一、 引言
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背景介绍：
- APM32F103系列MCU作为一款与STM32F103高度兼容的国产芯片，其应用广泛性。
- 硬件IIC外设的优势（效率高、节省CPU资源）与常见痛点（易锁死、抗干扰能力弱）。
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问题阐述：
- 描述硬件IIC在通信过程中可能出现的错误场景：总线忙（BUSY）、仲裁丢失、地址无应答（ACK Failure）、数据无应答、总线错误等。
- 这些错误如何导致IIC控制器进入“挂起”或“锁死”状态，表现为SDA或SCL线被拉低，整个通信瘫痪。
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本文目标：
- 提供一套针对APM32F103硬件IIC的、系统性的错误检测、诊断和恢复方案，帮助开发者构建鲁棒的IIC通信程序。
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软硬件IIC对比：
二、 APM32F103硬件IIC基础与错误寄存器分析
- 硬件IIC主要寄存器概览：
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控制寄存器（IIC_CTLR1, IIC_CTLR2）：配置使能、中断、ACK等。
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状态寄存器（IIC_STAR1, IIC_STAR2）：核心重点，包含各种错误和事件状态标志。
- 关键错误状态标志详解：
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BUSY** (IIC_STAR2[1])：总线忙标志，指示IIC总线是否正处于通信状态。
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BERR** (IIC_STAR1[8])：总线错误，检测到非法的起始或停止条件。
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AL** (IIC_STAR1[9])：仲裁丢失，多主模式下失去总线控制权。
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AE** (IIC_STAR1[10])：应答失败，发送地址或数据后未收到ACK。
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OVRUR** (IIC_STAR1[11])：超载/溢出错误，数据寄存器读写过快。
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TTE** (IIC_STAR1[14])：超时错误。
三、 硬件IIC错误恢复的核心思想
- 根本原因：时钟线（SCL）或被错误拉低的数据线（SDA）导致总线死锁。
- 恢复核心：模拟时钟脉冲。通过软件控制GPIO，产生一定数量的时钟信号（SCL），迫使从设备释放SDA线，从而解除总线锁死状态。
- 恢复流程三步走：
- 第1步：检测与诊断 - 通过状态寄存器判断错误类型。
- 第2步：尝试软复位 - 操作IIC外设的SWRST位，尝试软件复位IIC控制器。
- 第3步：硬件恢复（最后手段） - 如果软复位无效，则切换到GPIO模式，模拟时钟序列“撬开”总线。
四、 详细的错误恢复步骤与代码实现
- 错误检测：
- 在IIC中断服务程序（ISR）或状态查询中，检测上述错误标志位（BERR, AL, AE等）。
- 初步处理与软件复位：
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清除错误标志。
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关闭IIC外设（I2CEN=0）。
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置位软件复位位（IIC_CTLR1中的SWRST位）。
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延时片刻后，清除SWRST位，重新配置并使能IIC外设（I2CEN=1）。
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代码示例：
void I2C_Isr(void)
{
uint8_t det;
char dat;
if ( I2C_ReadIntFlag(I2C1,I2C_INT_FLAG_BERR) == SET)
{
//清除错误标志。
I2C_ClearIntFlag(I2C1,I2C_INT_FLAG_BERR);
//关闭IIC外设（I2CEN=0）
I2C_Disable(I2C1);
//置位软件复位位（IIC_CTLR1中的SWRST位）
I2C_EnableSoftwareReset(I2C1);
Delay(5);
//清除SWRST位
I2C_DisableSoftwareReset(I2C1);
//重新配置并使能IIC外设（I2CEN=1）
I2C_Enable(I2C1);
}
if ( I2C_ReadIntFlag(I2C1,I2C_INT_FLAG_AE) == SET)
{
//清除错误标志。
I2C_ClearIntFlag(I2C1,I2C_INT_FLAG_AE);
//关闭IIC外设（I2CEN=0）
I2C_Disable(I2C1);
//置位软件复位位（IIC_CTLR1中的SWRST位）
I2C_EnableSoftwareReset(I2C1);
Delay(5);
//清除SWRST位
I2C_DisableSoftwareReset(I2C1);
//重新配置并使能IIC外设（I2CEN=1）
I2C_Enable(I2C1);
}
if ( I2C_ReadIntFlag(I2C1,I2C_INT_FLAG_AL) == SET)
{
//清除错误标志。
I2C_ClearIntFlag(I2C1,I2C_INT_FLAG_AL);
