I2C设备主机与从机直接数据交互

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一般情况下， i2c 设备焊接没什么问题，按照设备手册一步步来，基本上就顺风顺水能够用起来。如果这么一个简单的东西，有时候想要的结果死活不出来，反复的检查问题的原因，查询解决办法，核查设备的数据手册，甚至发送和接收的每一条命令与数据都知道是什么意思，仍然无法解决问题，那该怎么办呢？

本文主要针对 i2c 设备，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，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，并且通过分析现象，提出解决方案。对于在设备初始化中，没有设置相应的寄存器或者发送命令，而导致的无法获取想要的数据情况，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，SDA 线传输每个字节必须为 8 位，每次传输可以发送的字节数量不受限制，每个字节后必须跟一个响应位。在空闲状态时，SCL 与 SDA 均为高电平。

通常一些低功耗 i2c 设备，芯片引脚使用上拉输出即可满足与其正常数据交互，还有一些 i2c 设备，则需要在总线上外加一个上拉电阻，此时相应的 I/O 配置成开漏输出，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，检测方式直接软件控制 I/O 口输出引脚低电平/高电平，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，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，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，依然无法正常读取数据。通常建议，根据负载电流更换小阻值的电阻。

如果需要详细知道原因，就具体查询 i2c 设备电气特性。大多数 i2c 设备电气特性，大致下图所示


通常这块内容在 i2c 设备电气特性这一块，主要讲解电平拉高拉低的最长时间、最短时间，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，为了降低单片机的功耗与保护芯片引脚，在满足负载电流和负载电容相关要求的前提下，阻值设置通常比较大。如果同一个总线上挂载多个 i2c 设备， 即使在 I/O 口配置正确的前提下，也会导致驱动能力不足。

现象是拉高电压不足，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：拉高时，高电压持续时间过短；拉低时，低电压持续时间过短。用示波器抓取图形：从波形上看，显示是尖波、斜波、杂波等不符合 i2c 设备电气特性的波形；从数据上看，数据线高电平持续时间过小 ，上升沿时间过长 ，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，如下所示


如果出现此类异常，建议更换小一点的电阻，用来增强总线驱动能力，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，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，但是仍然会在总线发送数据或者命令的时候，爆出总线读写错误，那么有可能遇到下面的死锁问题，死锁时候，就是数据线被拉低，主机无法拉高。死锁一般发生在从机上，且为数据线死锁。因为i2c总线是共享的，如果需要确定，是否是从机死锁，可以参照下面两幅图，串联电阻进行测试


如上图所示，如果从机死锁，即从机拉低电平，此时检测到的电压为1/3 Vcc。


如上图所示，如果主机死锁，即主机拉低电平，此时检测到的电压为 1/11 Vcc。依据这个原理，可以准确判定死锁的具体位置，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，很有可能在从机设备返回数据的时候，SDA被锁住。具体原因是从机设备在回数据，还没有发送完成，主机时钟消失，从机等待时钟信号， MCU重启，如果从机设备的电源没有复位，从机继续等待 MCU 时钟信号，数据一直被钳住，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，一种方式可以如同 rt-thread 驱动解决方式一样，在系统复位的时候，提供9个时钟信号，解除总线死锁；另一种是在按下复位键初始化的时候，给从机设备电源断电重启，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，在从机钳住总线的期间，MCU 异常复位，会导致 SDA 死锁，异常产生出现在俩个阶段：从机响应阶段、从机发送数据阶段。下面将针对这两种异常，对时钟信号进行解释，并且总结其他原因，得出结论。

（a） 从机响应阶段
MCU 在开始信号后发送地址，得到从机设备响应，准备开始返回数据，在这个时候，从机将 SDA 信号拉为低电平，如果 MCU 异常复位，会导致总线上 SCL 停止发送时钟信号，从机等待 MCU 的时钟信号，产生钳住并且拉低  SDA 的现象。如果想要解锁 SDA，从机需要 9 个时钟信号，使得从机完成响应，释放 SDA 。

（b） 从机发送数据阶段
如果从机响应完成了，开始给 MCU 返回数据。这个数据有八位，每一位都有可能为低，如果在数据低位，MCU 异常复位，停止发送时钟信号，从机就会等待 MCU 的时钟信号，产生钳住并且拉低  SDA 的现象。如果想要解锁 SDA，从机需要 １－８ 个时钟信号，使得从机完成数据响应，释放 SDA 。

（c）其他情况
在从机一个 8 位数据发送完成后，等待 MCU 响应, 即使属于 MCU 的，从机不再钳住 SDA，没有时钟，数据交互停止。
在主机发送数据阶段，总线所有权在主机，主机异常，数据交互停止，总线释放。所以，这些情况下，不存在 SDA 死锁的情况。

（d）结论
综上所述，解锁 SDA 从机最多需要 9 个时钟信号，也就是异常复位后，MCU 至少发送需要 9 个时钟信号，完成 i2c 总线的 SDA 解锁。所以，RT_Thread 为了避免此类问题的产生，在 i2c 驱动初始化，对总线进行判断，判断是否需要解锁，如果需要，就进行解锁，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，还会形成相互干扰的问题，一般情况下，不会把同种从机地址挂在同一条总线上，但除此之外，有些 i2c 设备设计不是按照标准的 i2c 总线协议设计，在 i2c 总线共享的前提条件下，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，使得各个 i2c 总线异常，甚至钳住总线，导致 I2C 总线进人一种死锁状态。

解决方式，这样的不标准i2c设备，单独使用一个总线，避免干扰，或者单独一个独立引脚，控制电源。