I2C通信中的坑

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转自 | 知晓编程

在之前的文章中《I2C基础原理及协议》中详细讲解了IIC协议，并且使用是NXP的官方手册，demo示例使用IIC读取RTC芯片，运行正常，没有任何问题。并且更新了《IIC踩过的坑》，讲述了在使用IIC读取RTC芯片时遇到的问题，并成功解决。

我以为我已经完全学会了IIC，但现实却打了脸，我在使用《STM32IIC详解》文中的IIC驱动，去驱动MPU6050时，总是读取失败。这个驱动明明是验证过的，为什么会有问题。让我一度很是郁闷。

不卖关子，直接说问题，是我之前的IIC驱动有问题。

问题1：

错误将CLK信号GPIO设置为推挽输出。应该设置为开漏输出。

问题2：

读取函数有bug。1处应该先左移再读取SDA的数据，然后删除2处的数据。

问题2：这个就是纯粹的bug了，大家应该看出来了。在RTC的驱动没有触发bug的原因是：在RTC的IIC接收数据中，实际应用中最高位为0，触发不了这个bug。而在MPU6050的IIC接收数据中就触发了这个bug。我也在感慨，有时候不是程序没有bug，而是可能没有触发。

问题1：这个问题，其实很简单，IIC协议中也提到过，很多大神也知道需要将MCU的IIC引脚设置为开漏输出。这一方面我也了解，但是没有在意，因为一直读取RTC一直“没有bug”。接下来我将细细和大家分享一下IIC为什么需要开漏输出，开漏输出和推挽输出有什么区别。精通的大佬可以出门左转了，想了解一下的同学欢迎继续往下看。

STM32F207的GPIO框图如下

普通输入模式下，上拉和下拉电阻（微弱）的存在。主要是由于P-MOS和N-MOS的存在分为下列两种模式

1. 开漏模式：输出寄存器是 0 时，激活 N-MOS， 而输出寄存器是 1 时，端口保持高阻态(P-MOS 不会被使能)

2. 推挽输出： 输出寄存器是 0 时，激活 N-MOS， 而输出寄存器是 1 时，激活 P-MOS。

上面是我的在文章《STM32 GPIO详解》中的说明，GPIO的其他模式请看文章《STM32 GPIO详解》。上文说到开漏模式输出1时，端口保持高阻态，这个时候如果端口外上拉电阻，就可以输出电平1。

开漏输出的作用：

1：防止短路，在一些应用中，两个GPIO链接在一起（中间没有串电阻），或者在总线应用中，需要将MCU的多个GPIO连接在一起。如果都设置成推挽输出，当一个GPIO输出1，另一个输出0，那么就短路了，直接凉凉。如下图

如果换成开漏输出，GPIO的高电平是靠上拉电阻的，也就是VCC和GND之间会有个电阻，不会出现短路的问题。这样的电路就安全一些，所以部分总线采用开路输出。

2：线与：开漏输出还能实现线与，减少一个与门，简化电路。这个问题下文讲到。

IIC为什么需要开漏输出，除了上文说的到的防止短路，还有一个重要的因素就是线与。

首先我们先说一下线与功能：

线与逻辑，即两个输出端（包括两个以上）直接互连就可以实现“AND”的逻辑功能。在总线传输等实际应用中需要多个门的输出端并联连接使用，而一般TTL门输出端并不能直接并接使用，否则这些门的输出管之间由于低阻抗形成很大的短路电流（灌电流），而烧坏器件。

在硬件上，可用集电极开路门（OC门）或三态门（TS门）来实现。用OC门实现线与，应同时在输出端口加一个上拉电阻。

上面是数电知识，我的个人简单理解是：就是a,b两条线，两端接一块做输出，另两端做输入。如果输入都是高电平，那输出就是高电平，否则输出就是低电平。

那么线与在IIC中的应用是什么呢？

答案是：多主设备抢占总线的仲裁。

在之前IIC读取RTC或IIC读取MPU6050的情况，都是一个主机，一个从机。但IIC设计中可以支持多主机模式，那么就面临一个问题，当多个主机同时启动总线时，如果仲裁的问题。线与逻辑就起到了作用。

假设主设备A需要启动IIC，它需要在SCL高电平时，将SDA由高电平转换为低电平作为启动信号。主设备A在把SDA拉高后，它需要再检查一下SDA的电平。

1. SDA是高电平，说明主设备A可以占用总线，然后主设备A将SDA拉低，开始通信。

2. SDA是低电平， 说明有人已经捷足先登了，主设备A不能占用总线， 结束通信。

如果主设备A拉高SDA时，已经有其他主设备将SDA拉低了。由于1 & 0 = 0 那么主设备A在检查SDA电平时，会发现不是高电平，而是低电平，说明其他主设备抢占总线的时间比它早，设备A只能放弃占用总线。如果是高电平， 则可以占用。

这就是IIC通信开漏输出的原因。上拉电阻的原因就是由于开漏输出的特性，需要上拉电阻在输出1时，提高驱动力。

最后说一下为什么之前使用推挽输出的IIC读取RTC没有问题，这个因为上拉电阻的阻值不同，RTC的上拉电阻即使推挽输出也可以正常拉高拉低电平。这个根据上文讲述的，可以查MCU的datasheet，确认IO的PMOS和NMOS的阻抗，计算一下电压。

还有一个简单粗暴的办法，直接使用示波器看波形也可以发现问题。