RC電路竟然影響GPIO邊沿中斷？(上)

大家好，我是痞子衡，是正經(jīng)搞技術(shù)的痞子。今天痞子衡給大家分享的是i.MXRT1050在GPIO上增加RC延時(shí)電路后導(dǎo)致邊沿中斷誤觸發(fā)問題探析。

前段時(shí)間有一個(gè) RT1052 客戶反饋了一個(gè)有趣的問題，他們?cè)O(shè)計(jì)得是一個(gè)帶 LCD 屏交互的應(yīng)用，應(yīng)用以官方 SDK 里的 lvgl_demo_widgets_bm 例程為基礎(chǔ)。當(dāng)客戶在這個(gè)例程基礎(chǔ)上增加了 GPIO 輸入邊沿中斷檢測(cè)，并且硬件上給 GPIO 增加了 RC 延時(shí)電路后，發(fā)現(xiàn)邊沿中斷觸發(fā)得不太準(zhǔn)確，這是怎么回事？今天痞子衡帶大家還原現(xiàn)場(chǎng)：

一、問題描述

客戶做得硬件改動(dòng)很簡(jiǎn)單，在 GPIO_AD_B1_04 引腳和 GPIO_AD_B1_10 引腳之間加了如下的 RC 延時(shí)電路。GPIO_AD_B1_04 上產(chǎn)生得是 500Hz 的方波（既可以是 GPIO 模塊輸出，也可以去掉 R290 后直接接信號(hào)發(fā)生器），這個(gè)方波經(jīng)過 RC 電路之后輸出給 GPIO_AD_B1_10，然后通過其輸入邊沿中斷來檢測(cè)電平變化，并且在每個(gè)邊沿中斷里都翻轉(zhuǎn)一次 GPIO_AD_B1_11 電平。

代碼改動(dòng)也足夠簡(jiǎn)單，只需要在 SDK_2_15_000_EVKB-IMXRT1050boardsevkbimxrt1050lvgl_exampleslvgl_demo_widgets_bm 工程里添加 test_gpio_irq() 函數(shù)調(diào)用即可（這里假定 GPIO_AD_B1_04 上的方波是由外部信號(hào)發(fā)生器提供的）：

void?GPIO1_Combined_16_31_IRQHandler(void)
{
????//?檢測(cè)到?GPIO_AD_B1_10?邊沿
????if?((GPIO1->ISR?&?(1U?<<?26))?&&?(GPIO1->IMR?&?(1U?<<?26)))
????{
????????GPIO_PortClearInterruptFlags(GPIO1,?1U?<<?26);
????????//?翻轉(zhuǎn)?GPIO_AD_B1_11?電平
????????GPIO_PortToggle(GPIO1,?1?<<?27);
????????__DSB();
????}
}

void?config_rc_in_gpio(void)
{
????//?配置?GPIO_AD_B1_10?為邊沿中斷輸入檢測(cè)模式
????gpio_pin_config_t?in_config?=?{?kGPIO_DigitalInput,?1,?kGPIO_NoIntmode?};
????IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_GPIO_AD_B1_10_GPIO1_IO26,?1);
????IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_GPIO_AD_B1_10_GPIO1_IO26,?0x011030U);
????GPIO_PinInit(GPIO1,?26,?&in_config);
????GPIO_SetPinInterruptConfig(GPIO1,?26,?kGPIO_IntRisingOrFallingEdge);
????EnableIRQ(GPIO1_Combined_16_31_IRQn);
????GPIO_PortEnableInterrupts(GPIO1,?1U?<<?26);
}

void?config_user_out_gpio(void)
{
????//?配置?GPIO_AD_B1_11?為普通輸出模式
????gpio_pin_config_t?out_config?=?{?kGPIO_DigitalOutput,?1,?kGPIO_NoIntmode?};
????IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_GPIO_AD_B1_11_GPIO1_IO27,?0);
????GPIO_PinInit(GPIO1,?27,?&out_config);
????GPIO_PinWrite(GPIO1,?27,?0U);
}

void?test_gpio_irq(void)
{?
????config_rc_in_gpio();
????config_user_out_gpio();
}

