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APM32芯得 EP.34 | 告别I2C“假死”——APM32F103硬件IIC防锁死设计

news 2025/9/9 11:58:00

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《APM32芯得》系列内容为用户使用APM32系列产品的经验总结，均转载自21ic论坛极海半导体专区，全文未作任何修改，未经原文作者授权禁止转载。

一、引言

二、 APM32F103硬件IIC基础与错误寄存器分析

三、硬件IIC错误恢复的核心思想

四、详细的错误恢复步骤与代码实现

五、预防优于治疗：IIC通信的稳定性设计建议

六、总结

一、引言

背景介绍：
- APM32F103系列MCU作为一款高度兼容的国产芯片，具有应用广泛性。
- 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）。
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。
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。
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：
- 控制寄存器（IIC_CTLR1, IIC_CTLR2）：配置使能、中断、ACK等。
- 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：
- BUSY** (IIC_STAR2[1])：总线忙标志，指示IIC总线是否正处于通信状态。
- BERR** (IIC_STAR1[8])：总线错误，检测到非法的起始或停止条件。
- AL** (IIC_STAR1[9])：仲裁丢失，多主模式下失去总线控制权。
- AE** (IIC_STAR1[10])：应答失败，发送地址或数据后未收到ACK。
- OVRUR** (IIC_STAR1[11])：超载/溢出错误，数据寄存器读写过快。
- 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：

清除错误标志。
关闭IIC外设（I2CEN=0）。
置位软件复位位（IIC_CTLR1中的SWRST位）。
延时片刻后，清除SWRST位，重新配置并使能IIC外设（I2CEN=1）。

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）：
- 前提：如果软复位后总线BUSY标志仍无法清除。
- 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。
- 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I2CI2C_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：

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;
}