應用McBSP實現I2C總線控制器

作者Email: dick_ligg@sohu.com

摘 要:提出了在TMS320C6000系列DSP上應用McBSP實現I2C總線接口協(xié)議的方法，使DSP可以接入其他需要I2C總線配置的智能器件，系統(tǒng)結構簡單，硬件設計容易，資源消耗小。

關鍵字:I2C總線 GPIO McBSP DSP

1 引 言

TI公司的TMS320C6000[1,2]系列是高性能的DSP，可廣泛的用于XDSL、無線基站、數字圖像處理等方面。在進行數字圖像處理時，通常需要視頻解碼器諸如SAA7111A之類的模擬視頻前端，而大多數的視頻解碼器進行初始化通常是通過兩線的I2C總線接口，但是現在的DSP和MCU大部分都沒有I2C總線接口，在這種情況下我們可以應用兩個通用的IO線，通過軟件的方法來模擬I2C總線的協(xié)議，繼而完成I2C總線的接口。在TMS320C6000中通常都有兩個或兩個以上的多通道緩沖串行接口McBSP，McBSP不僅可以配制成串行接口還可以獨立的配制成通用的輸入（GPI）、輸出(GPO)和輸入輸出端口(GPIO)。

I2C[3]串行總線是用雙向數據線(SDA)和串行時鐘線(SCL)兩根信號線，在連接到該總線的器件之間傳送信息?？偩€上的每個器件均可設置一個唯一地址，然后根據所設的功能進行信息的發(fā)送或接收。除了作為發(fā)送器和接收器以外，在執(zhí)行數據傳輸時，總線的器件還可以設定為主控器和受控器。通常由主控器啟動總線上的數據傳輸，并產生數據傳輸所需的時鐘信號。而被其尋址的其它器件均為受控器，這意味著總線上可連接多個有控制總線的器件。

I2C總線上的數據傳輸率為100kbit／s，快速方式下可達400kbit／s。連接到總線上的器件數僅受400pF的總線電容的限制。同時，為了避免總線信號的混亂，要求連接到總線上的各器件輸出端必須是集電極開路或漏極開路，以便產生“線與”功能。I2C總線上的SDA和SCL線都是雙向傳輸線，它們可通過一個電阻連接到正電源端，當總線處于空閑狀態(tài)時，兩條線均為高電平。

2 硬件設計

I2C總線的硬件設計非常方便，只需要將SDA 和SCL連接即可，在I2C總線上只允許有一個主控器，其余的都是受控器。當節(jié)點的個數大于了400pF的限制時，可以通過總線驅動器如82B715來進行總線擴展。連接見圖1

3 軟件設計

3.1 McBSP的配置

I2C總線應用McBSP的兩個管腳，首先禁用McBSP功能以便將McBSP的管腳配制成GPI、GPO、GPIO。本文應用McBSP0的CLKX0作為I2C總線的SCL，FSX0作為I2C總線的SDA，McBSP的DX,DR，通常不能配置成I2C的SDA,因為SDA是雙向的,而DX,DR只能配制成單一的輸入或輸出。

