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[STM32F1]

STM32F103 I2C硬件缺陷详述及解决方案

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楼主
v26g7l|  楼主 | 2023-6-28 20:29 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
记得刚开始接触STM32单片机的时候,就从很多地方听说STM32F103的硬件I2C是有缺陷的,但是当时在网上查了很久也没有查到具体的缺陷是什么,后面在工作中正好有相关问题,在经过一段时间深入了解后,写下这篇文章来盘一盘硬件I2C的缺陷。

I2C的协议中规定,在传输数据时,接收方在接收到数据后都会向发送方发出一个响应信号ACK,如果传输双方有一个是主接收器,它必须在不产生时钟的最后一个字节发出一个NACK,来告知发送器此次数据传输过程结束,如下图所示:

I2C中的ACK信号为一个低电平,NACK信号为高电平,软件流程中,只要不是最后一个数据,在主接收器接收到数据后默认都会发出去一个ACK信号,那么问题来了,当主接收器在接受到最后一个字节后,I2C的主发送器发送出去一个ACK信号会导致什么样的结果发生呢?

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沙发
v26g7l|  楼主 | 2023-6-28 20:31 | 只看该作者
此时,总线上的从发送器收到ACK,以为还要继续发送数据,所以将SDA拉住等待主机的时钟继续发送数据,而主接收器呢,因为自身已经接收到最后一个字节数据,所以不会继续向从机发送时钟,导致SDA一直被从机拉住无法释放,整个通信陷入死锁。从逻辑分析仪上抓取的波形表现可以很清楚的看到现象:

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板凳
v26g7l|  楼主 | 2023-6-28 20:32 | 只看该作者
代码如下:
uint32_t I2C_EE_BufferRead(u8* pBuffer, u8 ReadAddr, u16 NumByteToRead)
{  
   
  while(I2C_GetFlagStatus(EEPROM_I2Cx, I2C_FLAG_BUSY));
  /* Send START condition */
  I2C_GenerateSTART(EEPROM_I2Cx, ENABLE);
  
  /* Test on EV5 and clear it */
  while(!I2C_CheckEvent(EEPROM_I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT));
  
  /* Send EEPROM address for write */
  I2C_Send7bitAddress(EEPROM_I2Cx, EEPROM_ADDRESS, I2C_Direction_Transmitter);

  /* Test on EV6 and clear it */
  while(!I2C_CheckEvent(EEPROM_I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED));
   
  /* Clear EV6 by setting again the PE bit */
  I2C_Cmd(EEPROM_I2Cx, ENABLE);

  /* Send the EEPROM's internal address to write to */
  I2C_SendData(EEPROM_I2Cx, ReadAddr);  

  /* Test on EV8 and clear it */
  while(!I2C_CheckEvent(EEPROM_I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED));
   
  /* Send STRAT condition a second time */  
  I2C_GenerateSTART(EEPROM_I2Cx, ENABLE);

  /* Test on EV5 and clear it */
  while(!I2C_CheckEvent(EEPROM_I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT));
   
  /* Send EEPROM address for read */
  I2C_Send7bitAddress(EEPROM_I2Cx, EEPROM_ADDRESS, I2C_Direction_Receiver);

  while(!I2C_CheckEvent(EEPROM_I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_RECEIVER_MODE_SELECTED));
  
  /* While there is data to be read */
  while(NumByteToRead)  
  {
   
                while(I2C_CheckEvent(EEPROM_I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_RECEIVED)==0);
               
         
      /* Read a byte from the EEPROM */
      *pBuffer = I2C_ReceiveData(EEPROM_I2Cx);

      /* Point to the next location where the byte read will be saved */
      pBuffer++;
      
      /* Decrement the read bytes counter */
      NumByteToRead--;        
      
  }


        /* Disable Acknowledgement */
        I2C_AcknowledgeConfig(EEPROM_I2Cx, DISABLE);
      
  /* Send STOP Condition */
  I2C_GenerateSTOP(EEPROM_I2Cx, ENABLE);

  /* Enable Acknowledgement to be ready for another reception */
  I2C_AcknowledgeConfig(EEPROM_I2Cx, ENABLE);
  
    return 1;
}

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地板
v26g7l|  楼主 | 2023-6-28 20:32 | 只看该作者
int main(void)
{
  LED_GPIO_Config();

  /* 串口初始化 */
        USART_Config();

        /* I2C 外设初(AT24C02)始化 */
        I2C_EE_Init();

  I2C_EE_BufferRead(I2c_Buf_Read, EEP_Firstpage, 4);
  while (1)
  {      

  }
}

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5
v26g7l|  楼主 | 2023-6-28 20:34 | 只看该作者
main函数里是读取4个eeprom的数据,从I2C的标准通信协议来看,这段代码在流程上是没有问题的,但是从波形上可以看到有两个很奇怪的现象:
1. NACK和STOP信号都没有发出去
2. 本来应该主接收器应该读取4个数据,却多发出去一个时钟,读到5个数据

从分析得出,总线的死锁是由于NACK和STOP信号没发出去导致的,那么为什么NACK和STOP没发出去呢?其实这个问题又是由于第二个问题的本身导致的。

STM32F103的I2C设计为了加快数据读取速度,在读取一个数据后,如果没有检测到NACK信号的话,会多读取一个数据,即多发送一个字节的时钟去读取数据,但是由于其中过程太快,如果想在接收到最后一个字节后再去发送NACK,那么下一个时钟已经出去了,导致NACK和STOP信号都没发出去,也就导致了总线死锁。

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6
v26g7l|  楼主 | 2023-6-28 20:34 | 只看该作者
解决方法:

使用DMA或者中断,中断或DMA方式速度更快,可以让NACK可以及时在接收到最后一个字节之后发出去
如果还是要使用轮询方式的话,就需要修改代码流程,将发送NACK和STOP信号的时间提前到倒数第二个数据,具体如下:

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7
v26g7l|  楼主 | 2023-6-28 20:36 | 只看该作者
  while(NumByteToRead)  
  {
   
                if(NumByteToRead == 1)
                {
                        /* Disable Acknowledgement */
                        I2C_AcknowledgeConfig(EEPROM_I2Cx, DISABLE);
                                       
                        /* Send STOP Condition */
                        I2C_GenerateSTOP(EEPROM_I2Cx, ENABLE);
                }
               
                while(I2C_CheckEvent(EEPROM_I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_RECEIVED)==0);
               
         
      /* Read a byte from the EEPROM */
      *pBuffer = I2C_ReceiveData(EEPROM_I2Cx);

      /* Point to the next location where the byte read will be saved */
      pBuffer++;
      
      /* Decrement the read bytes counter */
      NumByteToRead--;        
      
  }

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8
v26g7l|  楼主 | 2023-6-28 20:37 | 只看该作者
此时从逻辑分析仪上抓取到的波形显示正常:


降低I2C的传输速度到几十KHz,原理一致,I2C发送速度慢了以后,NACK就可以及时发出。

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9
Clyde011| | 2024-1-23 12:24 | 只看该作者

由于铜更难以磨削并且可能导致钻头断裂,

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10
万图| | 2024-1-23 14:20 | 只看该作者

相反电感量小其阻碍能力也小,它在电路当中抑制的是共模信号

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11
万图| | 2024-1-23 14:20 | 只看该作者

相反电感量小其阻碍能力也小,它在电路当中抑制的是共模信号

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12
Uriah| | 2024-1-23 15:23 | 只看该作者

在动态测试中,电源的负载能力是最主要的测试参数

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