I2C 接口进入 Busy 状态不能退出

只看该作者 · 2021-11-5 12:56

问题：
该问题由某客户提出，发生在 STM32F103VDT6 器件上。据其工程师讲述：在其产品设计中，使用了 STM32 的一个 I2C 接
口与一个 EEPROM 通信。在系统靠性测试中发现，经过长时间运行后， STM32 会出现不能读写 EEPROM 的现象。通过
NRST 管脚对 STM32 进行复位，复位后该现象依旧存在。关掉电源，然后重新上电，现象消失。通过进一步测试发现，如
果对 STM32 反复做复位操作，会很容易复现这一现象。

只看该作者 · 2021-11-5 12:58

调研：
修改软件，通过打印监控 I2C 通信程序的流程，及 I2C 接口的各个寄存器的状态。当出现上述现象时， I2C 接口的状态寄存
器 SR2 中的 Busy 位置‘1’，状态寄存器 SR1 中的 ARLO 位置‘1’。用示波器观察 I2C 总线，发现其 SCL 为高电平，
SDA 为低电平。将 STM32 的复位脚拉到地， SCL 及 SDA 的状态不变。检查原理图，确认 I2C 总线上只有 STM32 和
EEPROM 两颗器件

只看该作者 · 2021-11-5 12:59

结论：
EEPROM 驱动 I2C 总线进入了非空闲状态，使得 STM32 在接管总线时发生总线仲裁失败，进而失去对总线的控制，无法启
动数据的传输。 EEPROM 的这种状态可能是通信被意外中断造成的。通过对 STM32 进行复位而重现这一现象，在一定程度
上吻合了这种猜测。但没有实验和理论依据证实一定是该原因导致了这一问题，是否还有其它原因在起作用，不得而知。

只看该作者 · 2021-11-5 13:00

处理：
修改软件，加入对 I2C 总线修复的功能。在每次发送起始条件之前首先检测 SR2 中 Busy 位，如果为 ‘1’，则说明总线上
有异常。此时，可由 GPIO 的 OD 模式代替 I2C 通信口接管 SCL 及 SDA 两个管脚。通过翻转 GPIO，向 SCL 信号线上发高
电平脉冲，脉冲宽度及间隔匀为 10uS。每发出一个脉冲之后，检测 SDA 信号是否为高电平。若 SDA 信号为已高电平，则
将 SCL 拉高，然后向 SDA 信号线发出一个 10uS 宽的低电平脉冲。然后将 SCL 及 SDA 两个管脚交还给 I2C 接口，并通过
将 CR1 中的 SWRST 位置‘1’后再清‘0’来复位 I2C 接口，使其退出 Busy 状态。如图（一）所示：

A. 将 SCL 和 SDA 切换成 GPIO 的 OD 模式；
B. 发送时钟脉冲并等待 SDA 跳变到高电平；
C. 在 SDA 上发出一个低电平脉冲；
D. 在 SDA 拉高后，将 SCL 的 SDA 切换回 I2C 接口；
E. 通过 CR1 中的 SWRST 位复位 I2C 接口；

只看该作者 · 2021-11-5 13:01

建议：
STM32 中的 I2C 接口被设计成为主从自适应接口，并充许多个主机共享一条 I2C 总线。 I2C 接口在被使能之后，会不断的检
测 SCL 及 SDA 的电平与跳变。当发现有低脉冲出现在 SCL 或 SDA 上时，则认为总线进入了 Busy 状态，其 Busy 标志会
置‘1’，直到在总线上检测到一个符合要的停止条件之后，才认为总线回到了空闲状态，这时由硬件清除 Busy 标志。当
I2C 接口认为总处于 Busy 状态且不是由自己占用时，会拒绝向总线上发送信号，因为它认为此刻 I2C 总线正在被其它的主
机所使用。这时向 I2C 接口发命令，要求产生起始条件，会导致总线仲裁失败。要从这种状态退出，首先要保证总线是处于
空闲状态，即 SCL 和 SDA 都为高电平。然后，通过将 CR1 的 SWRST 置‘1’然后清‘0’来复位 I2C 接口，以达到清除
Busy 标志回到空闲状态目的。