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【InterFace】STM32 I2C 死锁问题

程序员文章站 2024-02-26 23:54:16
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背景

其实这篇文章在很久之前就写过解决方法了。在经过不断的实践和深究后发现，硬件 I2C 死锁的问题在ST的官方手册中的勘误手册（errata）中早就提供解决方案，只是我没有重视官方的文档，一直在网络寻求帮助。

即使已经有官方的解决方案，但是还有很多人（包括以前的我）在怀疑 STM32 系列的 I2C 有硬件 BUG。这也告诉我们：网上资源虽丰富，但还是得通过“金睛火眼”来辨别。

讲真的，为了解决 I2C 问题，我在网上看了 N 多篇的文章、Blog 和帖子，还没看到几个人说 “STM32 硬件 I2C 没问题”，反而是看到很多类似这样的：“都听说STM32 硬件 I2C 有问题，一试，发现还真是有问题，改用 IO 模拟吧”。

不再哔~哔~哔~~~

下面我将提供 STM32F207 和 STM32F103 系列的 I2C 死锁（一直为 BUSY 状态或 START 一直置位）问题的解决方案。同时在底部，依旧保存了我以前的解决方案（SDA为 LOW），如果你遇到的是SDA 被置为 LOW 的问题而已，你完全可以采用旧的解决方案。

I2C 死锁描述

本文所描述的 I2C 死锁问题，表现为：当 I2C 通讯出现异常后，SDA 和 SCL 均为高（即 IDLE 状态），在调用 HAL_I2C_Master_Transmit 或者 HAL_I2C_Master_Receive 一直返回 BUSY 或 TIMEOUT。通过逻辑分析仪查看总线一直为HIGH。
通常这种异常发生：

  • 在 Slave 设备拔除总线后，Master 出现异常
  • 一次通讯被异常中断，导致 Master 出现异常

在 STM32F207 中，上述的问题能通过 MCU 软件复位来解决。但是对于 STM32F103 的 MCU 软件复位并不能完全解决问题，经常是需要断电重启。在正常场景中，我们当然是不希望需要通过软件复位或断电解决啦！那您就得继续往下看了。

通过 Debug，可以看到，在出现异常时，I2C相关寄存器的值，如下面两图所示。

图1：一直为 BUSY 状态时的 I2C 寄存器状态
【InterFace】STM32 I2C 死锁问题

图2：START 位一直被置位时的 I2C 寄存器状态
【InterFace】STM32 I2C 死锁问题

STM32F207 解决方案

相对于 STM32F103 来说，STM32F207 的解决方案是比较简单的，仅需要对 进行 I2C 外设复位。也许你会说，这算什么解决办法！！！拜托，人家之前并不知道它还有外设复位寄存器位嘛~~~

首先咱们先来看看勘误手册的描述。
【InterFace】STM32 I2C 死锁问题

Example：用于总线复位的函数

static HAL_StatusTypeDef I2CResetBus(void)
{
    __HAL_I2C_DISABLE(&hi2c1);
    /* 1. Set SWRST bit in I2Cx_CR1 register. */
    hi2c1.Instance->CR1 |=  I2C_CR1_SWRST;
    HAL_Delay(2);
    /* 2. Clear SWRST bit in I2Cx_CR1 register. */
    hi2c1.Instance->CR1 &=  ~I2C_CR1_SWRST;
    HAL_Delay(2);
    /* 3. Enable the I2C peripheral by setting the PE bit in I2Cx_CR1 register */
    MX_I2C1_Init();
    __HAL_I2C_ENABLE(&hi2c1);
    HAL_Delay(2);
#ifdef I2C_TEST 
    printf("I2CResetBus\r\n");
#endif
    hi2c1.ErrorCode = HAL_I2C_ERROR_NONE;
    hi2c1.State = HAL_I2C_STATE_READY;
    hi2c1.PreviousState = I2C_STATE_NONE;
    hi2c1.Mode = HAL_I2C_MODE_NONE;
    return HAL_OK;
}

