一般情况下&＃xff0c; i2c 设备焊接没什么问题&＃xff0c;按照设备手册一步步来&＃xff0c;基本上就顺风顺水能够用起来。如果这么一个简单的东西&＃xff0c;有时候想要的结果死活不出来&＃xff0c;反复的检查问题的原因&＃xff0c;查询解决办法&＃xff0c;核查设备的数据手册&＃xff0c;甚至发送和接收的每一条命令与数据都知道是什么意思&＃xff0c;仍然无法解决问题&＃xff0c;那该怎么办呢&＃xff1f;
本文主要针对 i2c 设备&＃xff0c;讲解如何解决 i2c 设备主机与从机直接无法正常数据交互的问题&＃xff0c;侧重点是针对硬件设计不太合理、i2c 设备设计不标准导致总线故障的情况&＃xff0c;并且通过分析现象&＃xff0c;提出解决方案。对于在设备初始化中&＃xff0c;没有设置相应的寄存器或者发送命令&＃xff0c;而导致的无法获取想要的数据情况&＃xff0c;不作详细介绍。
1 i2c 基本用法
i2c 总线是一种简单、双向二线制同步串行总线。所有主机在 SCL 线上产生它们自己的时钟来传输总线上的报文&＃xff0c;SDA 线传输每个字节必须为 8 位&＃xff0c;每次传输可以发送的字节数量不受限制&＃xff0c;每个字节后必须跟一个响应位。在空闲状态时&＃xff0c;SCL 与 SDA 均为高电平。
通常一些低功耗 i2c 设备&＃xff0c;芯片引脚使用上拉输出即可满足与其正常数据交互&＃xff0c;还有一些 i2c 设备&＃xff0c;则需要在总线上外加一个上拉电阻&＃xff0c;此时相应的 I/O 配置成开漏输出&＃xff0c;其他的按照芯片手册进行标准配置。
2 硬件问题汇总
2.1 无法正常拉高拉低引脚
首先确定 SDA 与SCL 引脚能够被拉高、拉低&＃xff0c;检测方式直接软件控制 I/O 口输出引脚低电平/高电平&＃xff0c;测量引脚电压是否能够随着芯片引脚的设置输出相应的状态。
如果不能被拉低&＃xff0c;检测虚焊、上拉电阻断开、i2c 设备是否正常、芯片引脚是否损坏等问题&＃xff0c;确保能够正常被拉高或者拉低。
2.2 电气特性无法满足
如果正常拉高、拉低的情况下&＃xff0c;依然无法正常读取数据。通常建议&＃xff0c;根据负载电流更换小阻值的电阻。
如果需要详细知道原因&＃xff0c;就具体查询 i2c 设备电气特性。大多数 i2c 设备电气特性&＃xff0c;大致下图所示
通常这块内容在 i2c 设备电气特性这一块&＃xff0c;主要讲解电平拉高拉低的最长时间、最短时间&＃xff0c;以及处于高电平与电平的阈值与持续时间等等内容。
硬件设计&＃xff0c;为了降低单片机的功耗与保护芯片引脚&＃xff0c;在满足负载电流和负载电容相关要求的前提下&＃xff0c;阻值设置通常比较大。如果同一个总线上挂载多个 i2c 设备&＃xff0c; 即使在 I/O 口配置正确的前提下&＃xff0c;也会导致驱动能力不足。
现象是拉高电压不足&＃xff0c;在拉高、拉低过程中消耗时间过长。这两个问题通常还引起数据线与时钟线&＃xff1a;拉高时&＃xff0c;高电压持续时间过短&＃xff1b;拉低时&＃xff0c;低电压持续时间过短。用示波器抓取图形&＃xff1a;从波形上看&＃xff0c;显示是尖波、斜波、杂波等不符合 i2c 设备电气特性的波形&＃xff1b;从数据上看&＃xff0c;数据线高电平持续时间过小 &＃xff0c;上升沿时间过长 &＃xff0c;下降沿时间过长等等数据超出设备电气特性的有效值。典型杂波图&＃xff0c;如下所示
如果出现此类异常&＃xff0c;建议更换小一点的电阻&＃xff0c;用来增强总线驱动能力&＃xff0c;提高电平转换速度。应当注意的是每个 MCU 的耐受电流不一样&＃xff0c;减小电阻应避免超过相应引脚承受电流的最大值。
3 SDA 死锁
如果i2c 设备的数据偶尔能够正确获取&＃xff0c;但是仍然会在总线发送数据或者命令的时候&＃xff0c;爆出总线读写错误&＃xff0c;那么有可能遇到下面的死锁问题&＃xff0c;死锁时候&＃xff0c;就是数据线被拉低&＃xff0c;主机无法拉高。死锁一般发生在从机上&＃xff0c;且为数据线死锁。因为i2c总线是共享的&＃xff0c;如果需要确定&＃xff0c;是否是从机死锁&＃xff0c;可以参照下面两幅图&＃xff0c;串联电阻进行测试
如上图所示&＃xff0c;如果从机死锁&＃xff0c;即从机拉低电平&＃xff0c;此时检测到的电压为1/3 Vcc。
如上图所示&＃xff0c;如果主机死锁&＃xff0c;即主机拉低电平&＃xff0c;此时检测到的电压为 1/11 Vcc。依据这个原理&＃xff0c;可以准确判定死锁的具体位置&＃xff0c;多个传感器依据类似方式进行定位。
