基于Mbed OS的HS3000传感器I2C通信读写故障排查

问题现象 #

使用Mbed OS在Arduino Nano 33 BLE Sense上通过I2C连接HS3000温湿度传感器时，读取"Who Am I"寄存器持续失败，代码输出如下：

I2C write error on 'Who Am I'!
I2C read error on 'Who Am I'!
Received from sensor: 0x97 0x01

代码片段 #

#include "mbed.h"
#include "USBSerial.h"
#include "I2C.h"

// Define memory-mapped GPIO registers for controlling the LEDs
#define DIRSET (uint32_t*) 0x50000514  // Set GPIO direction (Input/Output)
#define OUTSET (uint32_t*) 0x50000508  // Set LED Pin (Turn ON)
#define OUTCLR (uint32_t*) 0x5000050c  // Clear LED Pin (Turn OFF)

#define HUMIDITY_FLAG (1UL << 0)
#define TEMPERATURE_FLAG (1UL << 1)

//Ticker ticker;
EventFlags event_flags;
USBSerial serial;

void set_i2c_pullup(){
    *DIRSET |= (1 << 0);
    *OUTSET |= (1 << 0);
}

void ISR(){
    static bool toggle = true;
    if (toggle){
        event_flags.set(HUMIDITY_FLAG);
    }
    else{
        event_flags.set(TEMPERATURE_FLAG);
    }
    toggle = !toggle;
}

Mutex print_mutex;

I2C i2c(I2C_SDA1, I2C_SCL1);
const int HS3000_ADDR = 0x44 << 1;  // 0x44 shifted for 7-bit I2C address

int main(void){
    set_i2c_pullup();

    char who_am_i_addr[] = {0x1E};  // Register to read ID
    char who_am_i_data[2];

    if (i2c.write(HS3000_ADDR, who_am_i_addr, 1) != 0) {
        serial.printf("I2C write error on 'Who Am I'!\r\n");
    }
    ThisThread::sleep_for(200ms);

    if (i2c.read(HS3000_ADDR, who_am_i_data, 2) != 0) {
        serial.printf("I2C read error on 'Who Am I'!\r\n");
    }

    serial.printf("Received from sensor: 0x%02X 0x%02X\r\n", who_am_i_data[0], who_am_i_data[1]);

    //ticker.attach(&ISR, 1s);
    
    while(true){
        // Main loop
    }
}

设备配置 #

• 开发板：Arduino Nano 33 BLE Sense
• 传感器：HS3000温湿度传感器

HS3000手册关键信息 #

1. HS3xxx系列支持100kHz和400kHz I2C比特率
2. 默认7位I2C地址为0x44
3. 非易失性寄存器表：

已知问题细节 #

• 无编译错误
• 写入0x1E寄存器时触发I2C写入错误
• 读取传感器响应时触发I2C读取错误
• 读取到的ID为0x97 0x01，与预期不符
• 已初步检查接线，但可能存在疏漏

疑问 #

1. 问题是否由I2C地址或传感器通信配置导致？
2. 排查HS3000 I2C通信故障还有哪些步骤？

排查与解决方案 #

1. 确认I2C地址与通信模式 #

• 代码中HS3000_ADDR = 0x44 << 1的写法是正确的（Mbed OS的I2C API要求7位地址左移一位，包含读写位），但可以尝试直接使用7位地址让API自动处理：const int HS3000_ADDR = 0x44;，无需手动移位。
• 检查传感器ADDR引脚连接：HS3000默认地址为0x44，若ADDR接VDD会变为0x45，接GND保持0x44，确认硬件接线是否符合预期。

2. 修复I2C读写流程 #

HS3000要求寄存器地址写入与数据读取在同一个I2C事务中完成，分开的write和read操作会导致传感器丢失寄存器上下文，修改代码如下：

// 替换原有的write和read步骤
int ret = i2c.write(HS3000_ADDR, who_am_i_addr, 1, true); // true表示不释放总线
if (ret != 0) {
    serial.printf("I2C write error on 'Who Am I'!\r\n");
}
ret = i2c.read(HS3000_ADDR, who_am_i_data, 2);
if (ret != 0) {
    serial.printf("I2C read error on 'Who Am I'!\r\n");
}

3. 修正I2C总线配置 #

• 显式设置I2C速率匹配传感器：在set_i2c_pullup()后添加i2c.frequency(100000);（或尝试400kHz）。
• 修复无效的上拉配置：原set_i2c_pullup()操作的是Pin 0，而非I2C引脚，替换为：

void set_i2c_pullup(){
    DigitalOut sda_pull(I2C_SDA1, 1);
    DigitalOut scl_pull(I2C_SCL1, 1);
    sda_pull.mode(PullUp);
    scl_pull.mode(PullUp);
}

同时确认硬件上是否接了4.7kΩ的上拉电阻（I2C总线必须有上拉，部分开发板自带，若传感器模块未集成需外接）。

4. 硬件排查步骤 #

• 重新核对接线：SDA接D14、SCL接D15、VCC接3.3V（HS3000为3.3V器件，禁止接5V）、GND接开发板GND。
• 用万用表测量SDA/SCL引脚空闲电压，正常应接近3.3V，通信时会有波动。
• 更换传感器或开发板，排除硬件损坏可能。

5. 扫描I2C总线验证设备存在性 #

添加I2C扫描函数，确认传感器是否被检测到：

void scan_i2c() {
    serial.printf("Scanning I2C bus...\r\n");
    for (int addr = 0; addr < 128; addr++) {
        if (i2c.write(addr << 1, NULL, 0) == 0) {
            serial.printf("Found device at 0x%02X\r\n", addr);
        }
    }
}

在main函数中调用scan_i2c()，查看是否能扫到0x44地址的设备。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者MacKenna Bochnak