上面的函数里面有一行 MX_I2C1_Init() 用于给 I2C 进行配置。这里是因为 I2C 进行复位后，寄存器的值均会被修改掉。只能再配置一遍。

STM32F103解决方案

STM32F103 的方法比较麻烦，首先，咱们先看看勘误手册的描述。

【InterFace】STM32 I2C 死锁问题
【InterFace】STM32 I2C 死锁问题

我对勘误手册的理解是：将管脚配置为普通输出管脚后，实现电平的反转，以达到解除死锁，再将其恢复为 I2C 配置。

Example：解决代码

static void User_I2C2_GeneralPurposeOutput_Init(I2C_HandleTypeDef* i2cHandle)
{

    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
    if(i2cHandle->Instance==I2C2)
    {
        /*   PB10     ------> I2C2_SCL; PB11     ------> I2C2_SDA */
        GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_10|GPIO_PIN_11;
        GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_OD;
        GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
        HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);
    }
}


static void User_I2C2_AlternateFunction_Init(I2C_HandleTypeDef* i2cHandle)
{

    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
    if(i2cHandle->Instance==I2C2)
    {
        /*   PB10     ------> I2C2_SCL; PB11     ------> I2C2_SDA */
        GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_10|GPIO_PIN_11;
        GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_OD;
        GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
        HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);
    }
}

HAL_StatusTypeDef I2CResetBus(void)
{
    hi2c2.ErrorCode = HAL_I2C_ERROR_AF;
    /* 1. Disable the I2C peripheral by clearing the PE bit in I2Cx_CR1 register */
    __HAL_I2C_DISABLE(&hi2c2);
    HAL_GPIO_DeInit(GPIOB, GPIO_PIN_10|GPIO_PIN_11);

    /* 2. Configure the SCL and SDA I/Os as General Purpose Output Open-Drain, High level (Write 1 to GPIOx_ODR) */
    User_I2C2_GeneralPurposeOutput_Init(&hi2c2);
    HAL_Delay(1);
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_10 | GPIO_PIN_11, GPIO_PIN_SET);
    HAL_Delay(1);

    /* 3. Check SCL and SDA High level in GPIOx_IDR */
    if ((HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_10) != GPIO_PIN_SET)||(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_11) != GPIO_PIN_SET))
    {
#ifdef I2C_TEST 
        printf("3.PB10=%d, PB11=%d\r\n", HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_10), HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_11));
#endif
        return HAL_ERROR;
    }

    /* 4. Configure the SDA I/O as General Purpose Output Open-Drain, Low level (Write 0 to GPIOx_ODR).
     * 5. Check SDA Low level in GPIOx_IDR.
     * 6. Configure the SCL I/O as General Purpose Output Open-Drain, Low level (Write 0 to GPIOx_ODR)
     * 7. Check SCL Low level in GPIOx_IDR.
     * */
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_10|GPIO_PIN_11, GPIO_PIN_RESET);
    HAL_Delay(1);
    if ((HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_10) != GPIO_PIN_RESET)||(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_11) != GPIO_PIN_RESET))
    {
#ifdef I2C_TEST 
        printf("4-7.PB10=%d, PB11=%d\r\n", HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_10), HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_11));
#endif
        return HAL_ERROR;
    }

    /*
     * 8. Configure the SCL I/O as General Purpose Output Open-Drain, High level (Write 1 to GPIOx_ODR).
     * 9. Check SCL High level in GPIOx_IDR.
     * 10. Configure the SDA I/O as General Purpose Output Open-Drain , High level (Write 1 to GPIOx_ODR).
     * 11. Check SDA High level in GPIOx_IDR.
     */
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_10|GPIO_PIN_11, GPIO_PIN_SET);
    HAL_Delay(1);
    if ((HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_10) != GPIO_PIN_SET)||(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_11) != GPIO_PIN_SET))
    {
#ifdef I2C_TEST 
        printf("8-11.PB10=%d, PB11=%d\r\n", HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_10), HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_11));
#endif
        return HAL_ERROR;
    }

    /* 12. Configure the SCL and SDA I/Os as Alternate function Open-Drain. */
    HAL_GPIO_DeInit(GPIOB, GPIO_PIN_10|GPIO_PIN_11);
    User_I2C2_AlternateFunction_Init(&hi2c2);