3.1 反复重启导致死锁3.1.1 现象
如果设备需要反复重启&＃xff0c;很有可能在从机设备返回数据的时候&＃xff0c;SDA被锁住。具体原因是从机设备在回数据&＃xff0c;还没有发送完成&＃xff0c;主机时钟消失&＃xff0c;从机等待时钟信号&＃xff0c; MCU重启&＃xff0c;如果从机设备的电源没有复位&＃xff0c;从机继续等待 MCU 时钟信号&＃xff0c;数据一直被钳住&＃xff0c;总线无法完成数据交互。
3.1.2 解决方式
解决重启导致总线死锁&＃xff0c;一种方式可以如同 rt-thread 驱动解决方式一样&＃xff0c;在系统复位的时候&＃xff0c;提供9个时钟信号&＃xff0c;解初总线死锁&＃xff1b;另一种是在按下复位键初始化的时候&＃xff0c;给从机设备电源断电重启&＃xff0c;这个需要引脚控制。
3.1.3 9 个时钟信号
i2c 设备进行读写操作的过程中&＃xff0c;在从机钳住总线的期间&＃xff0c;MCU 异常复位&＃xff0c;会导致 SDA 死锁&＃xff0c;异常产生出现在俩个阶段&＃xff1a;从机响应阶段、从机发送数据阶段。下面将针对这两种异常&＃xff0c;对时钟信号进行解释&＃xff0c;并且总结其他原因&＃xff0c;得出结论。
&＃xff08;a&＃xff09; 从机响应阶段
MCU 在开始信号后发送地址&＃xff0c;得到从机设备响应&＃xff0c;准备开始返回数据&＃xff0c;在这个时候&＃xff0c;从机将 SDA 信号拉为低电平&＃xff0c;如果 MCU 异常复位&＃xff0c;会导致总线上 SCL 停止发送时钟信号&＃xff0c;从机等待 MCU 的时钟信号&＃xff0c;产生钳住并且拉低 SDA 的现象。如果想要解锁 SDA&＃xff0c;从机需要 9 个时钟信号&＃xff0c;使得从机完成响应&＃xff0c;释放 SDA 。
&＃xff08;b&＃xff09; 从机发送数据阶段
如果从机响应完成了&＃xff0c;开始给 MCU 返回数据。这个数据有八位&＃xff0c;每一位都有可能为低&＃xff0c;如果在数据低位&＃xff0c;MCU 异常复位&＃xff0c;停止发送时钟信号&＃xff0c;从机就会等待 MCU 的时钟信号&＃xff0c;产生钳住并且拉低 SDA 的现象。如果想要解锁 SDA&＃xff0c;从机需要 &＃xff11;&＃xff0d;&＃xff18; 个时钟信号&＃xff0c;使得从机完成数据响应&＃xff0c;释放 SDA 。
&＃xff08;c&＃xff09;其他情况
在从机一个 8 位数据发送完成后&＃xff0c;等待 MCU 响应, 即使属于 MCU 的&＃xff0c;从机不再钳住 SDA&＃xff0c;没有时钟&＃xff0c;数据交互停止。
在主机发送数据阶段&＃xff0c;总线所有权在主机&＃xff0c;主机异常&＃xff0c;数据交互停止&＃xff0c;总线释放。所以&＃xff0c;这些情况下&＃xff0c;不存在 SDA 死锁的情况。
&＃xff08;d&＃xff09;结论
综上所述&＃xff0c;解锁 SDA 从机最多需要 9 个时钟信号&＃xff0c;也就是异常复位后&＃xff0c;MCU 至少发送需要 9 个时钟信号&＃xff0c;完成 i2c 总线的 SDA 解锁。所以&＃xff0c;RT_Thread 为了避免此类问题的产生&＃xff0c;在 i2c 驱动初始化&＃xff0c;对总线进行判断&＃xff0c;判断是否需要解锁&＃xff0c;如果需要&＃xff0c;就进行解锁&＃xff0c;确保 i2c 设备不会因为这个问题导致数据交互失败。
3.2 多个 i2c 设备导致死锁
多 i2c 设备除了异常复位导致死锁&＃xff0c;还会形成相互干扰的问题&＃xff0c;一般情况下&＃xff0c;不会把同种从机地址挂在同一条总线上&＃xff0c;但除此之外&＃xff0c;有些 i2c 设备设计不是按照标准的 i2c 总线协议设计&＃xff0c;在 i2c 总线共享的前提条件下&＃xff0c;有的设备只要总线上从机地址就会有响应。这样由于从机的错误响应&＃xff0c;使得各个 i2c 总线异常&＃xff0c;甚至钳住总线&＃xff0c;导致 I2C 总线进人一种死锁状态。
解决方式&＃xff0c;这样的不标准i2c设备&＃xff0c;单独使用一个总线&＃xff0c;避免干扰&＃xff0c;或者单独一个独立引脚&＃xff0c;控制电源。
来源&＃xff1a;RT-Thread
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