//关闭IIC外设（I2CEN=0）
I2C_Disable(I2C1);
//置位软件复位位（IIC_CTLR1中的SWRST位）
I2C_EnableSoftwareReset(I2C1);
Delay(5);
//清除SWRST位
I2C_DisableSoftwareReset(I2C1);
//重新配置并使能IIC外设（I2CEN=1）
I2C_Enable(I2C1);
}
}
- 终极硬件恢复（GPIO模拟时钟）：
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前提：如果软复位后总线BUSY标志仍无法清除。
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步骤：
- a. 将IIC的SCL和SDA引脚配置为开漏输出模式的GPIO。
- b. 确保初始状态：SCL输出高，SDA输出高（释放）。
- c. 如果SDA被拉低（总线仍锁死），则开始模拟时钟：
- 将SCL拉低，延时。
- 将SCL释放（拉高），延时。
- 重复以上过程若干次（如9-16次），同时监测SDA是否变为高电平。
- d. 一旦SDA变高，立即发送一个“停止条件”（先拉低SDA->拉低SCL->释放SCL->释放SDA）。
- e. 将GPIO重新映射回IIC外设。
- f. 重新初始化IIC外设。
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代码示例：
void IIC_Recovery() {
GPIO_Config_T gpioConfigStruct = {0};
// 1. 配置SCL为开漏输出
gpioConfigStruct.pin = GPIO_PIN_6;
gpioConfigStruct.mode = GPIO_MODE_AF_OD;
GPIO_Config(GPIOB, &gpioConfigStruct);
// 2. 发生9个时钟脉冲
for(int i=0; i<9; i++) {
GPIO_SetBit(GPIOB, GPIO_PIN_6);
Delay(5);
GPIO_ResetBit(GPIOB, GPIO_PIN_6);
Delay(5);
}
// 3. 发送停止条件
GPIO_SetBit(GPIOB, GPIO_PIN_6);
Delay(5);
GPIO_SetBit(GPIOB, GPIO_PIN_7);
// 4. 重新初始化I2C
I2C_Init();
}
五、 预防优于治疗：IIC通信的稳定性设计建议
- 硬件设计：
- 确保上拉电阻阻值合适（通常4.7kΩ）。
- 布线时注意远离干扰源，必要时添加屏蔽，走线距离不应该过长。
- 在SCL和SDA线上添加适当的RC滤波或ESD保护器件。
- 软件设计：
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添加超时机制：在任何等待标志位（如EV5, EV6）的地方加入超时判断，避免无限等待。
uint8_t I2C_Write(char * pBuffer)
{
uint16_t I2CTimeout = I2CT_LONG_TIMEOUT;
while(I2C_ReadStatusFlag(I2C1, I2C_FLAG_BUSBSY))
{
I2C_Init();
if((I2CTimeout--) == 0) return I2C_TIMEOUT_UserCallback(4);
}
I2C_DisableInterrupt(I2C1, I2C_INT_EVT);
/* Send START condition */
I2C_EnableGenerateStart(I2C1);
I2CTimeout = I2CT_FLAG_TIMEOUT;
/* EV5 */
while(!I2C_ReadEventStatus(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT))
{
if((I2CTimeout--) == 0) return I2C_TIMEOUT_UserCallback(5);
}
/* Send address for write */
I2C_Tx7BitAddress(I2C1, 0xB0, I2C_DIRECTION_TX);
I2CTimeout = I2CT_FLAG_TIMEOUT;
/* EV6 */
while(!I2C_ReadEventStatus(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED))
{
if((I2CTimeout--) == 0) return I2C_TIMEOUT_UserCallback(6);
}
/* While there is data to be written */
while(*pBuffer != '\0')
{
/* Send the current byte */
I2C_TxData(I2C1, *pBuffer);
/* Point to the next byte to be written */
pBuffer++;
I2CTimeout = I2CT_LONG_TIMEOUT;
/* EV8 */
while (!I2C_ReadEventStatus(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTING))
{
if((I2CTimeout--) == 0)
{
return I2C_TIMEOUT_UserCallback(8);
}
}
}
return 1;
}
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错误重试机制：在发生非致命错误（如AF）时，进行有限次数的重试。
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定期监控：在多主系统中，定期检查总线状态。
六、 总结
硬件IIC高效但配置复杂，软件模拟灵活却消耗CPU资源。同时使用介绍硬件IIC错误的常见类型、核心恢复原理（模拟时钟）和分层恢复策略（软复位->硬件恢复）。因此建议必须添加总线锁死保护机制。同时如果处理数据量大，建议使用DMA处理。
