使用IIC去驅(qū)動(dòng)MPU6050時(shí)為什么總讀取失敗

01概述

在之前的文章中《I2C基礎(chǔ)原理及協(xié)議》中詳細(xì)講解了IIC協(xié)議，并且使用是NXP的官方手冊(cè)，demo示例使用IIC讀取RTC芯片，運(yùn)行正常，沒(méi)有任何問(wèn)題。并且更新了《IIC踩過(guò)的坑》，講述了在使用IIC讀取RTC芯片時(shí)遇到的問(wèn)題，并成功解決。

我以為我已經(jīng)完全學(xué)會(huì)了IIC，但現(xiàn)實(shí)卻打了臉，我在使用《STM32IIC詳解》文中的IIC驅(qū)動(dòng)，去驅(qū)動(dòng)MPU6050時(shí)，總是讀取失敗。這個(gè)驅(qū)動(dòng)明明是驗(yàn)證過(guò)的，為什么會(huì)有問(wèn)題。讓我一度很是郁悶。

02問(wèn)題

不賣(mài)關(guān)子，直接說(shuō)問(wèn)題，是我之前的IIC驅(qū)動(dòng)有問(wèn)題。

問(wèn)題1：

錯(cuò)誤將CLK信號(hào)GPIO設(shè)置為推挽輸出。應(yīng)該設(shè)置為開(kāi)漏輸出。

問(wèn)題2：

讀取函數(shù)有bug。1處應(yīng)該先左移再讀取SDA的數(shù)據(jù)，然后刪除2處的數(shù)據(jù)。

問(wèn)題2：這個(gè)就是純粹的bug了，大家應(yīng)該看出來(lái)了。在RTC的驅(qū)動(dòng)沒(méi)有觸發(fā)bug的原因是：在RTC的IIC接收數(shù)據(jù)中，實(shí)際應(yīng)用中最高位為0，觸發(fā)不了這個(gè)bug。而在MPU6050的IIC接收數(shù)據(jù)中就觸發(fā)了這個(gè)bug。我也在感慨，有時(shí)候不是程序沒(méi)有bug，而是可能沒(méi)有觸發(fā)。

問(wèn)題1：這個(gè)問(wèn)題，其實(shí)很簡(jiǎn)單，IIC協(xié)議中也提到過(guò)，很多大神也知道需要將MCU的IIC引腳設(shè)置為開(kāi)漏輸出。這一方面我也了解，但是沒(méi)有在意，因?yàn)橐恢弊x取RTC一直“沒(méi)有bug”。接下來(lái)我將細(xì)細(xì)和大家分享一下IIC為什么需要開(kāi)漏輸出，開(kāi)漏輸出和推挽輸出有什么區(qū)別。精通的大佬可以出門(mén)左轉(zhuǎn)了，想了解一下的同學(xué)歡迎繼續(xù)往下看。

03開(kāi)漏輸出

STM32F207的GPIO框圖如下

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

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

上面是我的在文章《STM32 GPIO詳解》中的說(shuō)明，GPIO的其他模式請(qǐng)看文章《STM32 GPIO詳解》。上文說(shuō)到開(kāi)漏模式輸出1時(shí)，端口保持高阻態(tài)，這個(gè)時(shí)候如果端口外上拉電阻，就可以輸出電平1。

開(kāi)漏輸出的作用：

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

如果換成開(kāi)漏輸出，GPIO的高電平是靠上拉電阻的，也就是VCC和GND之間會(huì)有個(gè)電阻，不會(huì)出現(xiàn)短路的問(wèn)題。這樣的電路就安全一些，所以部分總線采用開(kāi)路輸出。

2：線與：開(kāi)漏輸出還能實(shí)現(xiàn)線與，減少一個(gè)與門(mén)，簡(jiǎn)化電路。這個(gè)問(wèn)題下文講到。

04開(kāi)漏輸出在IIC的應(yīng)用

IIC為什么需要開(kāi)漏輸出，除了上文說(shuō)的到的防止短路，還有一個(gè)重要的因素就是線與。

首先我們先說(shuō)一下線與功能：

線與邏輯，即兩個(gè)輸出端（包括兩個(gè)以上）直接互連就可以實(shí)現(xiàn)“AND”的邏輯功能。在總線傳輸?shù)葘?shí)際應(yīng)用中需要多個(gè)門(mén)的輸出端并聯(lián)連接使用，而一般TTL門(mén)輸出端并不能直接并接使用，否則這些門(mén)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(kāi)路門(mén)（OC門(mén)）或三態(tài)門(mén)（TS門(mén)）來(lái)實(shí)現(xiàn)。用OC門(mén)實(shí)現(xiàn)線與，應(yīng)同時(shí)在輸出端口加一個(gè)上拉電阻。

上面是數(shù)電知識(shí)，我的個(gè)人簡(jiǎn)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(yīng)用是什么呢？

答案是：多主設(shè)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(gè)主機(jī)，一個(gè)從機(jī)。但I(xiàn)IC設(shè)計(jì)中可以支持多主機(jī)模式，那么就面臨一個(gè)問(wèn)題，當(dāng)多個(gè)主機(jī)同時(shí)啟動(dòng)總線時(shí)，如果仲裁的問(wèn)題。線與邏輯就起到了作用。

假設(shè)主設(shè)備A需要啟動(dòng)IIC，它需要在SCL高電平時(shí)，將SDA由高電平轉(zhuǎn)換為低電平作為啟動(dòng)信號(hào)。主設(shè)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(shuō)明主設(shè)備A可以占用總線，然后主設(shè)備A將SDA拉低，開(kāi)始通信。

SDA是低電平，說(shuō)明有人已經(jīng)捷足先登了，主設(shè)備A不能占用總線，結(jié)束通信。

如果主設(shè)備A拉高SDA時(shí)，已經(jīng)有其他主設(shè)備將SDA拉低了。由于1 & 0 = 0 那么主設(shè)備A在檢查SDA電平時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)不是高電平，而是低電平，說(shuō)明其他主設(shè)備搶占總線的時(shí)間比它早，設(shè)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(kāi)漏輸出的原因。上拉電阻的原因就是由于開(kāi)漏輸出的特性，需要上拉電阻在輸出1時(shí)，提高驅(qū)動(dòng)力。

05最后補(bǔ)充

最后說(shuō)一下為什么之前使用推挽輸出的IIC讀取RTC沒(méi)有問(wèn)題，這個(gè)因?yàn)樯侠娮璧淖柚挡煌?，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(gè)根據(jù)上文講述的，可以查MCU的datasheet，確認(rèn)IO的PMOS和NMOS的阻抗，計(jì)算一下電壓。

還有一個(gè)簡(jiǎn)單粗暴的辦法，直接使用示波器看波形也可以發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。