如果 GPIO_AD_B1_10 邊沿中斷檢測(cè)無誤，那么輸出的 GPIO_AD_B1_11 信號(hào)應(yīng)該是和原始輸入 GPIO_AD_B1_04 完全同頻的方波，而事實(shí)上客戶用示波器抓到的 GPIO_AD_B1_11 信號(hào)偶爾會(huì)出現(xiàn)如下情況，很顯然有邊沿中斷誤觸發(fā)的情況發(fā)生：

并且更有趣的是，這樣的測(cè)試僅在 lvgl_demo_widgets_bm 工程里能復(fù)現(xiàn)，而在普通 input_interrupt 工程下沒有任何問題。

Note1：在 lvgl_demo_widgets_bm 工程下出現(xiàn)的 GPIO 邊沿中斷誤觸發(fā)問題僅在增加 RC 電路時(shí)存在。Note2：在普通 input_interrupt 工程下即使增加 RC 電路，GPIO 邊沿中斷誤觸發(fā)問題也不存在。

二、問題復(fù)現(xiàn)

理論上分析 GPIO_AD_B1_10 引腳輸入的信號(hào)頻率是 500Hz，那么其邊沿中斷應(yīng)該是每 1ms 產(chǎn)生一次，而從上一節(jié)客戶抓取的 GPIO_AD_B1_11 實(shí)際信號(hào)反推，似乎有時(shí)候邊沿中斷在 10us 內(nèi)連續(xù)產(chǎn)生了兩次。

為了從軟件角度抓到這個(gè)中斷誤觸發(fā)現(xiàn)象，痞子衡稍微改了一下代碼，將 GPIO_AD_B1_04 上信號(hào)改為軟件輸出（在 SysTick 1ms 一次的中斷響應(yīng)里翻轉(zhuǎn)電平），并且用了兩個(gè)計(jì)數(shù)器 s_outputPinEdgeCount、s_inputRcPinIrqCount 來分別記錄 GPIO_AD_B1_04、GPIO_AD_B1_10 邊沿次數(shù)。如果邊沿中斷觸發(fā)無誤的話，這兩個(gè)計(jì)數(shù)器的值應(yīng)該是永遠(yuǎn)相等的，但是實(shí)際跑了一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn) s_inputRcPinIrqCount 會(huì)超過 s_outputPinEdgeCount，并且隨著時(shí)間累積，差距會(huì)越來越大。這說明邊沿中斷誤觸發(fā)現(xiàn)象是一直存在的。

volatile?uint32_t?s_inputRcPinIrqCount???=?0;
volatile?uint32_t?s_outputPinEdgeCount?=?0;

void?GPIO1_Combined_16_31_IRQHandler(void)
{
????//?檢測(cè)到?GPIO_AD_B1_10?邊沿
????if?((GPIO1->ISR?&?(1U?<<?26))?&&?(GPIO1->IMR?&?(1U?<<?26)))
????{
????????GPIO_PortClearInterruptFlags(GPIO1,?1U?<<?26);
????????//?計(jì)數(shù)?GPIO_AD_B1_10?邊沿
????????s_inputRcPinIrqCount++;
????????__DSB();
????}
}

void?config_rc_out_gpio(void)
{
????//?配置?GPIO_AD_B1_04?為普通輸出模式
????IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_GPIO_AD_B1_04_GPIO1_IO20,?0);
????GPIO_PinInit(GPIO1,?20,?&out_config);
????GPIO_PinWrite(GPIO1,?20,?0U);
}

void?test_gpio_irq(void)
{?
????config_rc_in_gpio();
????config_rc_out_gpio();
}

void?SysTick_Handler(void)
{
????//?計(jì)數(shù)?GPIO_AD_B1_04?邊沿
????s_outputPinEdgeCount++;
????GPIO_PortToggle(GPIO1,?1?<<?20);
????__DSB();

????//?原應(yīng)用代碼省略
}

三、問題定位

描述至此，你的第一反應(yīng)到底是哪里出了問題？痞子衡想你可能會(huì)覺得罪魁禍?zhǔn)资?RC 延時(shí)電路，它將標(biāo)準(zhǔn)的方波上升、下降過程變得平緩，導(dǎo)致信號(hào)電壓處于臨界區(qū)的時(shí)間變長(zhǎng)（極端情況下，對(duì)于高頻信號(hào)，可能會(huì)導(dǎo)致其一直處于臨界區(qū)），這個(gè)可能會(huì)影響 GPIO 電平跳變判定。既如此，我們先翻看一下 RT1050 的 datasheet，找到如下 GPIO DC 參數(shù)表，其高、低電平判定值分別是 70%、30% NVCC_XXXX，此外備注里說明了只要電平變化是單調(diào)的（隨著時(shí)間單向增大或減小），且轉(zhuǎn)換時(shí)間范圍在 0.1ns - 1s 內(nèi)均會(huì)被認(rèn)定為有效跳變。