    /* 13. Set SWRST bit in I2Cx_CR1 register. */
    hi2c2.Instance->CR1 |=  I2C_CR1_SWRST;
    HAL_Delay(2);
    /* 14. Clear SWRST bit in I2Cx_CR1 register. */
    hi2c2.Instance->CR1 &=  ~I2C_CR1_SWRST;
    HAL_Delay(2);
    /* 15. Enable the I2C peripheral by setting the PE bit in I2Cx_CR1 register */
    MX_I2C2_Init();
    __HAL_I2C_ENABLE(&hi2c2);
    HAL_Delay(2);
#ifdef I2C_TEST 
    printf("I2CResetBus\r\n");
#endif
    hi2c2.ErrorCode = HAL_I2C_ERROR_NONE;
    hi2c2.State = HAL_I2C_STATE_READY;
    hi2c2.PreviousState = I2C_STATE_NONE;
    hi2c2.Mode = HAL_I2C_MODE_NONE;
    return HAL_OK;
}

SDA 为 LOW的解决方案

最近在项目中设计了一个 IIC 模拟从机的程序。为了图方便，我随便拿了个 STM32F207 的开发板做 IIC Master，用 STM32CUBE 做了个程序，Master 的 数据发送和接收，都是直接调用 HAL 库的函数。
通过逻辑分析仪测试发现，每次主机出现错误后，IIC SDA 会被拉低，导致整个 IIC 总线被锁死了。后续的数据传输异常。现象如下图所示：

【InterFace】STM32 I2C 死锁问题

【InterFace】STM32 I2C 死锁问题

后来我查看了 HAL 库的 IIC 的 HAL_I2C_Master_Transmit 函数。
发现：当出现 TIMEOUT 或 ERROR 时，STM32 Master 并不会产生 STOP 信号，或者，将总线释放（SDA 和 SCL 置高）。这样就会导致，当出现 TIMEOUT 或者 ERROR 后， 下一次进入HAL_I2C_Master_Transmit ，Master 会认为 IIC 总线为 BUSY，而放弃通讯，造成 SDA 被锁死的现象。
然后，我在 HAL_I2C_Master_Transmit 函数做了些改动，如下面的程序所示。
NOTE：如果是用 HAL_I2C_Master_Transmit 生成的程序，做修改时，必须把这段程序复制出来，保存到别的文件中，不然，在使用 STM32CUBE 再修改程序时，原来的修改会被覆盖掉。

/**
  * @brief  Transmits in master mode an amount of data in blocking mode.
  * @param  hi2c Pointer to a I2C_HandleTypeDef structure that contains
  *                the configuration information for the specified I2C.
  * @param  DevAddress Target device address: The device 7 bits address value
  *         in datasheet must be shifted to the left before calling the interface
  * @param  pData Pointer to data buffer
  * @param  Size Amount of data to be sent
  * @param  Timeout Timeout duration
  * @retval HAL status
  */
HAL_StatusTypeDef HAL_I2C_Master_Transmit(I2C_HandleTypeDef *hi2c, uint16_t DevAddress, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout)
{
  uint32_t tickstart = 0x00U;

  /* Init tickstart for timeout management*/
  tickstart = HAL_GetTick();

  if(hi2c->State == HAL_I2C_STATE_READY)
  {
    /* Wait until BUSY flag is reset */
    // 下面的代码就是用于检测 IIC 总线是否为 BUSY，当 SDA 和 SCL 同时为高，才会被认为是空闲（IDLE），否则，会被认为是 BUSY。
    if(I2C_WaitOnFlagUntilTimeout(hi2c, I2C_FLAG_BUSY, SET, I2C_TIMEOUT_BUSY_FLAG, tickstart) != HAL_OK)
    {
      return HAL_BUSY;
    }

    /* Process Locked */
    __HAL_LOCK(hi2c);

    /* Check if the I2C is already enabled */
    if((hi2c->Instance->CR1 & I2C_CR1_PE) != I2C_CR1_PE)
    {
      /* Enable I2C peripheral */
      __HAL_I2C_ENABLE(hi2c);
    }

