驱动之路#46：如何测量与分析 I2C 信号？

BSP调试从0到1 2026-06-18 470

描述

前面几篇文章，我们已经把 I2C 的基础内容聊得差不多了。

从 I2C 通信机制，到上拉电阻，再到 I2C 子系统、I2C-tools，基本算是把理论和工具都过了一遍。

但实际工作中，最让人头疼的往往不是理论，而是这种情况：

设备树配了；驱动也加了；供电看起来也正常；但 i2cdetect 就是扫不到设备。

这时候怎么办？

继续盯着代码看，很多时候意义不大。

I2C 本质上就两根线：SDA 和 SCL。软件怎么配，最后都要落到这两根线上。所以真遇到 I2C 设备不应答，最直接的方法就是：拿万用表和示波器看信号。

这篇文章就简单聊聊：I2C 信号怎么测，波形怎么看，ACK 又该怎么判断。

1. 先快速回顾 I2C 通信

在 I2C 协议里，数据传输的基本单位是字节，也就是 8bit。

但传输 1 个字节，实际需要 9 个时钟周期：

前 8 个时钟：传输 8bit 数据；第 9 个时钟：传输 ACK / NACK 应答信号。

另外，I2C 传输时遵循高位在前，也就是 MSB first。

几个关键信号也再过一遍：

起始信号 S
SCL 为高电平期间，SDA 从高电平跳变为低电平。

停止信号 P
SCL 为高电平期间，SDA 从低电平跳变为高电平。

应答信号 ACK
接收器收到 8bit 数据后，在第 9 个时钟周期拉低 SDA。

还有一个很重要的规则：

SDA 上的数据，必须在 SCL 为高电平期间保持稳定；只有当 SCL 为低电平时，SDA 才允许变化。

这句话对看波形很重要。

因为判断 I2C 波形是否正常，本质上就是看 SDA / SCL 是否符合这个时序规则。

2. i2cdetect 扫不到设备，先别急着改驱动

设想一个常见场景：外接了一个 I2C 设备，比如触摸 IC、传感器或者电源芯片。

设备树也配了，I2C 控制器也打开了，但执行：

i2cdetect -y 2

就是扫不到设备地址。

这时候很多人第一反应是：

是不是 compatible 写错了？是不是驱动没加载？是不是 reg 地址写错了？是不是 kernel config 没开？

这些当然都要查。

但如果连 i2cdetect 都扫不到设备，说明更底层的 I2C 通信可能都没建立起来。

这时候我通常会先把问题拆成两部分：

1. SoC 到 I2C 接口这条信号链路是否正常？2. 外接 I2C 设备本身是否正常应答？

为了排除外设干扰，有时候可以先把 I2C 设备拆下来，只保留 SoC 侧的 SDA / SCL 和上拉电阻。

这么做的目的很明确：

先确认 SoC I2C 控制器输出的信号是否正常，再判断外设是否应答。

这样能避免一上来就在软件、硬件、外设之间来回猜。

第 1 步：先测 SDA / SCL 空闲电压

测波形之前，先用万用表测一下 SDA 和 SCL 的空闲电压。

问题来了：当 I2C 总线上没有通信、甚至没有接外设时，SDA 和 SCL 应该是什么电平？

答案是：高电平。

原因前面讲过，I2C 是开漏 / 开集输出，需要外部上拉电阻。

所以总线空闲时，SDA 和 SCL 都应该被上拉到 VCC。

比如系统是 3.3V 上拉，那么空闲状态下：

SDA ≈ 3.3VSCL ≈ 3.3V

如果测出来不是这个结果，就要先查硬件：

[ ] 上拉电阻有没有焊？[ ] 上拉电源是不是正确？[ ] 电阻阻值是否异常？[ ] SDA / SCL 是否被某个设备一直拉低？[ ] 引脚是否复用错？[ ] 是否存在短路或虚焊？