這時(shí)候我們?cè)俑鶕?jù) RC 延時(shí)電路標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間常數(shù)公式 t = RC * 來推算（V1 電源電壓、V0 電容初始時(shí)刻電壓、 為 t 時(shí)刻電容電壓）。如果 NVCC 為 3.3V，那么上升沿時(shí)從 0V 充電到 2.31V 的時(shí)間是 12us，顯然這個(gè) 12us 充電時(shí)間對(duì)于 500Hz 的方波來說不足以影響其跳變判定。

有沒有方法能抓住這個(gè)異常邊沿中斷發(fā)生時(shí)，GPIO_AD_B1_10 信號(hào)當(dāng)時(shí)的波形狀態(tài)呢？當(dāng)然是可以的，我們可以再修改一下邊沿中斷處理函數(shù)代碼，在里面計(jì)算兩次中斷之間的 Tick 間隔，如果間隔 Tick 低于一定值，說明是誤觸發(fā)，此時(shí)翻轉(zhuǎn)一次 GPIO_AD_B1_11 電平用作標(biāo)記。

volatile?uint32_t?s_systickCurVal?=?0;
volatile?uint32_t?s_systickLastVal?=?0;
volatile?uint32_t?s_systickCurCount?=?0;
volatile?uint32_t?s_systickLastCount?=?0;
volatile?uint32_t?s_systickDeltaVal;

uint32_t?s_systickReloadVal?=?0;

void?GPIO1_Combined_16_31_IRQHandler(void)
{
?????/*?clear?the?interrupt?status?*/
????if?((GPIO1->ISR?&?(1U?<<?26))?&&?(GPIO1->IMR?&?(1U?<<?26)))
????{
????????s_systickCurVal?=?SysTick->VAL;
????????s_systickCurCount?=?s_outputPinEdgeCount;
????????GPIO_PortClearInterruptFlags(GPIO1,?1U?<<?26);
????????//?計(jì)算兩次中斷之間的?Tick?間隔
????????s_systickDeltaVal?=?(s_outputPinEdgeCount?-?s_systickLastCount)?*?s_systickReloadVal?+?s_systickLastVal?-?s_systickCurVal;
????????s_systickLastVal?=?s_systickCurVal;
????????s_systickLastCount?=?s_systickCurCount;
????????//?當(dāng)間隔?Tick?低于一定值時(shí)，說明是誤觸發(fā)，此時(shí)翻轉(zhuǎn)一次?GPIO_AD_B1_11?電平
????????if?(s_systickDeltaVal?<=?s_systickReloadVal?/?2)
????????{
????????????GPIO_PortToggle(GPIO1,?1?<<?27);
????????}
????????__DSB();
????}
}

int?main(void)
{
????//?應(yīng)用代碼省略...
????test_gpio_irq();

????s_systickReloadVal?=?SystemCoreClock?/?(LVGL_TICK_MS?*?1000U);
????s_inputRcPinIrqCount???=?0;
????s_systickLastVal?=?s_systickReloadVal;

????DEMO_SetupTick();
????//?應(yīng)用代碼省略...
}

如果用示波器以 GPIO_AD_B1_11 跳變?yōu)橛|發(fā)信號(hào)(ch2)，即能看到案發(fā)現(xiàn)場(chǎng) GPIO_AD_B1_10 狀態(tài)(ch1)，確實(shí)我們看到充放電時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)了短時(shí)脈沖波干擾（glitch），這個(gè)脈沖導(dǎo)致了電平變化不是單調(diào)的，因而產(chǎn)生了 GPIO 中斷誤觸發(fā)。本篇僅是定位問題，下一篇我們會(huì)具體分析這個(gè) glitch 是如何產(chǎn)生的！

至此，i.MXRT1050在GPIO上增加RC延時(shí)電路后導(dǎo)致邊沿中斷誤觸發(fā)問題探析（上篇）痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪里~~~