如何检测和解决I2C通信死锁

电子设计联盟

k1shsxsr33r64042667020.gif

点击上方蓝色字体，关注我们
5 @. Y0 P8 U/ R- Y4 |0 @; X
) `. J2 i6 r# S
4 D6 z/ e9 V/ MI2C 死锁是指总线被卡住，无法继续通信的情况，通常由从设备意外拉低 SDA 或 SCL 线引起，导致主设备无法发起新的事务。
2 l- X( }- I8 k, o, l) D, S

d5mhts4gmqm64042667120.png

5 X: l. a6 x- l1 t8 @7 g
* A) C. k; D  {! O死锁的常见成因包括：
1 G9 E- |- h0 y4 ]7 x

噪声或干扰：外部电磁干扰可能导致 SCL 的时钟边沿丢失或 SDA 数据错误。例如，噪声可能使从设备误认为通信仍在进行，从而保持 SDA 低电平。

启动时的毛刺：系统上电或复位时，I/O 信号可能出现短暂脉冲，导致从设备误判状态，卡住总线。

软件问题：如在事务中间断点调试或软件崩溃，主设备可能未正确结束通信，从设备仍等待时钟脉冲。
" v# q4 |6 e6 g  D/ D) W# x例如，若主设备在读取数据过程中重启，而从设备仍在传输模式，SDA 线可能被持续拉低，形成死锁。

9 G* N) \& L8 W% K. o- R0 i

eeeeuhpkgo464042667220.png

1
- N; i2 @+ Z/ Y; O8 R死锁的检测方法
+ C6 l- L- ~/ |# o) B% u) b检测 I2C 死锁的主要方法是使用超时机制。在 I2C 通信过程中，设置一个定时器，若总线访问或数据传输未在预期时间内完成，则触发死锁检测。

2 J- w4 g# ^2 g2 g* O) g具体实现可以是：

在每次 I2C 事务开始时启动定时器。

若事务超时（例如 35 ms，参考 SMBus 建议），则认为总线可能被卡住。

这种方法在软件层面实现，无需额外硬件支持。证据倾向于这种方法在实时系统中效果显著，尤其是在检测从设备卡住时。
2
+ x5 S& S; y4 L8 l7 Y1 l死锁的预防措施
0 n3 U6 K+ S4 Q& T4 W3 I预防 I2C 死锁的硬件和软件措施包括：

硬件设计：

使用强拉电阻：推荐 4.7kΩ 的拉电阻，加速 SDA 和 SCL 的上升沿，减少噪声影响。

确保主设备 I/O 默认高电平：复位后通过拉电阻保持高电平，避免启动毛刺。

使用 I2C 开关：将总线分成多个分支，若某分支挂起，可通过开关隔离故障设备。例如，NXP 的 PCA9540（2 通道）或 PCA9548（8 通道）支持动态分支管理。

54x4x01vby064042667320.png

# \+ _' [9 y& n- c% t7 t软件设计：

避免在事务中途中断主设备程序。

在系统启动时执行恢复序列，清除可能的初始死锁。
0 H# @; ~! z  F) Z& e4 z
5 n3 M8 e- v& A3 L1 \

plpfjcnu2ew64042667420.png

3
& X. F. e/ Q- l' b; i死锁的解决策略
解决 I2C 死锁的方法分为软件和硬件两种。
# E& Z- ?: ^4 r' ^  R2 q$ B' [
) i" w7 n- a" i) ~软件方法
通过主设备手动生成至少10个时钟脉冲，强制从设备释放总线。这是基于 I2C 规范的恢复机制，通常需要9个时钟脉冲传输一个字节数据，额外一个脉冲确保释放。
8 @+ I) `6 R2 S2 _; D: ]

#define I2C_RECOVER_NUM_CLOCKS 10U#define I2C_RECOVER_CLOCK_FREQ 50000U#define I2C_RECOVER_CLOCK_DELAY_US (1000000U / (2U * I2C_RECOVER_CLOCK_FREQ))void i2c_recover(void) {    // 将 SCL 配置为 GPIO 输出    // 初始化 SCL 为高电平    for (uint32_t i = 0; i         // 将 SCL 拉低        delay_us(I2C_RECOVER_CLOCK_DELAY_US);        // 将 SCL 拉高        delay_us(I2C_RECOVER_CLOCK_DELAY_US);    }    // 重新配置 SCL 为 I2C 模式}

34scsn4y5g464042667520.png

3 u, k5 t5 v7 d/ }' R7 f" \硬件方法
若从设备有复位引脚，可通过硬件信号重置设备，恢复通信。
: r/ L, d" b: a/ n+ Y) Q8 M* H0 V( E使用 I2C 开关隔离故障分支，保持其他分支正常工作。例如，若某分支的从设备挂起，可通过 PCA9540 编程关闭该分支。
6 f6 y9 L, m  p9 E0 f

cqnf025r4ov64042667621.png

I2C 死锁虽然可能发生，但通过超时检测、强拉电阻预防以及时钟脉冲恢复，可以有效解决。硬件隔离（如 I2C 开关）进一步提升系统可靠性，适合复杂嵌入式应用。掌握这些方法，可显著提高嵌入式系统的稳定性和用户体验。
1 |$ ]! f! B, }

b4drlp3jbwl64042667721.jpg

2 c$ c7 N2 s7 T2 K/ s% Z

el3aynbob3f64042667821.gif

点击阅读原文，更精彩~