关于I2C应答位异常现象的总结文档



问题描述：

为利用I2C协议实现KV5芯片与MS5611气压计芯片的通信，在初始化I2C协议（包括引脚复用，设置波特率）后，主机给从机发送启动信号、从机地址及读写位（R/W）后，检测不到应答位（ACK，低电平）。利用示波器观测SDA和SCL信号，如下图。

可以看到，应答位有拉低现象，说明MS5611接收到自身地址及读写位后有应答，但拉低能力不够，KV5没有识别到。

解决方法：

下图是KV5芯片与MS5611芯片外部电路连接图，SDA和SCL均为外部上拉电路。

硬件电路确定无误，查阅资料找到解决方法，当复用引脚为I2C通信时，需将PORT口设置为开漏（OD），即PORT_PCR_ODE位置1。修改后，检测到SDA和SCL的正确波形如下图：

先说明一下开漏输出（OD门），推挽输出的含义和基本知识。（这部分参考网上百度到的一些知识）

开漏输出：即MOSFET漏极开路输出，跟集电极开路输出是十分类似的。将三极管换成MOSFET场效应管即可。以下分析三极管集电极开路输出（OC门）结构，如图1所示，右边的那个三极管集电极什么都不接，所以叫做集电极开路（左边的三极管为反相之用，使输入为“0”时，输出也为“0”）。对于图1，当左端的输入为“0”时，前面的三极管截止（即集电极C跟发射极E之间相当于断开），所以5V电源通过1K电阻加到右边的三极管上，右边的三极管导通（即相当于一个开关闭合）；当左端的输入为“1”时，前面的三极管导通，而后面的三极管截止（相当于开关断开）。

可将图1简化成图2的样子。图2中的开关受软件控制，“1”时断开，“0”时闭合。很明显可以看出，当开关闭合时，输出直接接地，所以输出电平为0。而当开关断开时，则输出端悬空了，即高阻态。这时电平状态未知，如果后面一个电阻负载（即使很轻的负载）到地，那么输出端的电平就被这个负载拉到低电平了，所以这个电路是不能输出高电平的。所以OD门要得到高电平状态，需要外接上拉电阻。

推挽输出：是有两个三极管，把上图3的上拉电阻也换成一个开关，当要输出高电平时，上面的开关通，下面的开关断；而要输出低电平时，则刚好相反。比起OC或OD，推挽结构高、低电平驱动能力都很强。

 

由于没有找到KV5/K60芯片PORT口内部的电路图，找到一个STM32的I/O口结构图，两者应该大同小异。如下图：

I/O分为输入输出两个通道，设置成输出时,输入也是有效的，但要在输出高电平时将引脚可靠拉低，这也是I2C协议SDA线为什么可以既作输入又作输出的原因。

    STM32的输出是分为开漏输出和推挽输出，开漏输出时，N-MOS被激活，P-MOS未被激活。推挽输出时，N-MOS、P-MOS均被激活。当I/O端口被配置为输出时，图中肖特基触发器是被激活的，但不管是开漏输出还是推挽输出，两个MOS都是“悬空”状态，即高阻态的，可以对输入数据寄存器的读访问可得到I/O状态。输入通道上有弱上拉电阻和弱下拉电阻，在作输入时，两个电阻是被禁止的，否则影响输入电平读取。

 

现分析应答位拉低能力不够的原因，由于没有使能开漏，但外部是有上拉电路的，所以可以正常输出高低电平，即主机发给从机的电平变化都是正确的（即时外部没有配置上拉电阻，也可以使能内部上拉电路，同样可输出正常电平，外部上拉的好处是输出电平可以根据外部上拉电压来定，提高驱动能力，同时也可以自行选取上拉电阻阻值），当读取气压计反馈应答信号时，引脚作输入，未使能开漏（KV5手册上没写，我自己理解是应该就是推挽结构）可能导致输入通道上的弱下拉上拉电阻没被禁止，导致气压计输入低电平时，弱下拉电阻把输入电平太高。