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[導(dǎo)讀]一般情況下, i2C設(shè)備焊接沒什么問題,按照設(shè)備手冊一步步來,基本上就順風(fēng)順?biāo)軌蛴闷饋?。如果這么一個簡單的東西,有時候想要的結(jié)果死活不出來,反復(fù)的檢查問題的原因,查詢解決辦法,核查設(shè)備的數(shù)據(jù)手冊,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

一般情況下, i2C設(shè)備焊接沒什么問題,按照設(shè)備手冊一步步來,基本上就順風(fēng)順?biāo)軌蛴闷饋?。如果這么一個簡單的東西,有時候想要的結(jié)果死活不出來,反復(fù)的檢查問題的原因,查詢解決辦法,核查設(shè)備的數(shù)據(jù)手冊,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,仍然無法解決問題,那該怎么辦呢?


本文主要針對 i2c 設(shè)備,講解如何解決 i2c 設(shè)備主機(jī)與從機(jī)直接無法正常數(shù)據(jù)交互的問題,側(cè)重點是針對硬件設(shè)計不太合理、i2c 設(shè)備設(shè)計不標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)致總線故障的情況,并且通過分析現(xiàn)象,提出解決方案。對于在設(shè)備初始化中,沒有設(shè)置相應(yīng)的寄存器或者發(fā)送命令,而導(dǎo)致的無法獲取想要的數(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)生它們自己的時鐘來傳輸總線上的報文,SDA 線傳輸每個字節(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,每個字節(jié)后必須跟一個響應(yīng)位。在空閑狀態(tài)時,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上拉電阻,此時相應(yīng)的 I/O 配置成開漏輸出,其他的按照芯片手冊進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)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(shè)置輸出相應(yīng)的狀態(tài)。

如果不能被拉低,檢測虛焊、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(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時間、最短時間,以及處于高電平與電平的閾值與持續(xù)時間等等內(nèi)容。

硬件設(shè)計,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。如果同一個總線上掛載多個 i2c 設(shè)備, 即使在 I/O 口配置正確的前提下,也會導(dǎo)致驅(qū)動能力不足。

現(xiàn)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(shù)據(jù)線與時鐘線:拉高時,高電壓持續(xù)時間過短;拉低時,低電壓持續(xù)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(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)時間過小 ,上升沿時間過長 ,下降沿時間過長等等數(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,建議更換小一點的電阻,用來增強總線驅(qū)動能力,提高電平轉(zhuǎn)換速度。應(yīng)當(dāng)注意的是每個 MCU 的耐受電流不一樣,減小電阻應(yīng)避免超過相應(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,但是仍然會在總線發(fā)送數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)線被拉低,主機(jī)無法拉高。死鎖一般發(fā)生在從機(jī)上,且為數(shù)據(jù)線死鎖。因為i2c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)行測試


如上圖所示,如果從機(jī)死鎖,即從機(jī)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(jī)死鎖,即主機(jī)拉低電平,此時檢測到的電壓為 1/11 Vcc。依據(jù)這個原理,可以準(zhǔn)確判定死鎖的具體位置,多個傳感器依據(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)備返回數(shù)據(jù)的時候,SDA被鎖住。具體原因是從機(jī)設(shè)備在回數(shù)據(jù),還沒有發(fā)送完成,主機(jī)時鐘消失,從機(jī)等待時鐘信號, MCU重啟,如果從機(jī)設(shè)備的電源沒有復(fù)位,從機(jī)繼續(xù)等待 MCU 時鐘信號,數(shù)據(jù)一直被鉗住,總線無法完成數(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)動解決方式一樣,在系統(tǒng)復(fù)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(fù)位鍵初始化的時候,給從機(jī)設(shè)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(shè)備進(jìn)行讀寫操作的過程中,在從機(jī)鉗住總線的期間,MCU 異常復(fù)位,會導(dǎo)致 SDA 死鎖,異常產(chǎn)生出現(xiàn)在倆個階段:從機(jī)響應(yīng)階段、從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)階段。下面將針對這兩種異常,對時鐘信號進(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 在開始信號后發(fā)送地址,得到從機(jī)設(shè)備響應(yīng),準(zhǔn)備開始返回數(shù)據(jù),在這個時候,從機(jī)將 SDA 信號拉為低電平,如果 MCU 異常復(fù)位,會導(dǎo)致總線上 SCL 停止發(fā)送時鐘信號,從機(jī)等待 MCU 的時鐘信號,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 個時鐘信號,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 返回數(shù)據(jù)。這個數(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)送時鐘信號,從機(jī)就會等待 MCU 的時鐘信號,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 個時鐘信號,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 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,沒有時鐘,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 個時鐘信號,也就是異常復(fù)位后,MCU 至少發(fā)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(chǎn)生,在 i2c 驅(qū)動初始化,對總線進(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)備不會因為這個問題導(dǎo)致數(shù)據(jù)交互失敗。

3.2 多個 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,還會形成相互干擾的問題,一般情況下,不會把同種從機(jī)地址掛在同一條總線上,但除此之外,有些 i2c 設(shè)備設(shè)計不是按照標(biāo)準(zhǔn)的 i2c 總線協(xié)議設(shè)計,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)地址就會有響應(yīng)。這樣由于從機(jī)的錯誤響應(yīng),使得各個 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
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