90.模拟 IIC 通信中 GPIO 模式配置的关键：为什么开漏输出是必须的？

在嵌入式开发中，软件模拟 IIC（两线串行通信）是一项常见需求，比如读取温度传感器、OLED 屏幕等外设。但很多开发者会遇到一个经典问题：前 8 位数据传输正常，第 9 位应答（ACK）却异常，数据线卡在中间电平，导致通信失败。本文将结合实际案例，深入分析这个问题的根源，并提供完整的代码解决方案。

一、问题现象：前 8 位正常，第 9 位应答异常

我们先看一个典型的模拟 IIC 波形：

• SCL 时钟信号前 8 个周期正常
• SDA 数据线在第 9 个周期（应答位）卡在 1.6V 左右的中间电平
• 单片机无法采样到有效低电平，判断为 NACK（无应答）

从波形可以看出，前 8 位数据传输正常，但第 9 位应答位出现了电平异常，这是很多模拟 IIC 项目中常见的 "坑"。

二、问题根源：GPIO 模式配置错误

2.1 错误的配置：推挽输出

很多开发者在配置模拟 IIC 时，会将 SDA 引脚配置为推挽输出模式。推挽输出的特点是：

• 输出高电平时，由单片机内部上管主动推高到 VDD
• 输出低电平时，由单片机内部下管主动拉低到 GND

在模拟 IIC 的应答阶段，程序会执行SDA = 1;，意图是 "释放"SDA 线，让从设备（如温度传感器）可以拉低 SDA 来发送 ACK 信号。但在推挽输出模式下，SDA = 1;并不是释放总线，而是单片机主动将 SDA 推高到 VDD。

2.2 冲突的产生：推挽输出 vs 开漏输出

此时，从设备（温度传感器）的 SDA 引脚通常配置为开漏输出模式，在应答时会主动拉低 SDA 线。这就导致了冲突：

• 单片机推挽输出：主动推高 SDA 到 VDD
• 从设备开漏输出：主动拉低 SDA 到 GND

两个设备 "硬碰硬"，SDA 线的电平被拉到中间值（如 1.6V），既不是有效的高电平也不是有效的低电平，导致单片机无法采样到从设备的应答信号。

三、正确的解决方案：开漏输出 + 上拉电阻

3.1 开漏输出的原理

开漏输出（Open-Drain）的特点是：

• 输出高电平时，内部上管关闭，引脚处于高阻态，由外部上拉电阻将电平拉到 VDD
• 输出低电平时，内部下管开启，将引脚拉到 GND

在模拟 IIC 中，开漏输出是必须的，因为：

3.2 完整的代码实现

以下是基于 STM32 LL 库的模拟 IIC 完整代码示例，包含正确的 GPIO 配置和通信函数：

#include "stm32f1xx_ll_bus.h"
#include "stm32f1xx_ll_gpio.h"
#include "stm32f1xx_ll_rcc.h"

// 定义IIC引脚（根据实际硬件修改）
#define IIC_SCL_PORT GPIOB
#define IIC_SCL_PIN LL_GPIO_PIN_6
#define IIC_SDA_PORT GPIOB
#define IIC_SDA_PIN LL_GPIO_PIN_7

// 延时函数（根据系统时钟调整）
#define IIC_DELAY_US(us) LL_mDelay(us)

/**
* @brief 初始化模拟IIC的GPIO引脚
* @note 必须配置为开漏输出模式，外部添加4.7kΩ上拉电阻
*/
void IIC_GPIO_Init(void)
{
// 使能GPIOB时钟
LL_APB2_GRP1_EnableClock(LL_APB2_GRP1_PERIPH_GPIOB);

// 配置SCL引脚为开漏输出
LL_GPIO_SetPinMode(IIC_SCL_PORT, IIC_SCL_PIN, LL_GPIO_MODE_OUTPUT);
LL_GPIO_SetPinOutputType(IIC_SCL_PORT, IIC_SCL_PIN, LL_GPIO_OUTPUT_OPENDRAIN);
LL_GPIO_SetPinSpeed(IIC_SCL_PORT, IIC_SCL_PIN, LL_GPIO_SPEED_FREQ_HIGH);
LL_GPIO_SetPinPull(IIC_SCL_PORT, IIC_SCL_PIN, LL_GPIO_PULL_NO); // 依赖外部上拉

