I²C应答信号（ACK/NACK）如何判断从设备响应状态？

Question

**问题描述：** 在I²C通信中，主设备如何通过应答信号（ACK/NACK）判断从设备的响应状态？常见的判断方法及注意事项有哪些？

Answer 1

一、I²C通信中的应答信号（ACK/NACK）概述

I²C（Inter-Integrated Circuit）是一种广泛应用于嵌入式系统中的串行通信协议，支持多主从设备间的通信。在每次数据传输后，接收方都会发送一个应答信号（ACK）或非应答信号（NACK），以告知发送方是否成功接收到数据。

主设备通过检测SCL时钟周期内的SDA线状态来判断从设备的响应状态：

• ACK：SDA在第9个时钟周期为低电平，表示接收成功。
• NACK：SDA在第9个时钟周期为高电平，表示接收失败或无应答。

二、主设备如何通过ACK/NACK判断从设备响应状态

主设备在每次发送或接收一个字节后，会释放SDA线，并拉高SCL线进行采样。以下是判断流程：

1. 主设备发送8位地址或数据。
2. 从设备在第9个SCL上升沿前将SDA置为低电平（ACK）或保持高电平（NACK）。
3. 主设备读取SDA线的状态。
4. 根据读取结果决定是否继续通信或重试。

以下是一个伪代码示例，用于检测ACK/NACK：

void check_ack() {
    SDA_HIGH();     // 主设备释放SDA
    delay_us(1);    // 等待从设备驱动SDA
    SCL_HIGH();     // 拉高SCL，准备采样
    delay_us(5);
    
    if (SDA_READ()) {
        // NACK received
        printf("NACK\n");
    } else {
        // ACK received
        printf("ACK\n");
    }
    
    SCL_LOW();
}
  

三、常见的判断方法与实现方式

不同的硬件平台和软件库提供了多种方式来处理ACK/NACK判断：

平台/库	判断方法	说明
STM32 HAL库	HAL_I2C_Master_Transmit()	返回值中包含错误码，可判断是否收到NACK
Linux I²C Dev	i2c_smbus_read_byte_data()	底层自动处理ACK/NACK，上层无需手动判断
裸机GPIO模拟	手动读取SDA状态	需严格控制时序，适用于调试或特殊场景

四、注意事项与常见问题分析

在实际应用中，ACK/NACK的判断可能受到多种因素影响，需注意以下几点：

• 时序精度：SDA应在SCL下降沿改变，在上升沿保持稳定。
• 总线竞争：多个从设备可能导致冲突，建议使用仲裁机制。
• 拉电阻选择：过大的上拉电阻会导致SDA无法快速恢复，影响ACK判断。
• 设备地址匹配：若地址不匹配，从设备不会发出ACK。
• 通信速率：高速模式下需确保主从设备均支持相应速率。

以下是一个典型的ACK/NACK流程图：

graph TD
    A[Start] --> B[Send Byte]
    B --> C{ACK Received?}
    C -->|Yes| D[Continue Communication]
    C -->|No| E[Handle Error or Retry]
    D --> F[Next Byte]
    E --> G[Stop or Reset]

五、应用场景与高级用法

ACK/NACK机制不仅用于基本通信确认，还可用于更复杂的逻辑控制：

• 设备存在检测：主设备发送地址后判断是否有ACK，确认从设备是否存在。
• 流控机制：某些设备可通过NACK通知主设备暂停发送数据。
• 错误恢复策略：如连续NACK则触发复位或切换备用路径。
• EEPROM写入结束检测：部分EEPROM在写入过程中不返回ACK，直到写入完成。

例如，读取EEPROM时的典型流程如下：

i2c_start();
i2c_write(DEVICE_ADDR << 1 | WRITE); // 发送写地址
if (check_ack()) {                   // 判断ACK
    i2c_write(REG_ADDR);             // 写寄存器地址
    check_ack();
    i2c_start();                     // 重新开始
    i2c_write(DEVICE_ADDR << 1 | READ); // 发送读地址
    data = i2c_read(NACK);           // 最后一次读取发NACK
    i2c_stop();
}