模擬I2C為什么要將GPIO端口設置為開漏輸出？
時間：2023-10-24 來源：華清遠見
不知道大家有沒有跟我遇到類似的問題：我在fs4412開發板上調試mup6050（六軸傳感器）時，使用I2C通信協議，模擬I2C協議正確，但是一直讀取數據失敗，且伴隨著開發板發熱。最后發現造成該現象的原因是沒有配置GPIO為開漏輸出。
首先我們先簡單回顧一下I2C通信總線：
I2C（集成電路總線），是由飛利浦（Philips）公司開發的一種簡單、雙向二線制同步串行總線。它只需要兩根線（時間線和數據線）即可在連接于總線上的器件之間實現通信。每個連接到總線上的器件都有唯一的地址，任何器件既可以作為主機也可以作為從機，但同一時刻只允許有一個主機。
I2C信號的幾個重要的概念：
初始狀態（即空閑狀態）：SCL和SDA均被上拉電阻鉗位在高電平的初始狀態；
開始信號：當SCL為高電平的時候，SDA被拉低，此為開始信號，表明通訊開始；
終止信號：當SCL為高電平的時候，SDA被拉高，此為終止信號，表明本次通訊結束；
應答信號：當發送器向接收器發送完一個字節（8位）數據后，第9個時鐘周期內，接收器必須給發送器一個應答信號，這樣數據才算傳輸成功。高電平表非應答，低電平表應答。
根據I2C總線的物理特性，I2C總線內部使用的是漏極開路輸出驅動器，這里的漏極開路輸出就是我們說的開漏輸出。因此特性SDA和SCL可以被拉低為低電平，但是不能被驅動為高電平，所以每條線上都要使用一個上拉電阻使得初始狀態為高電平。
開漏輸出：開漏輸出就是不輸出電壓，控制輸出低電平時引腳接地，控制輸出高電平時引腳既不輸出高電平，也不輸出低電平，為高阻態。如果外接上拉電阻，則在輸出高電平時電壓會拉到上拉電阻的電源電壓。這種方式適合在連接的外設電壓比單片機電壓低的時候。
以MOS管為例：
N-MOS管：漏極接正極，源極接負極，柵極正電壓時導電溝道建立；
P-MOS管：漏極接負極，源極接正極，柵極負電壓時導電溝道建立。
因此在不接上拉電阻時：輸出邏輯0，則N-MOS激活；輸出邏輯1，P-MOS不會激活，不會輸出高電平。 在接上拉電阻時：輸出邏輯0，則N-MOS激活；
輸出邏輯1，P-MOS激活，可以輸出高電平。 也就是說開漏輸出如果不接上拉電阻，是沒有輸出高電平的能力的。如果需要開漏輸出有輸出高電平的能力就需要接上拉電阻。
另外，在一些情況下（比如總線），多個GPIO口可能會連接在同一根線上，這樣就存在某個GPIO輸出高電平，但另一個GPIO輸出低電平的情況。如果不是使用開漏輸出，你會發現這個GPIO的VCC和另一個GPIO的GND接在了一起，會導致電路短路。而如果使用開漏輸出，VCC和GND之間就多了個上拉電阻，這樣就避免的短路，保證了電路安全。所以總線一般會使用開漏輸出。 回到開頭的那個問題，目前很多開發板是可以通過軟件給GPIO端口配置上拉電阻的，我一開始使用I2C協議并沒有將總線設置為開漏輸出，導致數據讀取失敗，并且由于電路短路導致開發板發熱。所以模擬I2C必須要將GPIO端口設置為開漏輸出。