这个步骤很基础，但非常有用。

很多 I2C 问题，最后查半天，发现就是上拉电阻没焊、焊错值、或者某个外设把总线拉死。

所以别小看万用表这一步。

第 2 步：用示波器抓 i2cdetect 波形

确认空闲电压正常后，就可以看波形了。

实操方法也很简单：

一边执行：

i2cdetect -y 2

一边用示波器抓 SDA 和 SCL。

建议这样接：

CH1：SCLCH2：SDAGND：板子地

执行 i2cdetect 时，主机会不断向不同 I2C 地址发起访问，所以总线上会出现一串 I2C 波形。

如果 I2C 控制器工作正常，至少应该看到：

SCL 有规律地输出时钟；SDA 跟随数据发生变化；起始信号和停止信号存在；每 8bit 数据后有第 9 个 ACK 时钟。

如果连 SCL 都没有波形，那就要回头查：

[ ] I2C 控制器是否打开；[ ] pinctrl 是否配置正确；[ ] 当前测的是不是正确引脚；[ ] i2cdetect 的总线编号是否正确；[ ] 控制器驱动是否加载；[ ] 时钟资源是否正常。

如果 SCL 有波形，但 SDA 不对，再重点查 SDA 线、上拉、外设拉低、地址应答等问题。

第 3 步：重点看第 9 个时钟的 ACK

看 I2C 波形时，新手不一定要一上来就把所有 bit 都解出来。

调试阶段最关键的是先看一个东西：第 9 个时钟周期，SDA 有没有被拉低。

前面说过，I2C 每传输 8bit 数据后，第 9 个时钟是 ACK 周期。

如果从设备正常应答，它会在第 9 个时钟周期拉低 SDA。

也就是说：

第 9 个时钟周期 SDA 被拉低：ACK，设备应答；第 9 个时钟周期 SDA 保持高电平：NACK，设备未应答。

这个现象非常关键。

比如拆掉外设后，再执行 i2cdetect 抓波形。

这时你会看到主机确实发出了地址和时钟，但第 9 个时钟周期 SDA 没有被拉低。

这是正常现象，因为外设已经拆掉了，不可能有人返回 ACK。

如果接上外设后，地址正确、供电正常、复位释放正常，那么在访问对应地址时，第 9 个时钟周期应该能看到 SDA 被外设拉低。

看到这个 ACK，至少说明：

[ ] 主机发出了 I2C 波形；[ ] 外设识别到了地址；[ ] 外设能正常拉低 SDA；[ ] 主从通信已经初步建立。

这比单纯看软件日志更直观。

3. 正常波形应该长什么样？

一个比较正常的 I2C 波形，大概有这些特征：

1. 空闲状态下，SDA 和 SCL 都是高电平；2. Start 时，SCL 高电平期间 SDA 从高变低；3. 数据传输时，SCL 高电平期间 SDA 保持稳定；4. 每 8bit 数据后，有第 9 个 ACK 时钟；5. 如果设备应答，第 9 个时钟周期 SDA 会被拉低；6. Stop 时，SCL 高电平期间 SDA 从低变高。

如果波形大体符合这些特征，说明 I2C 总线时序基本没问题。

这时候如果软件还访问失败，就可以进一步查：

设备地址是否正确；读写方向是否正确；寄存器访问格式是否正确；设备是否需要初始化命令；驱动里通信流程是否符合芯片手册。

4. 异常波形怎么看？

I2C 异常波形大概可以分几类。

（1）SDA / SCL 一直低

如果 SDA 或 SCL 一直是低电平，说明总线可能被拉死。

常见原因：

[ ] 外设异常，把 SDA / SCL 拉低；[ ] 引脚短路到地；[ ] GPIO 复用错误；[ ] 电源异常导致外设状态异常；[ ] I2C 控制器处于异常状态；[ ] 焊接问题。

