STM32 軟體模擬 I2C 讀取 PX4FLOW 光流感測器資料：解決死機問題的關鍵時序修正

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STM32 軟體模擬 I2C 讀取 PX4FLOW 光流感測器資料：解決死機問題的關鍵時序修正

在參加全國光電設計大賽期間，專案採用 PX4FLOW 光流感測器。初期使用軟體模擬 I2C（GPIO 模擬）讀取資料，卻發生不定期死機現象。深入查閱 PX4FLOW 官方原始碼後發現，該感測器內部採用 STM32 硬體 I2C 外設，對時序要求極嚴格。軟體模擬若延遲不足或時序不精確，極易導致通訊鎖死。本文記錄在「原子哥」I2C 範例碼基礎上，透過調整關鍵延遲參數，成功解決死機問題的完整修正過程與程式碼。

問題背景

現象： 軟體 I2C 讀取 PX4FLOW 運作一段時間後，感測器停止回應 ACK，主控制器陷入無限等待。
原因分析： PX4FLOW 內部使用硬體 I2C，時序容忍度低；軟體模擬的 delay_us() 精度不足、中斷干擾、時鐘拉高/拉低邊沿順序錯誤，皆會導致從機誤判狀態。
解決策略： 參考官方硬體 I2C 時序圖，對啟始/停止訊號、ACK 等待、位元傳輸延遲進行微調，並加入超時保護機制。

核心修正點總覽

函式	關鍵修改	說明
`IIC_Start()`	調整 SDA/SCL 邊沿切換順序與延遲	確保 START 訊號在 SCL 高電位時 SDA 由高變低，滿足.setup time
`IIC_Stop()`	增加 SCL 高電位期間的 SDA 上升延遲	符合 STOP 訊號 hold time 需求
`IIC_Wait_Ack()`	加入 `ucErrTime` 超時計數器（250 迴路）	避免從機不回 ACK 時主機永久阻塞，超時自動發送 STOP 並返回錯誤
`IIC_Send_Byte()`	每個位元傳輸週期統一 `delay_us(2)`	確保資料建立/保持時間，特別針對 TEA5767 等嚴格裝置驗證過
`IIC_Read_Byte()`	讀取位元前拉低 SCL、延遲 2us 再拉高採樣	符合資料輸出延遲規格

完整修正後程式碼（myiic.c）

#include "myiic.h"
#include "delay.h"

// 初始化 IIC GPIO（PB10=SCL, PB11=SDA）
void IIC_Init(void) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOB, ENABLE);
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10 | GPIO_Pin_11;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;
    GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
    IIC_SCL = 1;
    IIC_SDA = 1;
}

// 產生 START 訊號
void IIC_Start(void) {
    SDA_OUT();
    IIC_SDA = 1;
    delay_us(1);
    IIC_SCL = 1;
    delay_us(2);  // 修正：增加 setup time
    IIC_SDA = 0;  // START: SCL high, SDA high->low
    delay_us(2);  // 修正：增加 hold time
    IIC_SCL = 0;  // 鉗住總線
}

// 產生 STOP 訊號
void IIC_Stop(void) {
    SDA_OUT();
    IIC_SCL = 0;
    delay_us(1);
    IIC_SDA = 0;
    delay_us(2);
    IIC_SCL = 1;
    delay_us(1);
    IIC_SDA = 1;  // STOP: SCL high, SDA low->high
    delay_us(2);
}

// 等待 ACK，超時返回 1
u8 IIC_Wait_Ack(void) {
    u8 ucErrTime = 0;
    SDA_IN();
    IIC_SDA = 1;
    delay_us(1);
    IIC_SCL = 1;
    delay_us(1);
    while (READ_SDA) {
        ucErrTime++;
        if (ucErrTime > 250) {  // 超時保護
            IIC_Stop();
            return 1;
        }
    }
    IIC_SCL = 0;
    return 0;
}

// 發送 ACK
void IIC_Ack(void) {
    IIC_SCL = 0;
    delay_us(1);
    SDA_OUT();
    IIC_SDA = 0;
    delay_us(2);
    IIC_SCL = 1;
    delay_us(2);
    IIC_SCL = 0;
}

// 發送 NACK
void IIC_NAck(void) {
    IIC_SCL = 0;
    delay_us(1);
    SDA_OUT();
    IIC_SDA = 1;
    delay_us(2);
    IIC_SCL = 1;
    delay_us(2);
    IIC_SCL = 0;
}

// 發送一個位元組
void IIC_Send_Byte(u8 txd) {
    u8 t;
    SDA_OUT();
    IIC_SCL = 0;
    for (t = 0; t < 8; t++) {
        IIC_SDA = (txd & 0x80) >> 7;
        txd <<= 1;
        delay_us(2);  // 關鍵延遲
        IIC_SCL = 1;
        delay_us(2);
        IIC_SCL = 0;
        delay_us(2);
    }
}

// 讀取一個位元組
u8 IIC_Read_Byte(unsigned char ack) {
    unsigned char i, receive = 0;
    SDA_IN();
    for (i = 0; i < 8; i++) {
        IIC_SCL = 0;
        delay_us(2);
        IIC_SCL = 1;
        receive <<= 1;
        if (READ_SDA) receive++;
        delay_us(1);
    }
    if (!ack) IIC_NAck(); else IIC_Ack();
    return receive;
}