ARM/DSP多機(jī)I2C通信方案

引言

在很多嵌入式控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)既要完成大量的信息采集和復(fù)雜的算法，又要實(shí)現(xiàn)精確的控制功能。采用運(yùn)行有嵌入式Linux操作系統(tǒng)的ARM9微控制器完成信號(hào)采集及實(shí)現(xiàn)上層控制算法，并向DSP芯片發(fā)送上層算法得到控制參數(shù)，DSP芯片根據(jù)獲得的參數(shù)和下層控制算法實(shí)現(xiàn)精確、可靠的閉環(huán)控制。

本文以Samsung公司的ARM9芯片S3C2440和TI公司的DSP芯片TMS320F28015為例，分析了I2C通信接口的原理及特點(diǎn)，提出了基于I2C總線的多機(jī)通信接口設(shè)計(jì)方法。測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性及可靠性，對(duì)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定的借鑒價(jià)值。

1 多機(jī)系統(tǒng)組成

該多機(jī)控制系統(tǒng)以ARM9微控制器s3c2440為核心，采用I2C總線掛載多個(gè)DSP芯片TMS320F28015作為協(xié)控制器，構(gòu)成整個(gè)控制系統(tǒng)的核心。

1.1 S3C2440及TMS320F28015簡(jiǎn)介

Samsung公司的處理器S3C2440是內(nèi)部集成了ARM公司ARM920T處理器內(nèi)核的32位微控制器，資源豐富，帶獨(dú)立的16 KB的指令Cache和16 KB數(shù)據(jù)Cache,最高主頻可達(dá)400 MHz.它擁有130個(gè)通用I/O、24個(gè)外部中斷源以及豐富的外部接口能實(shí)現(xiàn)各種功能，包括支持多主功能的I2C總線接口、3路URAT、2路SPI、攝像頭接口等。

TMS320F28015(以下簡(jiǎn)稱F28015)是TI公司的32位處理器，它具有強(qiáng)大的控制和信號(hào)處理能力，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的控制算法。片上整合了Flash存儲(chǔ)器、I2C總線模塊、快速的A/D轉(zhuǎn)換器、增強(qiáng)的CAN總線模塊、事件管理器、正交編碼電路接口及多通道緩沖串口等外設(shè)，此種整合能夠方便地實(shí)現(xiàn)功能的擴(kuò)展。同時(shí)，快速的中斷響應(yīng)使它能夠保護(hù)關(guān)鍵的寄存器并快速(更小的中斷延時(shí))地響應(yīng)外部異步事件。

1.2 I2C總線接口

I2C總線是一種用于IC器件之間連接的串行總線，采用SDA(數(shù)據(jù)線)和SCL(時(shí)鐘線)兩線連接每個(gè)帶有I2C總線接口的器件或模塊。串行的8位雙向數(shù)據(jù)傳輸率在標(biāo)準(zhǔn)模式下可達(dá)100 kb/s,快速模式下可達(dá)400 kb/s.多個(gè)微控制器可以通過(guò)I2C總線接口非常方便地連接在一起構(gòu)成系統(tǒng)，并根據(jù)地址識(shí)別每個(gè)器件。這種總線結(jié)構(gòu)的連線和連接引腳少，器件間總線簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊。因此其構(gòu)成系統(tǒng)的成本較低，并且在總線上增加器件不會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作，所有的I2C總線器件共用一套總線，因此其系統(tǒng)修改和可擴(kuò)展性好。

總線必須由主機(jī)(通常為微控制器)控制，主機(jī)產(chǎn)生串行時(shí)鐘( SCL) 控制總線的數(shù)據(jù)傳輸，并產(chǎn)生起始和停止條件。SDA 線上的數(shù)據(jù)狀態(tài)僅在SCL為低電平的期間才能改變，SCL為高電平的期間，SDA 狀態(tài)的改變被用來(lái)表示起始和停止條件。I2C總線起始和停止時(shí)序如圖1所示。

圖1 I2C總線起始和停止時(shí)序

1.3 硬件電路

S3C2440和F28015自身均集成了I2C總線模塊，支持多主設(shè)備I2C總線串行接口，可以方便地掛接到I2C總線上。因此，兩者之間的I2C總線接口電路的設(shè)計(jì)變得十分簡(jiǎn)單，只要將兩者的對(duì)應(yīng)引腳I2C_CLK(對(duì)應(yīng)I2C總線中的SCL線)和I2C_SDA(對(duì)應(yīng)I2C總線中的DATA線)連接起來(lái)即可。S3C2440和TMS320F28015的硬件接口電路如圖2所示。

圖2 S3C2440和TMS320F28015的硬件接口

電路S3C2440的PA55和PA56引腳分別對(duì)應(yīng)I2C_SDA和I2C_CLK,而F28015的GPIO32和GPIO33也可以分別復(fù)用為I2C_SDA和I2C_CLK.考慮到阻抗不匹配等因素會(huì)影響總線數(shù)據(jù)傳輸效果，因此在將兩塊芯片的I2C_DATA和I2C_CLK引腳直連時(shí)，在直連線路上各串聯(lián)一個(gè)小電阻。

I2C_SDA和I2C_CLK是雙向電路，必須都通過(guò)一個(gè)電流源或上拉電阻連接到正電源電壓上。由于S3C2440和F28015的輸出高電平均為3.3 V,所以在硬件設(shè)計(jì)時(shí)將I2C_SDA和I2C_CLK總線通過(guò)上拉電阻連接到了3.3 V的VCC電源上。

2 ARM和DSP通信軟件設(shè)計(jì)

運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)的ARM微控制器作為主控制器，在數(shù)據(jù)管理及多任務(wù)調(diào)度等方面有顯著優(yōu)勢(shì)，可以很好地組織外圍器件采集的數(shù)據(jù);主要實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的整體控制，并通過(guò)總線設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序控制I2C總線模塊，通過(guò)主機(jī)尋址實(shí)現(xiàn)向I2C總線上掛載的下層DSP的數(shù)據(jù)收發(fā)。為保證數(shù)據(jù)通信的實(shí)時(shí)性，F(xiàn)28015通過(guò)中斷響應(yīng)的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收和發(fā)送。

2.1 ARM9平臺(tái)的嵌入式Linux的I2C總線驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

2.1.1 I2C總線讀寫時(shí)序

ARM9微控制器作為主機(jī)向從機(jī)DSP寫數(shù)據(jù)，首先向從機(jī)發(fā)送啟動(dòng)信號(hào)，然后發(fā)送7位從機(jī)地址和1位寫標(biāo)志位，再等待從機(jī)的應(yīng)答信號(hào)。在收到應(yīng)答信號(hào)后，主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)給從機(jī)，再次等待應(yīng)答信號(hào)。當(dāng)主機(jī)收到應(yīng)答信號(hào)之后再次發(fā)送數(shù)據(jù)。之后，主機(jī)等待從機(jī)的應(yīng)答信號(hào)，如此直到數(shù)據(jù)發(fā)送完成，主機(jī)發(fā)送停止信號(hào)。I2C總線寫數(shù)據(jù)幀格式如圖3所示。