I2C通信死锁主从机检测及解决办法



关注公众号,点击公众号主页右上角“ ··· ”,设置星标,实时关注智能汽车电子与软件最新资讯

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。

一、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。

二、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。

三、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,解初总线死锁;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。

来源:一起玩嵌入式

                                    --END--

关注公众号,点击公众号主页右上角“ ··· ”,设置星标,实时关注智能汽车电子与软件最新资讯

智能汽车电子与软件 专注于汽车电子领域的信息交融平台,涵盖汽车电子行业资讯、市场动态、技术干货、知识见解、行业趋势等资讯深度覆盖。
评论
  • 01. 什么是过程能力分析?过程能力研究利用生产过程中初始一批产品的数据,预测制造过程是否能够稳定地生产符合规格的产品。可以把它想象成一种预测。通过历史数据的分析,推断未来是否可以依赖该工艺持续生产高质量产品。客户可能会要求将过程能力研究作为生产件批准程序 (PPAP) 的一部分。这是为了确保制造过程能够持续稳定地生产合格的产品。02. 基本概念在定义制造过程时,目标是确保生产的零件符合上下规格限 (USL 和 LSL)。过程能力衡量制造过程能多大程度上稳定地生产符合规格的产品。核心概念很简单:
    优思学院 2025-01-12 15:43 523浏览
  • 流量传感器是实现对燃气、废气、生活用水、污水、冷却液、石油等各种流体流量精准计量的关键手段。但随着工业自动化、数字化、智能化与低碳化进程的不断加速,采用传统机械式检测方式的流量传感器已不能满足当代流体计量行业对于测量精度、测量范围、使用寿命与维护成本等方面的精细需求。流量传感器的应用场景(部分)超声波流量传感器,是一种利用超声波技术测量流体流量的新型传感器,其主要通过发射超声波信号并接收反射回来的信号,根据超声波在流体中传播的时间、幅度或相位变化等参数,间接计算流体的流量,具有非侵入式测量、高精
    华普微HOPERF 2025-01-13 14:18 482浏览
  • 随着数字化的不断推进,LED显示屏行业对4K、8K等超高清画质的需求日益提升。与此同时,Mini及Micro LED技术的日益成熟,推动了间距小于1.2 Pitch的Mini、Micro LED显示屏的快速发展。这类显示屏不仅画质卓越,而且尺寸适中,通常在110至1000英寸之间,非常适合应用于电影院、监控中心、大型会议、以及电影拍摄等多种室内场景。鉴于室内LED显示屏与用户距离较近,因此对于噪音控制、体积小型化、冗余备份能力及电气安全性的要求尤为严格。为满足这一市场需求,开关电源技术推出了专为
    晶台光耦 2025-01-13 10:42 498浏览
  • ARMv8-A是ARM公司为满足新需求而重新设计的一个架构,是近20年来ARM架构变动最大的一次。以下是对ARMv8-A的详细介绍: 1. 背景介绍    ARM公司最初并未涉足PC市场,其产品主要针对功耗敏感的移动设备。     随着技术的发展和市场需求的变化,ARM开始扩展到企业设备、服务器等领域,这要求其架构能够支持更大的内存和更复杂的计算任务。 2. 架构特点    ARMv8-A引入了Execution State(执行状
    丙丁先生 2025-01-12 10:30 466浏览
  • 新年伊始,又到了对去年做总结,对今年做展望的时刻 不知道你在2024年初立的Flag都实现了吗? 2025年对自己又有什么新的期待呢? 2024年注定是不平凡的一年, 一年里我测评了50余块开发板, 写出了很多科普文章, 从一个小小的工作室成长为科工公司。 展望2025年, 中国香河英茂科工, 会继续深耕于,具身机器人、飞行器、物联网等方面的研发, 我觉得,要向未来学习未来, 未来是什么? 是掌握在孩子们生活中的发现,和精历, 把最好的技术带给孩子,
    丙丁先生 2025-01-11 11:35 457浏览
  • 数字隔离芯片是现代电气工程师在进行电路设计时所必须考虑的一种电子元件,主要用于保护低压控制电路中敏感电子设备的稳定运行与操作人员的人身安全。其不仅能隔离两个或多个高低压回路之间的电气联系,还能防止漏电流、共模噪声与浪涌等干扰信号的传播,有效增强电路间信号传输的抗干扰能力,同时提升电子系统的电磁兼容性与通信稳定性。容耦隔离芯片的典型应用原理图值得一提的是,在电子电路中引入隔离措施会带来传输延迟、功耗增加、成本增加与尺寸增加等问题,而数字隔离芯片的目标就是尽可能消除这些不利影响,同时满足安全法规的要
    华普微HOPERF 2025-01-15 09:48 83浏览
  • 食物浪费已成为全球亟待解决的严峻挑战,并对环境和经济造成了重大影响。最新统计数据显示,全球高达三分之一的粮食在生产过程中损失或被无谓浪费,这不仅导致了资源消耗,还加剧了温室气体排放,并带来了巨大经济损失。全球领先的光学解决方案供应商艾迈斯欧司朗(SIX:AMS)近日宣布,艾迈斯欧司朗基于AS7341多光谱传感器开发的创新应用来解决食物浪费这一全球性难题。其多光谱传感解决方案为农业与食品行业带来深远变革,该技术通过精确判定最佳收获时机,提升质量控制水平,并在整个供应链中有效减少浪费。 在2024
    艾迈斯欧司朗 2025-01-14 18:45 66浏览
  •   在信号处理过程中,由于信号的时域截断会导致频谱扩展泄露现象。那么导致频谱泄露发生的根本原因是什么?又该采取什么样的改善方法。本文以ADC性能指标的测试场景为例,探讨了对ADC的输出结果进行非周期截断所带来的影响及问题总结。 两个点   为了更好的分析或处理信号,实际应用时需要从频域而非时域的角度观察原信号。但物理意义上只能直接获取信号的时域信息,为了得到信号的频域信息需要利用傅里叶变换这个工具计算出原信号的频谱函数。但对于计算机来说实现这种计算需要面对两个问题: 1.
    TIAN301 2025-01-14 14:15 108浏览
  • 根据Global Info Research(环洋市场咨询)项目团队最新调研,预计2030年全球无人机电池和电源产值达到2834百万美元,2024-2030年期间年复合增长率CAGR为10.1%。 无人机电池是为无人机提供动力并使其飞行的关键。无人机使用的电池类型因无人机的大小和型号而异。一些常见的无人机电池类型包括锂聚合物(LiPo)电池、锂离子电池和镍氢(NiMH)电池。锂聚合物电池是最常用的无人机电池类型,因为其能量密度高、设计轻巧。这些电池以输出功率大、飞行时间长而著称。不过,它们需要
    GIRtina 2025-01-13 10:49 190浏览
  • PNT、GNSS、GPS均是卫星定位和导航相关领域中的常见缩写词,他们经常会被用到,且在很多情况下会被等同使用或替换使用。我们会把定位导航功能测试叫做PNT性能测试,也会叫做GNSS性能测试。我们会把定位导航终端叫做GNSS模块,也会叫做GPS模块。但是实际上他们之间是有一些重要的区别。伴随着技术发展与越发深入,我们有必要对这三个词汇做以清晰的区分。一、什么是GPS?GPS是Global Positioning System(全球定位系统)的缩写,它是美国建立的全球卫星定位导航系统,是GNSS概
    德思特测试测量 2025-01-13 15:42 492浏览
我要评论
0
点击右上角,分享到朋友圈 我知道啦
请使用浏览器分享功能 我知道啦