    /* Disable Pos */
    hi2c->Instance->CR1 &= ~I2C_CR1_POS;

    hi2c->State     = HAL_I2C_STATE_BUSY_TX;
    hi2c->Mode      = HAL_I2C_MODE_MASTER;
    hi2c->ErrorCode = HAL_I2C_ERROR_NONE;

    /* Prepare transfer parameters */
    hi2c->pBuffPtr    = pData;
    hi2c->XferCount   = Size;
    hi2c->XferOptions = I2C_NO_OPTION_FRAME;
    hi2c->XferSize    = hi2c->XferCount;

    /* Send Slave Address */
    if(I2C_MasterRequestWrite(hi2c, DevAddress, Timeout, tickstart) != HAL_OK)
    {
      if(hi2c->ErrorCode == HAL_I2C_ERROR_AF)
      {
        /* 此处为我自行添加的部分，当出现错误时，产生 Stop 信号，以释放总线。*/
        hi2c->Instance->CR1 |= I2C_CR1_STOP;
        /* Process Unlocked */
        __HAL_UNLOCK(hi2c);

        return HAL_ERROR;
      }
      else
      {

        /*此处为我自行添加的部分，当出现错误时，产生 Stop 信号，以释放总线。*/
        hi2c->Instance->CR1 |= I2C_CR1_STOP;
         /* Process Unlocked */
        __HAL_UNLOCK(hi2c);
        return HAL_TIMEOUT;
      }
    }

    /* Clear ADDR flag */
    __HAL_I2C_CLEAR_ADDRFLAG(hi2c);

    while(hi2c->XferSize > 0U)
    {
      /* Wait until TXE flag is set */
      if(I2C_WaitOnTXEFlagUntilTimeout(hi2c, Timeout, tickstart) != HAL_OK)
      {
        if(hi2c->ErrorCode == HAL_I2C_ERROR_AF)
        {
          /* 此处为我自行添加的部分，当出现错误时，产生 Stop 信号，以释放总线。*/
          hi2c->Instance->CR1 |= I2C_CR1_STOP;
          return HAL_ERROR;
        }
        else
        {
            /* 此处为我自行添加的部分，当出现错误时，产生 Stop 信号，以释放总线。*/
            hi2c->Instance->CR1 |= I2C_CR1_STOP;
          return HAL_TIMEOUT;
        }
      }

      /* Write data to DR */
      hi2c->Instance->DR = (*hi2c->pBuffPtr++);
      hi2c->XferCount--;
      hi2c->XferSize--;

      if((__HAL_I2C_GET_FLAG(hi2c, I2C_FLAG_BTF) == SET) && (hi2c->XferSize != 0U))
      {
        /* Write data to DR */
        hi2c->Instance->DR = (*hi2c->pBuffPtr++);
        hi2c->XferCount--;
        hi2c->XferSize--;
      }

      /* Wait until BTF flag is set */
      if(I2C_WaitOnBTFFlagUntilTimeout(hi2c, Timeout, tickstart) != HAL_OK)
      {
        if(hi2c->ErrorCode == HAL_I2C_ERROR_AF)
        {
          /* 此处为我自行添加的部分，当出现错误时，产生 Stop 信号，以释放总线。*/
          hi2c->Instance->CR1 |= I2C_CR1_STOP;
          return HAL_ERROR;
        }
        else
        {
            /* 此处为我自行添加的部分，当出现错误时，产生 Stop 信号，以释放总线。*/
            hi2c->Instance->CR1 |= I2C_CR1_STOP;
          return HAL_TIMEOUT;
        }
      }
    }

    /* Generate Stop */
    hi2c->Instance->CR1 |= I2C_CR1_STOP;

    hi2c->State = HAL_I2C_STATE_READY;
    hi2c->Mode = HAL_I2C_MODE_NONE;

    /* Process Unlocked */
    __HAL_UNLOCK(hi2c);

    return HAL_OK;
  }
  else
  {
    /* 此处为我自行添加的部分，当出现错误时，产生 Stop 信号，以释放总线。*/
    hi2c->Instance->CR1 |= I2C_CR1_STOP;
    /* Process Unlocked */
    __HAL_UNLOCK(hi2c);
    return HAL_BUSY;
  }
}

下面是修改后的效果：
【InterFace】STM32 I2C 死锁问题

希望对您有帮助~

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