I2C【2】-IIC为什么需要用开漏输出和上拉电阻bug

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项目场景：

最近在调ICM20602模块(一个六轴陀螺仪和加速度计), 使用IIC通信协议, 这个过程中遇到一个困扰我很长时间的问题。

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问题描述

IIC协议正确, 但是一直读取失败。

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原因分析：

最后发现因为没配置GPIO为开漏输出

推挽输出和开漏输出

推挽输出: 输出逻辑0，则N-MOS激活；输出逻辑1，则P-MOS激活。

开漏输出:在不接上拉电阻时, 输出逻辑0，则N-MOS激活；输出逻辑1，P-MOS不会激活, 不会输出高电平。在接上拉电阻时, 输出逻辑0，则N-MOS激活；输出逻辑1，P-MOS激活, 可以输出高电平。

也就是说开漏输出如果不接上拉电阻, 没有输出高电平的能力。如果需要开漏输出有输出高电平的能力需要接一个上拉电阻. 目前很多单片机GPIO可以通过软件配置上拉电阻.

左图为开漏输出(接上拉电阻), 右图为推挽输出

开漏输出的作用

防止短路: 在一些情况下(比如总线), 多个GPIO口可能会连接在同一根线上, 存在某个GPIO输出高电平, 另一个GPIO输出低电平的情况. 如果使用推挽输出, 你会发现这个GPIO的VCC和另一个GPIO的GND接在了一起, 也就是短路了(凉凉了). 如果换成开漏输出呢? VCC和GND多了个电阻, 这样电路就是安全的.所以总线一般会使用开漏输出.

线与: 开漏输出还能实现 线与 (自行百度), 减少一个与门, 简化电路.

IIC为什么用开漏输出和上拉电阻

1. IIC协议支持多个主设备与多个从设备在一条总线上, 如果不用开漏输出, 而用推挽输出, 会出现主设备之间短路的情况.
2. 至于为什么需要上拉电阻, 那是因为IIC通信需要输出高电平的能力.

为了实现多个主设备抢占总线时的仲裁.IIC只有两根线(SCL和SDA), 怎么判断哪个主设备占用总线(当然是先来后到了).

假设主设备A需要启动IIC, 他需要在SCL高电平时, 将SDA由高电平转换为低电平作为启动信号. 主设备A在把SDA拉高后, 它需要再检查一下SDA的电平。

为什么? 因为线与. 如果主设备A拉高SDA时, 已经有其他主设备将SDA拉低了. 由于 1 & 0 = 0 那么主设备A在检查SDA电平时, 会发现不是高电平, 而是低电平. 说明其他主设备抢占总线的时间比它早, 主设备A只能放弃占用总线. 如果是高电平, 则可以占用。

这就是开漏输出在IIC通信中的另一个作用。

SDA是高电平, 说明主设备A可以占用总线, 然后主设备A将SDA拉低, 开始通信.SDA是低电平, 说明有人已经捷足先登了, 主设备A不能占用总线, 结束通信.

因此, 模拟IIC一定要将GPIO端口设置为开漏输出并加上上拉电阻.(硬件IIC会自动配置为开漏输出)。

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解决方案：

最后说一下为什么之前使用推挽输出的IIC读取RTC没有问题，这个因为上拉电阻的阻值不同，RTC的上拉电阻即使推挽输出也可以正常拉高拉低电平。这个根据上文讲述的，可以查MCU的datasheet，确认IO的PMOS和NMOS的阻抗，计算一下电压。

还有一个简单粗暴的办法，直接使用示波器看波形也可以发现问题