STM32 I2C总线锁死原因及解决方法

本文介绍STM32 I2C总线锁死原因及解决方法。

在使用STM32 I2C总线操作外设时，有时会遇到I2C总线锁死（I2C总线为Busy状态）的问题，即便复位MCU也无法解决，本文介绍其锁死的原因和解决方法，并给出相应的参考代码。

1.故障现象

在I2C总线锁死时，使用示波器测量发现，SCL为高电平，SDA为低电平。

1)MCU操作I2C总线（读/写）时复位MCU（通过复位按键操作）比较容易再现。

2)MCU操作I2C总线（读/写）时，强制将SDA拉低（用金属摄子夹到地，并持续一段时间）会再现。

3)设想，MCU操作I2C总线过程中，SDA受外界干扰（毛刺）被拉低，也可能导致I2C总线锁死。

2.原因

1)I2C总线被设计成多主机可共享总线，这会导致总线竞争，主设备判断当前总线被占用是根据SDA线为低来判断的。当主设备检测到总线被占用，则指示总线忙，并无法操作总线。

2)主设备操作从设备（读/写）时，复位主设备，如果恰好从设备处于ACK状态（SDA拉低）或回复主设备数据位0，那么在复位完成，主设备重新接管总线时，会错误的认为总线忙，因为此时从设备并未复位，SDA仍然被拉低。从设备等待主设备拉低SCL取走ACK或者数据位0，而主设备等待从设备释放SDA。主设备和从设备互相等待，进入死锁状态。值的注意的时，对于故障现象2)，STM32 I2C内部似乎有超时机制，如果SDA被拉低持续一段时间，则无法恢复。

3.解决方法

1)硬件复位

直接硬件复位外部从设备，比如通过MOS管软开关从设备电源，或通过外部设备硬件复位脚（从设备有才行）复位。

2)软件复位

情况1：

出现I2C总线锁死时正好外设回复数据位0，则需经历小于9个SCL时钟，从设备会释放SDA。

情况2：

出现I2C总线锁死时正好外设ACK，则经历9个SCL时钟，从设备会释放SDA。

综合情况1，2可知，通过软件复位解决时，当检测到总线锁死（BUSY状态），可以生成9个SCL时钟，并不断检测SDA引脚电平状态，若SDA被释放（为高）则退出，主机重新初始化I2C总线。Software Rest如下图。

I2C-bus specification中：

3)某些I2C缓冲器提供I2C总线错误恢复功能（如LTC4307）。

4.参考代码

参考代码如下（这里以STM32F4xx平台为例，其它平台类似）：

DrvI2C1.h:

cpp 复制代码

#ifndef __DRV_I2C1_H
#define __DRV_I2C1_H


#ifdef __cplusplus
 extern "C" {
#endif 
     

#include "datatype.h"
#include "stm32f4xx_hal.h"


#define I2C1_SCL_GPIO_PORT     (GPIOB)
#define I2C1_SCL_PIN           (GPIO_PIN_6)

#define I2C1_SDA_GPIO_PORT     (GPIOB)
#define I2C1_SDA_PIN           (GPIO_PIN_7)


extern I2C_HandleTypeDef hi2c1;


extern int32_t I2C1_Init(void);
     
     
#ifdef __cplusplus
}
#endif




#endif

DrvI2C1.c:

cpp 复制代码

#include "DrvI2C1.h"


I2C_HandleTypeDef hi2c1;


static void I2C1_MspInit(I2C_HandleTypeDef* i2cHandle);
static void I2C1_MspDeInit(I2C_HandleTypeDef* i2cHandle);
static BOOL I2C1_Unlock(void);
static void I2C1_SetPortODOutput(void);


int32_t I2C1_Init(void)
{
    if (!I2C1_Unlock())
    {
        DbgPrint("I2C1 unlock failed!\r\n");
    }

    if (HAL_I2C_RegisterCallback(&hi2c1, HAL_I2C_MSPINIT_CB_ID, I2C1_MspInit) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }

    hi2c1.Instance = I2C1;
    hi2c1.Init.ClockSpeed = 200000;
    hi2c1.Init.DutyCycle = I2C_DUTYCYCLE_2;
    hi2c1.Init.OwnAddress1 = 0;
    hi2c1.Init.AddressingMode = I2C_ADDRESSINGMODE_7BIT;
    hi2c1.Init.DualAddressMode = I2C_DUALADDRESS_DISABLE;
    hi2c1.Init.OwnAddress2 = 0;
    hi2c1.Init.GeneralCallMode = I2C_GENERALCALL_DISABLE;
    hi2c1.Init.NoStretchMode = I2C_NOSTRETCH_DISABLE;
    if (HAL_I2C_Init(&hi2c1) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }

    if (HAL_I2C_RegisterCallback(&hi2c1, HAL_I2C_MSPDEINIT_CB_ID, I2C1_MspDeInit) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }

    return 0;
}


static void I2C1_MspInit(I2C_HandleTypeDef* i2cHandle)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

