如何解決i2c設(shè)備主機(jī)與從機(jī)直接無(wú)法正常數(shù)據(jù)交互的問(wèn)題

一般情況下， i2c 設(shè)備焊接沒(méi)什么問(wèn)題，按照設(shè)備手冊(cè)一步步來(lái)，基本上就順風(fēng)順?biāo)軌蛴闷饋?lái)。如果這么一個(gè)簡(jiǎn)單的東西，有時(shí)候想要的結(jié)果死活不出來(lái)，反復(fù)的檢查問(wèn)題的原因，查詢解決辦法，核查設(shè)備的數(shù)據(jù)手冊(cè)，甚至發(fā)送和接收的每一條命令與數(shù)據(jù)都知道是什么意思，仍然無(wú)法解決問(wèn)題，那該怎么辦呢？

本文主要針對(duì) i2c 設(shè)備，講解如何解決 i2c 設(shè)備主機(jī)與從機(jī)直接無(wú)法正常數(shù)據(jù)交互的問(wèn)題，側(cè)重點(diǎn)是針對(duì)硬件設(shè)計(jì)不太合理、i2c 設(shè)備設(shè)計(jì)不標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)致總線故障的情況，并且通過(guò)分析現(xiàn)象，提出解決方案。對(duì)于在設(shè)備初始化中，沒(méi)有設(shè)置相應(yīng)的寄存器或者發(fā)送命令，而導(dǎo)致的無(wú)法獲取想要的數(shù)據(jù)情況，不作詳細(xì)介紹。

1 i2c 基本用法

i2c 總線是一種簡(jiǎn)單、雙向二線制同步串行總線。所有主機(jī)在 SCL 線上產(chǎn)生它們自己的時(shí)鐘來(lái)傳輸總線上的報(bào)文，SDA 線傳輸每個(gè)字節(jié)必須為 8 位，每次傳輸可以發(fā)送的字節(jié)數(shù)量不受限制，每個(gè)字節(jié)后必須跟一個(gè)響應(yīng)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(shè)備，芯片引腳使用上拉輸出即可滿足與其正常數(shù)據(jù)交互，還有一些 i2c 設(shè)備，則需要在總線上外加一個(gè)上拉電阻，此時(shí)相應(yīng)的 I/O 配置成開漏輸出，其他的按照芯片手冊(cè)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)配置。

2 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(cè)方式直接軟件控制 I/O 口輸出引腳低電平/高電平，測(cè)量引腳電壓是否能夠隨著芯片引腳的設(shè)置輸出相應(yīng)的狀態(tài)。

如果不能被拉低，檢測(cè)虛焊、上拉電阻斷開、i2c 設(shè)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)法滿足

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

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

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

硬件設(shè)計(jì)，為了降低單片機(jī)的功耗與保護(hù)芯片引腳，在滿足負(fù)載電流和負(fù)載電容相關(guān)要求的前提下，阻值設(shè)置通常比較大。如果同一個(gè)總線上掛載多個(gè) i2c 設(shè)備， 即使在 I/O 口配置正確的前提下，也會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)能力不足。

現(xiàn)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(zhǎng)。這兩個(gè)問(wèn)題通常還引起數(shù)據(jù)線與時(shí)鐘線：拉高時(shí)，高電壓持續(xù)時(shí)間過(guò)短；拉低時(shí)，低電壓持續(xù)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(shè)備電氣特性的波形；從數(shù)據(jù)上看，數(shù)據(jù)線高電平持續(xù)時(shí)間過(guò)小 ，上升沿時(shí)間過(guò)長(zhǎng) ，下降沿時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等等數(shù)據(jù)超出設(shè)備電氣特性的有效值。典型雜波圖，如下所示

如果出現(xiàn)此類異常，建議更換小一點(diǎn)的電阻，用來(lái)增強(qiáng)總線驅(qū)動(dòng)能力，提高電平轉(zhuǎn)換速度。應(yīng)當(dāng)注意的是每個(gè) MCU 的耐受電流不一樣，減小電阻應(yīng)避免超過(guò)相應(yīng)引腳承受電流的最大值。

3 SDA 死鎖

如果i2c 設(shè)備的數(shù)據(jù)偶爾能夠正確獲取，但是仍然會(huì)在總線發(fā)送數(shù)據(jù)或者命令的時(shí)候，爆出總線讀寫錯(cuò)誤，那么有可能遇到下面的死鎖問(wèn)題，死鎖時(shí)候，就是數(shù)據(jù)線被拉低，主機(jī)無(wú)法拉高。死鎖一般發(fā)生在從機(jī)上，且為數(shù)據(jù)線死鎖。因?yàn)閕2c總線是共享的，如果需要確定，是否是從機(jī)死鎖，可以參照下面兩幅圖，串聯(lián)電阻進(jìn)行測(cè)試

