i2c从机挂死问题

前言

I2C有几个特性;

  • I2C是由两根线(时钟SCL + 数据SDA)组成的多主多从串行同步通信总线。
  • 规范要求接入I2C的器件,SCL时钟和SDA数据线都必须是双向开漏结构的,通过总线上的上拉电阻拉到逻辑高电平。这样的结构可以实现 线与(&) 功能。这能实现多主机仲裁,慢从机同步快主机。
  • 一般情况下I2C的SDA只有在SCL为低电平的时候才能改变,为高电平的时候需要保持。对应到芯片设计上则是上升沿采样,下降沿变化,除了总线发起的起始条件和停止条件。

挂死 = 挂+死机。因为其线与结构,使得总线上任何一个器件拉低SDA或者SCL,其他器件都无法拉高。如果器件一致不释放总线,则整个总线上的通信均被停止。这称为 i2c总线挂死。主机挂死,可通过代码等分析出原因,从机挂死,又不带复位引脚,则就真直接挂死了,只能重启系统。

一、SDA挂死

以下情况,I2C从机需要拉低SDA。

  • 主机向从机写数据或地址时,从机如果发出ACK应答,则会第9个CLK的期间拉低SDA
  • 主机读数据的时候,从机会在bit为0时对应的CLK期间拉低SDA

而当从机拉低SDA的线时,主机复位,然后主机的配置都为默认状态,即SCL为高,因此SDA检测不到SCL下降沿,就不会释放SDA,主机也就没法产生SDA下降沿,发出i2c起始信号,导致i2c通信就此中断。

二、解决办法

在SCL线上模拟一个下降沿,但一个下降沿不一定能使从机释放掉SDA,因此逐个去探测,直到SDA被释放,或者直接暴力解决,连续发送9个CLK低信号。

三、SCL挂死

这基本不会出现,只要芯片还在正常工作,就会主动释放,产生原因往往是使用用户使用MCU作为I2C从机时,程序设计上的问题导致MCU无法读取&填充buffer而导致,重点分析MCU I2C中断服务程序。

### I2C 接口通信的原因及解决方案 #### 一、I2C 的主要原因 1. **SDA 或 SCL 被长时间拉低** 当 I2C 总线上的任意设备(主或从)意外地持续拉低 SDA 或 SCL 信号时,可能导致总线无法释放,从而引发现象[^1]。 2. **从未响应 ACK/NACK** 如果从未能及时发送应答信号 (ACK),可能会使主等待超时并进入错误状态。这种情况通常发生在从忙于内部操作或其他硬件异常的情况下。 3. **外部干扰或电气问题** 外部噪声、电源不稳定或线路连接不良也可能导致数据传输中断,进而引起情况。 4. **软件逻辑缺陷** 主程序中的错误配置或不当的时序控制可能造成协议冲突,最终触发事件。 --- #### 二、针对 I2C 的具体解决方案 ##### (一)对于主引起的 - 可以通过调试工具查看当前主的状态寄存器,定位具体问题所在。 - 使用复位功能重置 I2C 控制器模块或将整个芯片重启可以有效解决问题。 ```python def reset_i2c_host(): """模拟主复位""" # 配置 GPIO 强制拉高/拉低 SDA 和 SCL sda_pin.value(0) # 拉低 SDA scl_pin.value(0) # 拉低 SCL delay_ms(10) # 等待一段时间 sda_pin.value(1) # 恢复 SDA scl_pin.value(1) # 恢复 SCL ``` ##### (二)对于从引起的 由于许多从不具备独立 RESET 引脚,在发生后需采取以下措施: - 实施强制时钟伸展制:由主连续驱动多个 SCL 上升沿直到从恢复正常工作模式。 - 利用看门狗定时器监控系统运行状况;一旦检测到异常立即执行全局软复位命令尝试修复通讯链路。 ##### (三)预防性维护建议 为了减少未来再次出现类似故障的可能性,可以从以下几个方面着手改进设计架构: - 加强抗噪能力——优化 PCB 布局布线工艺降低串扰影响; - 提供更完善的错误处理流程覆盖各种潜在风险场景; - 定期轮询检查各节点健康状态以便早发现问题苗头防患未然。 ---
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