    __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();

    /**I2C1 GPIO Configuration
    PB6     ------> I2C1_SCL
    PB7     ------> I2C1_SDA
    */
    GPIO_InitStruct.Pin = I2C1_SCL_PIN;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_OD;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH;
    GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF4_I2C1;
    HAL_GPIO_Init(I2C1_SCL_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);

    GPIO_InitStruct.Pin = I2C1_SDA_PIN;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_OD;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH;
    GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF4_I2C1;
    HAL_GPIO_Init(I2C1_SDA_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);

    /* I2C1 clock enable */
    __HAL_RCC_I2C1_CLK_ENABLE();
}


static void I2C1_MspDeInit(I2C_HandleTypeDef* i2cHandle)
{
    /* Peripheral clock disable */
    __HAL_RCC_I2C1_CLK_DISABLE();

    /**I2C1 GPIO Configuration
    PB6     ------> I2C1_SCL
    PB7     ------> I2C1_SDA
    */
    HAL_GPIO_DeInit(I2C1_SCL_GPIO_PORT, I2C1_SCL_PIN);

    HAL_GPIO_DeInit(I2C1_SDA_GPIO_PORT, I2C1_SDA_PIN);
}


static BOOL I2C1_Unlock(void)
{
    uint8_t i = 0;

    I2C1_SetPortODOutput();

    HAL_GPIO_WritePin(I2C1_SCL_GPIO_PORT, I2C1_SCL_PIN, GPIO_PIN_SET);  //Release bus
    HAL_GPIO_WritePin(I2C1_SDA_GPIO_PORT, I2C1_SDA_PIN, GPIO_PIN_SET);

    if (HAL_GPIO_ReadPin(I2C1_SDA_GPIO_PORT, I2C1_SDA_PIN) == GPIO_PIN_RESET)
    {
        for (i = 0; i < 9; i++)
        {
            HAL_GPIO_WritePin(I2C1_SCL_GPIO_PORT, I2C1_SCL_PIN, GPIO_PIN_RESET);
            DelayUS(5);  //
            HAL_GPIO_WritePin(I2C1_SCL_GPIO_PORT, I2C1_SCL_PIN, GPIO_PIN_SET);
            DelayUS(5);  //
            if (HAL_GPIO_ReadPin(I2C1_SDA_GPIO_PORT, I2C1_SDA_PIN) == GPIO_PIN_SET)
            {
                break;
            }
        }

        if (i >= 9)
        {
            return FALSE;
        }
    }

    return TRUE;
}


static void I2C1_SetPortODOutput(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

    __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();

    GPIO_InitStruct.Pin = I2C1_SCL_PIN;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_OD;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH;
    GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF4_I2C1;
    HAL_GPIO_Init(I2C1_SCL_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);

    GPIO_InitStruct.Pin = I2C1_SDA_PIN;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_OD;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH;
    GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF4_I2C1;
    HAL_GPIO_Init(I2C1_SDA_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);
}

注意：

1)上电即对I2C总线作检测，并执行解锁操作，见初始化的开头部分。

2)"HAL_I2C_Init()"函数内部包含对I2C总线的复位操作，因此，"I2C1_Unlock()"函数里未对I2C总线作复位操作。若HAL库里未对I2C总线作复位操作，则需添加如下代码：

cpp 复制代码

static void I2C1_Reset(void)
{
    /*Reset I2C*/
    I2C1->CR1 |= I2C_CR1_SWRST;
    I2C1->CR1 &= ~I2C_CR1_SWRST;
}

3)在操作I2C外设出错时，若需要添加解锁操作，可按如下进行：

cpp 复制代码

if (HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, SlaveAddr, &Value, 1, 1000) != HAL_OK)
{
    HAL_I2C_DeInit(&hi2c1);
    I2C1_Init();
}

先取消初始化I2C，再对I2C进行初始化（包含解锁操作）。

参考：

1)NXP,UM10204 I2C-bus specification and user manual

2)Microchip,AT24CM01 Datasheet

3)Analog,LTC4307 Datasheet（内有芯片采用的死锁恢复机制）

总结，本文介绍了STM32 I2C总线锁死原因及解决方法。