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

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

3.1 反復(fù)重啟導(dǎo)致死鎖

3.1.1 現(xiàn)象

如果設(shè)備需要反復(fù)重啟，很有可能在從機(jī)設(shè)備返回?cái)?shù)據(jù)的時(shí)候，SDA被鎖住。具體原因是從機(jī)設(shè)備在回?cái)?shù)據(jù)，還沒(méi)有發(fā)送完成，主機(jī)時(shí)鐘消失，從機(jī)等待時(shí)鐘信號(hào)， MCU重啟，如果從機(jī)設(shè)備的電源沒(méi)有復(fù)位，從機(jī)繼續(xù)等待 MCU 時(shí)鐘信號(hào)，數(shù)據(jù)一直被鉗住，總線無(wú)法完成數(shù)據(jù)交互。

3.1.2 解決方式

解決重啟導(dǎo)致總線死鎖，一種方式可以如同 rt-thread 驅(qū)動(dòng)解決方式一樣，在系統(tǒng)復(fù)位的時(shí)候，提供9個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，解初總線死鎖；另一種是在按下復(fù)位鍵初始化的時(shí)候，給從機(jī)設(shè)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(hào)

i2c 設(shè)備進(jìn)行讀寫操作的過(guò)程中，在從機(jī)鉗住總線的期間，MCU 異常復(fù)位，會(huì)導(dǎo)致 SDA 死鎖，異常產(chǎn)生出現(xiàn)在倆個(gè)階段：從機(jī)響應(yīng)階段、從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)階段。下面將針對(duì)這兩種異常，對(duì)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行解釋，并且總結(jié)其他原因，得出結(jié)論。

（a） 從機(jī)響應(yīng)階段

MCU 在開始信號(hào)后發(fā)送地址，得到從機(jī)設(shè)備響應(yīng)，準(zhǔn)備開始返回?cái)?shù)據(jù)，在這個(gè)時(shí)候，從機(jī)將 SDA 信號(hào)拉為低電平，如果 MCU 異常復(fù)位，會(huì)導(dǎo)致總線上 SCL 停止發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)，從機(jī)等待 MCU 的時(shí)鐘信號(hào)，產(chǎn)生鉗住并且拉低 SDA 的現(xiàn)象。如果想要解鎖 SDA，從機(jī)需要 9 個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，使得從機(jī)完成響應(yīng)，釋放 SDA 。

（b） 從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)階段

如果從機(jī)響應(yīng)完成了，開始給 MCU 返回?cái)?shù)據(jù)。這個(gè)數(shù)據(jù)有八位，每一位都有可能為低，如果在數(shù)據(jù)低位，MCU 異常復(fù)位，停止發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)，從機(jī)就會(huì)等待 MCU 的時(shí)鐘信號(hào)，產(chǎn)生鉗住并且拉低 SDA 的現(xiàn)象。如果想要解鎖 SDA，從機(jī)需要 １－８ 個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，使得從機(jī)完成數(shù)據(jù)響應(yīng)，釋放 SDA 。

（c）其他情況

在從機(jī)一個(gè) 8 位數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，等待 MCU 響應(yīng), 即使屬于 MCU 的，從機(jī)不再鉗住 SDA，沒(méi)有時(shí)鐘，數(shù)據(jù)交互停止。

在主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)階段，總線所有權(quán)在主機(jī)，主機(jī)異常，數(shù)據(jù)交互停止，總線釋放。所以，這些情況下，不存在 SDA 死鎖的情況。

（d）結(jié)論

綜上所述，解鎖 SDA 從機(jī)最多需要 9 個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，也就是異常復(fù)位后，MCU 至少發(fā)送需要 9 個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，完成 i2c 總線的 SDA 解鎖。所以，RT_Thread 為了避免此類問(wèn)題的產(chǎn)生，在 i2c 驅(qū)動(dòng)初始化，對(duì)總線進(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(shè)備不會(huì)因?yàn)檫@個(gè)問(wèn)題導(dǎo)致數(shù)據(jù)交互失敗。

3.2 多個(gè) i2c 設(shè)備導(dǎo)致死鎖

多 i2c 設(shè)備除了異常復(fù)位導(dǎo)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(jī)地址掛在同一條總線上，但除此之外，有些 i2c 設(shè)備設(shè)計(jì)不是按照標(biāo)準(zhǔn)的 i2c 總線協(xié)議設(shè)計(jì)，在 i2c 總線共享的前提條件下，有的設(shè)備只要總線上從機(jī)地址就會(huì)有響應(yīng)。這樣由于從機(jī)的錯(cuò)誤響應(yīng)，使得各個(gè) i2c 總線異常，甚至鉗住總線，導(dǎo)致 I2C 總線進(jìn)人一種死鎖狀態(tài)。

解決方式，這樣的不標(biāo)準(zhǔn)i2c設(shè)備，單獨(dú)使用一個(gè)總線，避免干擾，或者單獨(dú)一個(gè)獨(dú)立引腳，控制電源。