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使用IIC去驅動MPU6050時為什么總讀取失敗

strongerHuang ? 來源:知曉編程 ? 作者:Firefly ? 2021-11-06 10:10 ? 次閱讀

01概述

在之前的文章中《I2C基礎原理及協議》中詳細講解了IIC協議,并且使用是NXP的官方手冊,demo示例使用IIC讀取RTC芯片,運行正常,沒有任何問題。并且更新了《IIC踩過的坑》,講述了在使用IIC讀取RTC芯片時遇到的問題,并成功解決。

我以為我已經完全學會了IIC,但現實卻打了臉,我在使用《STM32IIC詳解》文中的IIC驅動,去驅動MPU6050時,總是讀取失敗。這個驅動明明是驗證過的,為什么會有問題。讓我一度很是郁悶。

02問題

不賣關子,直接說問題,是我之前的IIC驅動有問題。

問題1:

錯誤將CLK信號GPIO設置為推挽輸出。應該設置為開漏輸出。

042908fa-3dfe-11ec-82a9-dac502259ad0.png

問題2:

讀取函數有bug。1處應該先左移再讀取SDA的數據,然后刪除2處的數據。

0464f400-3dfe-11ec-82a9-dac502259ad0.png

問題2:這個就是純粹的bug了,大家應該看出來了。在RTC的驅動沒有觸發bug的原因是:在RTC的IIC接收數據中,實際應用中最高位為0,觸發不了這個bug。而在MPU6050的IIC接收數據中就觸發了這個bug。我也在感慨,有時候不是程序沒有bug,而是可能沒有觸發。

問題1:這個問題,其實很簡單,IIC協議中也提到過,很多大神也知道需要將MCU的IIC引腳設置為開漏輸出。這一方面我也了解,但是沒有在意,因為一直讀取RTC一直“沒有bug”。接下來我將細細和大家分享一下IIC為什么需要開漏輸出,開漏輸出和推挽輸出有什么區別。精通的大佬可以出門左轉了,想了解一下的同學歡迎繼續往下看。

03開漏輸出

STM32F207的GPIO框圖如下

04c588b0-3dfe-11ec-82a9-dac502259ad0.png

普通輸入模式下,上拉和下拉電阻(微弱)的存在。主要是由于P-MOS和N-MOS的存在分為下列兩種模式

開漏模式:輸出寄存器是 0 時,激活 N-MOS,而輸出寄存器是 1 時,端口保持高阻態(P-MOS 不會被使能)

推挽輸出:輸出寄存器是 0 時,激活 N-MOS,而輸出寄存器是 1 時,激活 P-MOS。

上面是我的在文章《STM32 GPIO詳解》中的說明,GPIO的其他模式請看文章《STM32 GPIO詳解》。上文說到開漏模式輸出1時,端口保持高阻態,這個時候如果端口外上拉電阻,就可以輸出電平1。

開漏輸出的作用:

1:防止短路,在一些應用中,兩個GPIO鏈接在一起(中間沒有串電阻),或者在總線應用中,需要將MCU的多個GPIO連接在一起。如果都設置成推挽輸出,當一個GPIO輸出1,另一個輸出0,那么就短路了,直接涼涼。如下圖

如果換成開漏輸出,GPIO的高電平是靠上拉電阻的,也就是VCC和GND之間會有個電阻,不會出現短路的問題。這樣的電路就安全一些,所以部分總線采用開路輸出。

2:線與:開漏輸出還能實現線與,減少一個與門,簡化電路。這個問題下文講到。

04開漏輸出在IIC的應用

IIC為什么需要開漏輸出,除了上文說的到的防止短路,還有一個重要的因素就是線與。

首先我們先說一下線與功能:

線與邏輯,即兩個輸出端(包括兩個以上)直接互連就可以實現“AND”的邏輯功能。在總線傳輸等實際應用中需要多個門的輸出端并聯連接使用,而一般TTL門輸出端并不能直接并接使用,否則這些門的輸出管之間由于低阻抗形成很大的短路電流(灌電流),而燒壞器件。

在硬件上,可用集電極開路門(OC門)或三態門(TS門)來實現。用OC門實現線與,應同時在輸出端口加一個上拉電阻。

上面是數電知識,我的個人簡單理解是:就是a,b兩條線,兩端接一塊做輸出,另兩端做輸入。如果輸入都是高電平,那輸出就是高電平,否則輸出就是低電平。

那么線與在IIC中的應用是什么呢?

答案是:多主設備搶占總線的仲裁。

在之前IIC讀取RTC或IIC讀取MPU6050的情況,都是一個主機,一個從機。但IIC設計中可以支持多主機模式,那么就面臨一個問題,當多個主機同時啟動總線時,如果仲裁的問題。線與邏輯就起到了作用。

假設主設備A需要啟動IIC,它需要在SCL高電平時,將SDA由高電平轉換為低電平作為啟動信號。主設備A在把SDA拉高后,它需要再檢查一下SDA的電平。

SDA是高電平,說明主設備A可以占用總線,然后主設備A將SDA拉低,開始通信。

SDA是低電平,說明有人已經捷足先登了,主設備A不能占用總線,結束通信。

如果主設備A拉高SDA時,已經有其他主設備將SDA拉低了。由于1 & 0 = 0 那么主設備A在檢查SDA電平時,會發現不是高電平,而是低電平,說明其他主設備搶占總線的時間比它早,設備A只能放棄占用總線。如果是高電平, 則可以占用。

這就是IIC通信開漏輸出的原因。上拉電阻的原因就是由于開漏輸出的特性,需要上拉電阻在輸出1時,提高驅動力。

05最后補充

最后說一下為什么之前使用推挽輸出的IIC讀取RTC沒有問題,這個因為上拉電阻的阻值不同,RTC的上拉電阻即使推挽輸出也可以正常拉高拉低電平。這個根據上文講述的,可以查MCU的datasheet,確認IO的PMOS和NMOS的阻抗,計算一下電壓。

還有一個簡單粗暴的辦法,直接使用示波器看波形也可以發現問題。

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原文標題:I2C通信中的坑

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