// 配置SDA引脚为开漏输出
LL_GPIO_SetPinMode(IIC_SDA_PORT, IIC_SDA_PIN, LL_GPIO_MODE_OUTPUT);
LL_GPIO_SetPinOutputType(IIC_SDA_PORT, IIC_SDA_PIN, LL_GPIO_OUTPUT_OPENDRAIN);
LL_GPIO_SetPinSpeed(IIC_SDA_PORT, IIC_SDA_PIN, LL_GPIO_SPEED_FREQ_HIGH);
LL_GPIO_SetPinPull(IIC_SDA_PORT, IIC_SDA_PIN, LL_GPIO_PULL_NO); // 依赖外部上拉

// 初始状态：SCL和SDA都为高电平（释放总线）
LL_GPIO_SetOutputPin(IIC_SCL_PORT, IIC_SCL_PIN);
LL_GPIO_SetOutputPin(IIC_SDA_PORT, IIC_SDA_PIN);
}

/**
* @brief 产生IIC起始信号
*/
void IIC_Start(void)
{
// SDA拉低前，SCL必须为高
LL_GPIO_SetOutputPin(IIC_SCL_PORT, IIC_SCL_PIN);
IIC_DELAY_US(5);

// SDA拉低，产生起始信号
LL_GPIO_ResetOutputPin(IIC_SDA_PORT, IIC_SDA_PIN);
IIC_DELAY_US(5);

// SCL拉低，准备发送数据
LL_GPIO_ResetOutputPin(IIC_SCL_PORT, IIC_SCL_PIN);
IIC_DELAY_US(5);
}

/**
* @brief 产生IIC停止信号
*/
void IIC_Stop(void)
{
// SDA拉低前，SCL必须为高
LL_GPIO_ResetOutputPin(IIC_SDA_PORT, IIC_SDA_PIN);
IIC_DELAY_US(5);

// SCL拉高
LL_GPIO_SetOutputPin(IIC_SCL_PORT, IIC_SCL_PIN);
IIC_DELAY_US(5);

// SDA拉高，产生停止信号
LL_GPIO_SetOutputPin(IIC_SDA_PORT, IIC_SDA_PIN);
IIC_DELAY_US(5);
}

/**
* @brief 发送一个字节数据
* @param data 要发送的数据
* @return 0: 收到ACK; 1: 收到NACK
*/
uint8_t IIC_SendByte(uint8_t data)
{
uint8_t i, ack;

// 从高位到低位发送8位数据
for(i = 0; i < 8; i++)
{
// 拉低SCL，准备设置数据
LL_GPIO_ResetOutputPin(IIC_SCL_PORT, IIC_SCL_PIN);
IIC_DELAY_US(3);

// 设置SDA电平
if(data & 0x80)
{
LL_GPIO_SetOutputPin(IIC_SDA_PORT, IIC_SDA_PIN);
}
else
{
LL_GPIO_ResetOutputPin(IIC_SDA_PORT, IIC_SDA_PIN);
}
data <<= 1;
IIC_DELAY_US(2);

// 拉高SCL，让从设备采样数据
LL_GPIO_SetOutputPin(IIC_SCL_PORT, IIC_SCL_PIN);
IIC_DELAY_US(5);
}

// 接收从设备应答
// 释放SDA，让从设备可以拉低
LL_GPIO_SetOutputPin(IIC_SDA_PORT, IIC_SDA_PIN);
IIC_DELAY_US(2);

// 拉高SCL，采样应答信号
LL_GPIO_SetOutputPin(IIC_SCL_PORT, IIC_SCL_PIN);
IIC_DELAY_US(5);

// 读取SDA电平：0=ACK, 1=NACK
ack = LL_GPIO_IsInputPinSet(IIC_SDA_PORT, IIC_SDA_PIN);

// 拉低SCL，准备下一次传输
LL_GPIO_ResetOutputPin(IIC_SCL_PORT, IIC_SCL_PIN);
IIC_DELAY_US(5);

return ack;
}

/**
* @brief 读取一个字节数据
* @param ack 0: 发送ACK; 1: 发送NACK
* @return 读取到的数据
*/
uint8_t IIC_ReadByte(uint8_t ack)
{
uint8_t i, data = 0;

// 释放SDA，让从设备可以发送数据
LL_GPIO_SetOutputPin(IIC_SDA_PORT, IIC_SDA_PIN);
IIC_DELAY_US(2);

