STM32 I2C 總線占用問題解析

這幾天解決 STM32 MCU的I2C 總線占用(BUSY) 問題，覺得是不錯的Lesson Learn，分享給大家。

問題描述

1. STM32F207 MCU有三組I2C，在Pre-ES1使用I2C1接上DSP/Codec/EEPROM，運作良好
2. 新硬體(ES1)把Codec/EEPROM移到I2C3，DSP還是留在I2C1，發現在I2C3有機率性的BUSY，MCU無法開始傳資料
3. 查MCU datasheet，BUSY意思為register I2C3_SR2[bit1]=1，代表SCL/SDA曾經 low而且沒出現stop condition

   

   

   

4. I2C3 BUSY和timing有關，在程式加個delay就莫名PASS，再加delay又莫名BUSY，有些image是機率性發生BUSY

分析方向

1. 觀察I2C3 SCL/SDA波形
2. I2C3在Pre-ES1沒用過，初始化是否有問題？
3. 觀察BUSY時機，何時開始，何時結束
4. 和chip有關？将 Codec和Flash斷開
5. 和I2C bus有關？将Codec接到 I2C1測試
6. 為何Pre-ES1沒問題？

分析過程

1. 剛開始不太穩定，莫名的連續一直BUSY，有時一直PASS，而且LED時亮時暗

   > 量電壓發現VDD3.3V不穩，high > low > high > low 震蕩

   > 加大LDO之後VDD3.3V穩定了(Solution1)，但I2C3還是BUSY 

2. 東改西改，發現一版100% PASS的軟體，和另一版100% FAIL的軟體，隻差在delay，應該還有其他問題
3. 量波形，I2C1(DSP)很正常，I2C1 init之後一直FREE，隻有傳資料期間才BUSY

   

4. 100% BUSY的軟體，在I2C3 初始化之後SCL/SDA停在2.6V，當VDD3.3V ON 後才升到3.3V

   

5. 100% PASS的軟體，波形同上，但之後開LED時因為LDO供電不足，SCL/SDA被短暫下拉，馬上回到3.3V

   

   應是因為SCL/SDA短暫下拉，誤打誤撞造成SCL/SDA high > low > high離開BUSY，有兩個證據

   證據一，如果沒下拉，I2C3就一直BUSY:

     a. 斷開小闆(上面有LED) 以降低VDD3.3V電流，不會短暫下拉 > 100% PASS的軟體變成100% FAIL

     b. 斷開小版LED以降低VDD3.3V電流，不會短暫下拉 > 100% PASS的軟體變成100% FAIL

     c. 軟體關閉LED以降低VDD3.3V電流，不會短暫下拉 > 100% PASS的軟體變成100% FAIL

   證據二，如果有下拉，I2C3從BUSY恢複成FREE:

     a. BUSY時設SCL/SDA為GPIO out，拉low > high > low > high，重新初始化SCL/SDA (workaround)  > 離開BUSY并可傳I2C指令

     b. BUSY時手動把SCL拉電線接地  離開BUSY并可傳I2C指令

     c. 100% BUSY軟體就是因為沒下拉波形才會100% FAIL

   PS: 開LED造成電流超出LDO負荷也是問題，須加大LED電阻或更換LDO

6. SCL/SDA短暫下拉不是造成BUSY的原因，重點在SCL/SDA有0.8s處于2.6V不正常電壓，原因可能有：

   - flash/codec去拉SCL/SDA

   - MCU去拉SCL/SDA

   - SCL/SDA上拉電阻不正确

   - SCL/SDA的上拉電路接在stby3.3v，可能stby3.3v不穩

   

7. 斷開flash還是BUSY，而且SCL/SDA還是有0.8秒被下拉到2.6v

   > 和flash無關

8. 斷開codec後，SCL/SDA不會下拉到2.6v，但I2C3還是BUSY

   > 懷疑Codec供電不正确，檢查I2C3初始化當下的VDD3.3v (供給Codec電壓)，發現VDD3.3V本應處于無電狀态(0V)，但實際量得2.7V，對codec是不正常電壓，可能造成工作異常

   > MCU将VDD3.3V提早開電(得到3.3V)，確定I2c3初始化時Codec正常工作，SCL/SDA下拉電壓消失 (Solution2)

   > I2C3還是BUSY，其實還需要下個Solution

   

9. 比較I2C1和I2C3初始化，發現重要差異：

      I2C1 pins(PB7, PB6)都在GPIO group B，共用一組GPIO register，填一次register可初始化兩根pin

      I2C3 pins(PA8, PC9)分在GPIO group A和C，必須分兩次初始化，先SDA再SDL

      > 懷疑初始化順序錯誤，I2C3先初始化SCL再SDA，終于PASS！(Solution3)

   

其他實驗

1. 基本電路檢查: SCL/SDA pull high電阻都是4.7KR，Stby3.3v是穩定3.3V，SCL/SDA沒接反，Codec的25Mhz clock穩定
2. 将Codec從I2C3移到I2C1，可正常傳輸 > 被誤導以為和Codec無關

結論

1. 三個Solution

   a. 加大LDO讓VDD3.3V穩定供電

   b. I2C3先初始化SCL再SDA。雖然datasheet沒寫此限制，但sample code确實依照此順序執行初始化。

   c. 為確定Codec在I2C3 初始化時有正常電壓(VDD3.3v=3.3v)，将VDD3.3V移到I2C3初始化之前

2. 一個workaround

   - 為確定BUSY時可恢複，當BUSY時将SCL/SDA設為GPIO out，然後pull low > high > low > high，再重新初始化I2C3

3. Pre-ES1沒問題是因為

   a. Pre-ES1 LDO較強力，無供電問題

   b. Pre-ES1的VDD3.3v無法由MCU開關，而是由stby3.3v穩定供電，是以無SCL/SDA 2.7V問題

   c. Pre-ES1隻用I2C1，沒用I2C3。I2C1兩根pin在同一個GPIO group，無SCL/SDA初始化順序問題

以後I2C問題可檢查

1. 電路：pull high電阻，pull high電壓，slave device供電
2. 軟體：I2C SCL/SDA初始化，slave device初始化timing
3. SCL/SDA檢查：SCL是否穩定，SCL/SDA電壓，slave device有回ACK? 傳輸資料是否正确
4. 斷開I2C3 chip做測試
5. 量測slave device期望的timing和MCU送出得是否一樣