“I2C”的那些坑，如何邁過去？

一般情況下，I2C裝置焊接沒什麼問題，按照裝置手冊一步步來，基本上就順風順水能夠用起來。如果這麼一個簡單的東西，有時候想要的結果死活不出來，反覆的檢查問題的原因，查詢解決辦法，核查裝置的資料手冊，甚至傳送和接收的每一條命令與資料都知道是什麼意思，仍然無法解決問題，那該怎麼辦呢？

本文主要針對I2C裝置，講解如何解決I2C裝置主機與從機直接無法正常資料互動的問題，側重點是針對硬體設計不太合理、I2C裝置設計不標準導致匯流排故障的情況，並且透過分析現象，提出解決方案。對於在裝置初始化中，沒有設定相應的

暫存器

或者傳送命令，而導致的無法獲取想要的資料情況，不作詳細介紹。

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I2C基本用法

I2C匯流排是一種簡單、雙向二線制同步序列匯流排。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

位元組

必須為 8 位，每次傳輸可以傳送的位元組數量不受限制，每個位元組後必須跟一個響應位。在空閒狀態時，SCL 與 SDA 均為

高電平

。

通常一些低功耗I2C裝置，晶片引腳使用上拉輸出即可滿足與其正常資料互動，還有一些I2C裝置，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，其他的按照晶片手冊進行標準配置。

2 硬體問題彙總

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，檢測方式直接軟體控制 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晶片引腳的設定輸出相應的狀態。

如果不能被拉低，檢測虛焊、上拉電阻斷開、I2C裝置是否正常、晶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，依然無法正常讀取資料。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裝置

電氣特性

。大多數I2C裝置電氣特性，大致下圖所示

通常這塊內容在I2C裝置電氣特性這一塊，主要講解電平拉高拉低的最長時間、最短時間，以及處於高電平與電平的閾值與持續時間等等內容。

硬體設計，為了降低微控制器的功耗與保護晶片引腳，在滿足負載電流和負載電容相關要求的前提下，阻值設定通常比較大。如果同一個總線上掛載多個I2C裝置， 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資料線與時鐘線：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裝置電氣特性的波形；從資料上看，資料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資料超出裝置電氣特性的有效值。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，用來增強匯流排驅動能力，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裝置的資料偶爾能夠正確獲取，但是仍然會在匯流排傳送資料或者命令的時候，爆出匯流排讀寫錯誤，那麼有可能遇到下面的死鎖問題，死鎖時候，就是資料線被拉低，主機無法拉高。死鎖一般發生在從機上，且為

資料線死鎖

。因為I2C匯流排是共享的，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，多個感測器依據類似方式進行定位。

3.1 反覆重啟導致死鎖

3.1.1 現象

如果裝置需要反覆重啟，很有可能在從機裝置返回資料的時候，SDA被鎖住。具體原因是從機裝置在回資料，還沒有傳送完成，主機時鐘消失，從機等待時鐘訊號， MCU重啟，如果從機裝置的電源沒有復位，從機繼續等待 MCU 時鐘訊號，資料一直被鉗住，匯流排無法完成資料互動。

3.1.2 解決方式

解決重啟導致匯流排死鎖，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個時鐘訊號，解初

匯流排死鎖

；另一種是在按下復位鍵初始化的時候，給從機裝置電源斷電重啟，這個需要引腳控制。

3.1.3 9 個時鐘訊號

I2C裝置進行讀寫操作的過程中，在從機鉗住匯流排的期間，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、從機發送資料階段。下面將針對這兩種異常，對

時鐘訊號

進行解釋，並且總結其他原因，得出結論。

（a） 從機響應階段

MCU 在開始訊號後傳送地址，得到從機裝置響應，準備開始返回資料，在這個時候，從機將 SDA 訊號拉為

低電平

，如果 MCU 異常復位，會導致總線上 SCL 停止傳送時鐘訊號，從機等待 MCU 的時鐘訊號，產生鉗住並且拉低 SDA 的現象。如果想要解鎖 SDA，從機需要 9 個時鐘訊號，使得從機完成響應，釋放 SDA 。

（b） 從機發送資料階段

如果從機響應完成了，開始給MCU返回資料。這個資料有八位，每一位都有可能為低，如果在資料低位，MCU異常復位，停止傳送時鐘訊號，從機就會等待 MCU的時鐘訊號，產生鉗住並且拉低SDA的現象。如果想要解鎖SDA，從機需要 １－８個時鐘訊號，使得從機完成資料響應，釋放 SDA 。

（c）其他情況

在從機一個8位資料傳送完成後，等待MCU響應， 即使屬於MCU的，從機不再鉗住 SDA，沒有時鐘，資料互動停止。

在主機發送資料階段，匯流排所有權在主機，主機異常，資料互動停止，匯流排釋放。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 個時鐘訊號，也就是異常復位後，MCU至少傳送需要9個時鐘訊號，完成 i2c 匯流排的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，對匯流排進行判斷，判斷是否需要解鎖，如果需要，就進行解鎖，確保 i2c裝置不會因為這個問題導致資料互動失敗。

3.2 多個I2C裝置導致死鎖

多I2C裝置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裝置設計不是按照標準的I2C

匯流排協議

設計，在I2C匯流排共享的前提條件下，有的裝置只要總線上從機地址就會有響應。這樣由於從機的錯誤響應，使得各個I2C匯流排異常，甚至鉗住匯流排，導致

I2C匯流排

進人一種死鎖狀態。

解決方式，這樣的不標準i2c裝置，單獨使用一個匯流排，避免干擾，或者單獨一個獨立引腳，控制電源。 合作微信xyd201606 QQ：3306607541