// 从高位到低位读取8位数据
for(i = 0; i < 8; i++)
{
// 拉低SCL，准备读取数据
LL_GPIO_ResetOutputPin(IIC_SCL_PORT, IIC_SCL_PIN);
IIC_DELAY_US(3);

// 拉高SCL，采样数据
LL_GPIO_SetOutputPin(IIC_SCL_PORT, IIC_SCL_PIN);
IIC_DELAY_US(5);

// 读取SDA电平
data <<= 1;
if(LL_GPIO_IsInputPinSet(IIC_SDA_PORT, IIC_SDA_PIN))
{
data |= 0x01;
}
IIC_DELAY_US(2);
}

// 发送应答信号
if(ack == 0)
{
// 发送ACK：拉低SDA
LL_GPIO_ResetOutputPin(IIC_SDA_PORT, IIC_SDA_PIN);
}
else
{
// 发送NACK：释放SDA
LL_GPIO_SetOutputPin(IIC_SDA_PORT, IIC_SDA_PIN);
}
IIC_DELAY_US(2);

// 拉高SCL，让从设备采样应答
LL_GPIO_SetOutputPin(IIC_SCL_PORT, IIC_SCL_PIN);
IIC_DELAY_US(5);

// 拉低SCL，准备下一次传输
LL_GPIO_ResetOutputPin(IIC_SCL_PORT, IIC_SCL_PIN);
IIC_DELAY_US(5);

// 释放SDA
LL_GPIO_SetOutputPin(IIC_SDA_PORT, IIC_SDA_PIN);
IIC_DELAY_US(2);

return data;
}

/**
* @brief 等待从设备应答
* @return 0: 收到ACK; 1: 超时未收到ACK
*/
uint8_t IIC_WaitAck(void)
{
uint8_t timeout = 255;

// 释放SDA
LL_GPIO_SetOutputPin(IIC_SDA_PORT, IIC_SDA_PIN);
IIC_DELAY_US(2);

// 拉高SCL
LL_GPIO_SetOutputPin(IIC_SCL_PORT, IIC_SCL_PIN);
IIC_DELAY_US(5);

// 等待SDA被拉低
while(LL_GPIO_IsInputPinSet(IIC_SDA_PORT, IIC_SDA_PIN))
{
timeout–;
if(timeout == 0)
{
IIC_Stop();
return 1; // 超时
}
}

// 拉低SCL
LL_GPIO_ResetOutputPin(IIC_SCL_PORT, IIC_SCL_PIN);
IIC_DELAY_US(5);

return 0; // 收到ACK
}

/**
* @brief 发送ACK信号
*/
void IIC_SendAck(void)
{
// 拉低SDA
LL_GPIO_ResetOutputPin(IIC_SDA_PORT, IIC_SDA_PIN);
IIC_DELAY_US(2);

// 拉高SCL
LL_GPIO_SetOutputPin(IIC_SCL_PORT, IIC_SCL_PIN);
IIC_DELAY_US(5);

// 拉低SCL
LL_GPIO_ResetOutputPin(IIC_SCL_PORT, IIC_SCL_PIN);
IIC_DELAY_US(5);

// 释放SDA
LL_GPIO_SetOutputPin(IIC_SDA_PORT, IIC_SDA_PIN);
IIC_DELAY_US(2);
}

/**
* @brief 发送NACK信号
*/
void IIC_SendNack(void)
{
// 释放SDA
LL_GPIO_SetOutputPin(IIC_SDA_PORT, IIC_SDA_PIN);
IIC_DELAY_US(2);

// 拉高SCL
LL_GPIO_SetOutputPin(IIC_SCL_PORT, IIC_SCL_PIN);
IIC_DELAY_US(5);

// 拉低SCL
LL_GPIO_ResetOutputPin(IIC_SCL_PORT, IIC_SCL_PIN);
IIC_DELAY_US(5);
}

四、其他可能的 NACK 原因排查

虽然 GPIO 模式配置错误是最常见的原因，但模拟 IIC 通信失败还可能有其他原因：

五、总结

模拟 IIC 通信中，GPIO 模式配置是关键中的关键。必须将 SDA 和 SCL 引脚配置为开漏输出模式，并添加外部上拉电阻，这样才能正确实现总线的 "释放" 和 "拉低" 操作，避免总线冲突导致的应答异常。

希望本文的分析和代码示例能帮助你解决模拟 IIC 通信中的常见问题，让你的嵌入式项目更加稳定可靠。

如果你也遇到过类似的 IIC 通信问题，欢迎在评论区留言讨论！