I2C總線的基本用法 I2C總線硬件問題匯總

一般情況下， i2c 設備焊接沒什么問題，按照設備手冊一步步來，基本上就順風順水能夠用起來。如果這么一個簡單的東西，有時候想要的結果死活不出來，反復的檢查問題的原因，查詢解決辦法，核查設備的數據手冊，甚至發送和接收的每一條命令與數據都知道是什么意思，仍然無法解決問題，那該怎么辦呢？

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法正常數據交互的問題，側重點是針對硬件設計不太合理、i2c 設備設計不標準導致總線故障的情況，并且通過分析現象，提出解決方案。對于在設備初始化中，沒有設置相應的寄存器或者發送命令，而導致的無法獲取想要的數據情況，不作詳細介紹。

1 i2c 基本用法

i2c 總線是一種簡單、雙向二線制同步串行總線。所有主機在 SCL 線上產生它們自己的時鐘來傳輸總線上的報文，SDA 線傳輸每個字節必須為 8 位，每次傳輸可以發送的字節數量不受限制，每個字節后必須跟一個響應位。在空閑狀態時，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足與其正常數據交互，還有一些 i2c 設備，則需要在總線上外加一個上拉電阻，此時相應的 I/O 配置成開漏輸出，其他的按照芯片手冊進行標準配置。

2 硬件問題匯總

2.1無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芯片引腳的設置輸出相應的狀態。

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

2.2電氣特性無法滿足

如果正常拉高、拉低的情況下，依然無法正常讀取數據。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 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時間、最短時間，以及處于高電平與電平的閾值與持續時間等等內容。

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

現象是拉高電壓不足，在拉高、拉低過程中消耗時間過長。這兩個問題通常還引起數據線與時鐘線：拉高時，高電壓持續時間過短；拉低時，低電壓持續時間過短。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，數據線高電平持續時間過小 ，上升沿時間過長 ，下降沿時間過長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

如果出現此類異常，建議更換小一點的電阻，用來增強總線驅動能力，提高電平轉換速度。應當注意的是每個 MCU 的耐受電流不一樣，減小電阻應避免超過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，但是仍然會在總線發送數據或者命令的時候，爆出總線讀寫錯誤，那么有可能遇到下面的死鎖問題，死鎖時候，就是數據線被拉低，主機無法拉高。死鎖一般發生在從機上，且為數據線死鎖。因為i2c總線是共享的，如果需要確定，是否是從機死鎖，可以參照下面兩幅圖，串聯電阻進行測試

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

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

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候，SDA被鎖住。具體原因是從機設備在回數據，還沒有發送完成，主機時鐘消失，從機等待時鐘信號， MCU重啟，如果從機設備的電源沒有復位，從機繼續等待 MCU 時鐘信號，數據一直被鉗住，總線無法完成數據交互。

3.1.2 解決方式

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

3.1.3 9 個時鐘信號

i2c 設備進行讀寫操作的過程中，在從機鉗住總線的期間，MCU 異常復位，會導致 SDA 死鎖，異常產生出現在倆個階段：從機響應階段、從機發送數據階段。下面將針對這兩種異常，對時鐘信號進行解釋，并且總結其他原因，得出結論。

（a） 從機響應階段

MCU 在開始信號后發送地址，得到從機設備響應，準備開始返回數據，在這個時候，從機將 SDA 信號拉為低電平，如果 MCU 異常復位，會導致總線上 SCL 停止發送時鐘信號，從機等待 MCU 的時鐘信號，產生鉗住并且拉低 SDA 的現象。如果想要解鎖 SDA，從機需要 9 個時鐘信號，使得從機完成響應，釋放 SDA 。

（b） 從機發送數據階段

如果從機響應完成了，開始給 MCU 返回數據。這個數據有八位，每一位都有可能為低，如果在數據低位，MCU 異常復位，停止發送時鐘信號，從機就會等待 MCU 的時鐘信號，產生鉗住并且拉低 SDA 的現象。如果想要解鎖 SDA，從機需要 １－８ 個時鐘信號，使得從機完成數據響應，釋放 SDA 。

（c）其他情況

在從機一個 8 位數據發送完成后，等待 MCU 響應, 即使屬于 MCU 的，從機不再鉗住 SDA，沒有時鐘，數據交互停止。

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

（d）結論

綜上所述，解鎖 SDA 從機最多需要 9 個時鐘信號，也就是異常復位后，MCU 至少發送需要 9 個時鐘信號，完成 i2c 總線的 SDA 解鎖。所以，RT_Thread 為了避免此類問題的產生，在 i2c 驅動初始化，對總線進行判斷，判斷是否需要解鎖，如果需要，就進行解鎖，確保 i2c 設備不會因為這個問題導致數據交互失敗。

3.2 多個 i2c 設備導致死鎖

多 i2c 設備除了異常復位導致死鎖，還會形成相互干擾的問題，一般情況下，不會把同種從機地址掛在同一條總線上，但除此之外，有些 i2c 設備設計不是按照標準的 i2c 總線協議設計，在 i2c 總線共享的前提條件下，有的設備只要總線上從機地址就會有響應。這樣由于從機的錯誤響應，使得各個 i2c 總線異常，甚至鉗住總線，導致 I2C 總線進人一種死鎖狀態。

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

來源：RT-Thread

審核編輯：湯梓紅