IIC为什么需要用开漏输出和上拉电阻

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.
IIC协议正确, 但是一直读取失败.最后发现因为没配置GPIO为开漏输出.

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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，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.

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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

1. 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.

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2. 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

其实知道了开漏输出的作用, 这个问题不难回答

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. 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.

2. 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.

   • 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.

   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.

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)

END