STM32 I2C 总线占用问题解析

这几天解决 STM32 MCU的I2C 总线占用(BUSY) 问题，觉得是不错的Lesson Learn，分享给大家。


问题描述

1. STM32F207 MCU有三组I2C，在Pre-ES1使用I2C1接上DSP/Codec/EEPROM，运作良好

2. 新硬件(ES1)把Codec/EEPROM移到I2C3，DSP还是留在I2C1，发现在I2C3有机率性的BUSY，MCU无法开始传资料

3. 查MCU datasheet，BUSY意思为register I2C3_SR2[bit1]=1，代表SCL/SDA曾经 low而且没出现stop condition
   
   
   
   

4. I2C3 BUSY和timing有关，在程序加个delay就莫名PASS，再加delay又莫名BUSY，有些image是机率性发生BUSY

分析方向

1. 观察I2C3 SCL/SDA波形

2. I2C3在Pre-ES1没用过，初始化是否有问题？

3. 观察BUSY时机，何时开始，何时结束

4. 和chip有关？将 Codec和Flash断开

5. 和I2C bus有关？将Codec接到 I2C1测试

6. 为何Pre-ES1没问题？

分析过程

1. 刚开始不太稳定，莫名的连续一直BUSY，有时一直PASS，而且LED时亮时暗
   > 量电压发现VDD3.3V不稳，high > low > high > low 震荡
   > 加大LDO之后VDD3.3V稳定了(Solution1)，但I2C3还是BUSY 
   
   

2. 东改西改，发现一版100% PASS的软件，和另一版100% FAIL的软件，只差在delay，应该还有其他问题
   
   

3. 量波形，I2C1(DSP)很正常，I2C1 init之后一直FREE，只有传资料期间才BUSY
   
   
   
   

4. 100% BUSY的软件，在I2C3 初始化之后SCL/SDA停在2.6V，当VDD3.3V ON 后才升到3.3V
   
   
   

5. 100% PASS的软件，波形同上，但之后开LED时因为LDO供电不足，SCL/SDA被短暂下拉，马上回到3.3V
   
   应是因为SCL/SDA短暂下拉，误打误撞造成SCL/SDA high > low > high离开BUSY，有两个证据
   证据一，如果没下拉，I2C3就一直BUSY:
     a. 断开小板(上面有LED) 以降低VDD3.3V电流，不会短暂下拉 > 100% PASS的软件变成100% FAIL
     b. 断开小版LED以降低VDD3.3V电流，不会短暂下拉 > 100% PASS的软件变成100% FAIL
     c. 软件关闭LED以降低VDD3.3V电流，不会短暂下拉 > 100% PASS的软件变成100% FAIL
   证据二，如果有下拉，I2C3从BUSY恢复成FREE:
     a. BUSY时设SCL/SDA为GPIO out，拉low > high > low > high，重新初始化SCL/SDA (workaround)  > 离开BUSY并可传I2C指令
     b. BUSY时手动把SCL拉电线接地  离开BUSY并可传I2C指令
     c. 100% BUSY软件就是因为没下拉波形才会100% FAIL
   PS: 开LED造成电流超出LDO负荷也是问题，须加大LED电阻或更换LDO
   
   

6. SCL/SDA短暂下拉不是造成BUSY的原因，重点在SCL/SDA有0.8s处于2.6V不正常电压，原因可能有：
   - flash/codec去拉SCL/SDA
   - MCU去拉SCL/SDA
   - SCL/SDA上拉电阻不正确
   - SCL/SDA的上拉电路接在stby3.3v，可能stby3.3v不稳
   
   
   

7. 断开flash还是BUSY，而且SCL/SDA还是有0.8秒被下拉到2.6v
   > 和flash无关
   
   

8. 断开codec后，SCL/SDA不会下拉到2.6v，但I2C3还是BUSY
   > 怀疑Codec供电不正确，检查I2C3初始化当下的VDD3.3v (供给Codec电压)，发现VDD3.3V本应处于无电状态(0V)，但实际量得2.7V，对codec是不正常电压，可能造成工作异常
   > MCU将VDD3.3V提早开电(得到3.3V)，确保I2c3初始化时Codec正常工作，SCL/SDA下拉电压消失 (Solution2)
   > I2C3还是BUSY，其实还需要下个Solution
   
   
   

9. 比较I2C1和I2C3初始化，发现重要差异：
      I2C1 pins(PB7, PB6)都在GPIO group B，共用一组GPIO register，填一次register可初始化两根pin
      I2C3 pins(PA8, PC9)分在GPIO group A和C，必须分两次初始化，先SDA再SDL
      > 怀疑初始化顺序错误，I2C3先初始化SCL再SDA，终于PASS！(Solution3)
   
   

其他实验

1. 基本电路检查: SCL/SDA pull high电阻都是4.7KR，Stby3.3v是稳定3.3V，SCL/SDA没接反，Codec的25Mhz clock稳定

2. 将Codec从I2C3移到I2C1，可正常传输 > 被误导以为和Codec无关

结论

1. 三个Solution
   a. 加大LDO让VDD3.3V稳定供电
   b. I2C3先初始化SCL再SDA。虽然datasheet没写此限制，但sample code确实依照此顺序执行初始化。
   c. 为确保Codec在I2C3 初始化时有正常电压(VDD3.3v=3.3v)，将VDD3.3V移到I2C3初始化之前

2. 一个workaround 
   - 为确保BUSY时可恢复，当BUSY时将SCL/SDA设为GPIO out，然后pull low > high > low > high，再重新初始化I2C3

3. Pre-ES1没问题是因为
   a. Pre-ES1 LDO较强力，无供电问题
   b. Pre-ES1的VDD3.3v无法由MCU开关，而是由stby3.3v稳定供电，因此无SCL/SDA 2.7V问题
   c. Pre-ES1只用I2C1，没用I2C3。I2C1两根pin在同一个GPIO group，无SCL/SDA初始化顺序问题

以后I2C问题可检查

1. 电路：pull high电阻，pull high电压，slave device供电

2. 软件：I2C SCL/SDA初始化，slave device初始化timing

3. SCL/SDA检查：SCL是否稳定，SCL/SDA电压，slave device有回ACK? 传输资料是否正确

4. 断开I2C3 chip做测试

5. 量测slave device期望的timing和MCU送出得是否一样