方式，這樣的不標準i2c設備，單獨使用一個(gè)總線(xiàn)，避免干擾，或者單獨一個(gè)獨立引腳，控制電源。

 

來(lái)源：RT-Thread

 

 

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