这种情况下，i2cdetect 通常也扫不到设备。

（2）SDA / SCL 一直高，没有波形

如果 SDA / SCL 都是高电平，但执行 i2cdetect 时没有任何波形，说明主控侧可能根本没发起 I2C 传输。

重点查：

[ ] i2cdetect 的 bus 编号是否正确；[ ] /dev/i2c-X 是否存在；[ ] I2C 控制器设备树是否启用；[ ] pinctrl 是否正确；[ ] 测试点是否选错；[ ] 控制器驱动是否 probe。

 （3）有时钟，但没有 ACK

这种情况比较常见。

现象是 SCL 有时钟，SDA 也有地址数据，但第 9 个时钟周期 SDA 没有被拉低。

说明主控在喊设备，但没有设备回应。

重点查：

[ ] I2C 设备地址是否正确；[ ] 外设供电是否正常；[ ] reset / enable 是否释放；[ ] 外设是否还在复位状态；[ ] SDA / SCL 是否接反；[ ] 设备是否挂在当前这一路 I2C 上；[ ] 是否存在地址位理解错误。

这里特别提醒一下：有些芯片手册写的是 8bit 地址，有些 Linux 驱动里用的是 7bit 地址，新手很容易搞混。

（4）波形纹波大、边沿很差

还有一种情况是，波形看起来有变化，但质量很差。

比如：

上升沿很慢；电平抖动明显；纹波很大；高电平达不到标准；低电平拉不下去；毛刺很多。

这类问题就不太像纯软件问题，更像硬件信号质量问题。

重点查：

[ ] 上拉电阻值是否合适；[ ] 是否重复上拉导致电阻过小；[ ] 总线是否过长；[ ] 挂载设备是否过多；[ ] PCB 走线是否受干扰；[ ] 是否有强干扰源靠近；[ ] 示波器探头接地是否合理。

我之前就遇到过一种情况：执行 i2cdetect 时能看到波形，但纹波过大，最后直接影响 I2C 通信稳定性。

这种问题看日志不一定明显，但示波器一抓就很直观。

5. 一个实用排查流程

以后遇到 I2C 设备扫不到，可以按下面流程来：

I2C 信号排查 Checklist：

[ ] 1. 确认 /dev/i2c-X 是否存在；[ ] 2. 确认 i2cdetect 使用的 bus 编号正确；[ ] 3. 万用表测 SDA / SCL 空闲电压是否为上拉电压；[ ] 4. 执行 i2cdetect，同时示波器抓 SCL/SDA；[ ] 5. 确认 SCL 是否有时钟输出；[ ] 6. 确认 SDA 是否有数据变化；[ ] 7. 确认第 9 个时钟周期是否有 ACK；[ ] 8. 若无 ACK，检查地址、供电、复位、接线；[ ] 9. 若波形质量差，检查上拉、电容、走线、干扰；[ ] 10. 若波形正常但驱动失败，再回到软件层查 probe 和寄存器访问流程。

这个顺序比较重要。

不要一上来就陷入驱动源码。

I2C 是低速总线，很多问题拿示波器看一下，基本就能判断方向。

6. 总结

I2C 调试时，软件日志只能告诉你“失败了”，但示波器能告诉你“到底失败在哪里”。

如果 i2cdetect 探测不到设备，可以先看两件事：

1. SDA / SCL 空闲电压是否正常；2. 执行 i2cdetect 时，波形是否有时钟、数据和 ACK。

其中最关键的是 ACK：

第 9 个时钟 SDA 被拉低：设备应答；第 9 个时钟 SDA 没拉低：设备未应答。

看到 ACK，说明主从通信至少建立起来了。

看不到 ACK，就优先查地址、供电、复位、上拉、接线和总线编号。

如果波形纹波大、边沿差、干扰严重，就要回头查硬件设计和信号质量，而不是继续死磕驱动。

一句话总结：

I2C 调不通时，别只看代码；SDA / SCL 的电压和波形，往往比日志更诚实。

（完）

下期可以继续聊：如何调试 I2C 设备？

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