I2C电平半高问题详解

最近遇到了I2C半高电平的问题，简单来说就是推挽模式输出强高电平+主机没有发送NACK导致的，想直接看问题解答请跳转至本文最后一小节。

I2C介绍

I2C是一个半双工、多主从的串行总线，仅由两条线就能完成多机通信，一条SCL时钟线，一条双向数据线SDA。本文只讨论一主多从的情况。

严格来说，I2C总线要求每个设备SCL、SDA都是开漏模式。但在我们的应用场景下，MCU总是作为主机来与其他从设备通信，SCL一直在MCU的控制之下；在这种情况下，仅要求SDA为开漏模式。

下图很明晰地展示了I2C的通信原理，高电平由外部上拉电阻产生，而串联在总线上的每一个设备都可以拉低其电平，因此主从设备需要按照一定的时序进行通信。

I2C时序

起始信号和停止信号

空闲状态时，SCL和SDA线会由于外部上拉电阻处于高电平状态。I2C规定数据不允许在SCL为高时变化，如果SCL为高时SDA发生改变，那么这种信号就是起始信号和停止信号。

起始信号：SCL保持高电平，SDA由高向低跳变。

停止信号：SCL保持高电平，SDA由低向高跳变。
重启信号：即本该是停止信号的地方给起始信号，就会重新开始一个周期。

字节传送

每个字节为8bit，数据传送时，先传送最高位，后传送低位。在SCL为高时数据保持稳定。每发送一个字节后接收方必须发送一位应答位，即一帧共有9位。

ACK与NACK

在每8bit的数据传输完成后，主机或从机需要对接收到的数据做出反应，所以第9个bit位就是应答位，放置应答信号（ACK）或非应答信号（NACK）。其中应答信号就是希望对方继续发送数据，非应答信号就是希望对方停止发送数据。

应答信号（ACK）：电平为低
非应答信号（NACK）：电平为高

写与读

在此仅讨论向从机写一个字节和读一个字节数据的情况。

写时序：开始信号 --> 7位从机地址 + 写位(0) --> 应答信号 --> 写地址 --> 应答信号 --> 八位数据 --> 停止信号

读时序：开始信号 --> 7位从机地址 + 写位(0) --> 应答信号 --> 写地址 --> 应答信号 --> 重启信号 -->

7位从机地址 + 读位(1) --> 应答信号 --> 八位数据（由从机写入） --> 应答位（1，由主机应答) --> 停止信号

I2C半高电平问题解答

在开发中遇到读从机同一地址多次值却不同的问题，经查看波形发现SDA电平半高现象，并且大多出现在读周期。最终解决方案如下：

使用推挽模式模拟IIC，MCU不主动输出高电平
在读完8个bit位后主机给出NACK信号

半高电平出现的原因毫无疑问是主机与从机进行了争抢，如果是开漏状态下争抢只会造成电平为低而不是半高（一低俱低），因此“半高”的罪魁祸首是推挽模式输出的强高电平，即使从机拉也拉不下去，导致了半高电平的出现。因此，如果要使用推挽模拟IIC输出，就不能在SDA输出高电平，高电平也需要依靠外部上拉电阻。

而争抢出现的原因是由于读的时候，从机发送完一个字节并没有收到主机的NACK信号，即应答位为低，由于是ACK信号，IIC时序要求从机继续发送，而该从设备因为程序或是寄存器原因，继续发送的数据为全0，导致主机也无法拉高SDA。所以主机应当在读完数据后给出正确的非应答信号以拿回SDA的控制权。

推挽输出模拟IIC

输出高电平：将SDA设置为输入模式，靠外部上拉将SDA稳定在高电平

输出低电平：将SDA设置为输出模式且输出低电平

输入状态：将SDA设置为输入模式

参考

利尔达-I2C问题分享

一步一磕头的菜鸡-I2C详解