配置代碼如下：

McBSP0_SPCR=0x00000000;//McBSP0 發(fā)送和接收復位
McBSP0_PCR=0x00003F00;// McBSP0的所有的管腳都配置為GPIO,CLKX0和FSX0為輸出
對于主機來說SCL總是輸出，所以它的方向是保持不變的，SCL應該輸出0，1作為接口的時鐘，為了實現此功能我們定義一個宏（MACROS）:SET_SCLHI( ) SET_SCLLO( )
#define Set_SCLHi( ) McBSP0_SPSA = PCR; McBSP0_SPSA |= 0x00000002
#define Set_SCLLo( ) McBSP0_SPSA = PCR; McBSP0_SPSA = 0Xfffffffd
I2C總線的數據線SDA當寫的時候是輸入，讀的時候是輸出。為了改變SDA的方向可以定義Set_SDADirOut( ) Set_SDADirIn( )
#define Set_SDADirOut( ) McBSP0_SPSA = PCR; McBSP0_SPSA | = 0x00000800
#define Set_SDADirIn( ) McBSP0_SPSA = PCR; McBSP0_SPSA = 0xFFFFF7FF
SDA應該依照數據位的0,1來變化，為了輸出1，0定義Set_SDAHi( ) Set_SDALo( )
#define Set_SDAHi( ) McBSP0_SPSA = PCR; McBSP0_SPSA |= 0x00000008
#define Set_SDALo( ) McBSP0_SPSA = PCR; McBSP0_SPSA = 0xFFFFFFF7
定義好之后可以模擬I2C總線的協(xié)議進行傳送，例如在SAA7111A上的I2C總線接口是用來對SAA7111A進行初始化用的，SCL的頻率可以從0到400KHZ，為了控制SCL的頻率可以應用DSP的TIMER0來控制。
當CPU為100MHZ時：
TCR = 0x00000010; // 停止 TIMER0 and TDDR=0
PRD = 6249; // TIMER0 rate = CPU-Frequency/(PDR+1) = 100MHz/6250 = 16kHz
...
TCR = 0xFFFFFFEF; // 開始 TIMER0

3．2 I2C總線協(xié)議編程

3．2．1 I2C總線協(xié)議讀寫數據流的編程

為了進行I2C總線的通訊，我們選用每位數據流4幀（FRAMES）,以便延遲和噪聲干擾最小，4幀每位的數據流保證了SDA不會變化在SCL的邊沿處，僅僅允許數據變化在FRAME0，讀僅在FRAME2。如圖2所示

I2C總線的寫程序如下

void I2CWrite(unsigned int WriteBit)
{Set_SDADirOut( ); // 設置SDA為輸出
switch(FrameCount)
{
case(0): // 起始幀
Set_SCLLo( ); // SCL 為 0
if (WriteBit == 0) // SDA = WriteBit
Set_SDALo( );
else
Set_SDAHi( );
break;
case(3): // 第4幀
Set_SCLLo( ); //
break;
default: // 在第2，3幀
Set_SCLHi( ); // SCL 為 1
}
FrameCount += 1; // 幀計數
if (FrameCount > 3)
{
FrameCount = 0;
BitIndex = (BitIndex >> 1); } // 準備下一個發(fā)送位
}
I2C總線的讀程序與寫程序很類似，只需要改變SDA為輸入即可。

3．2．2 I2C總線的開始位和停止位的編程

I2C總線的開始位和停止位有3幀產生，在I2C總線傳輸過程中，僅當總線空閑(SCL線和SDA線均為高電平)時，數據傳送才能開始，此時總線上的任何器件均可以控制總線。其中當SCL線為高電平且SDA線由高變低時為開始條件；而當SCL線為高電平且SDA線由低變高時為結束條件。如圖3所示

開始位：
void I2CSTA ( )
{ // I2C 開始位
Set_SDADirOut ( );//定義SDA為輸出
switch ( FrameCount )
{
case (1): // 第2幀
Set_SCLHi ( );
Set_SDALo( );
break;
case (2): // 第三幀
Set_SCLLo ( );
Set_SDALo( );
break;
default: // 第一幀
Set_SCLHi ( );
Set_SDAHi ( );
}
FrameCount += 1; // 幀計數
if ( FrameCount > 2 )
{
FrameCount = 0;
BitIndex = 0x0080; } // 定義的低8位
}
停止位的編程方法只需要按照上面所說的將SCL線為高電平且SDA線由低變高即可。
3．2．3 I2C總線的數據格式

起始位受控器件地址讀寫控制位0/1應答位數據應答位…停止位

I2C總線數據傳輸格式[3]如圖4。其中第一部分為數據傳輸起始信號，即由此開始進行數據傳送；第二部分為受控器地址，用來選擇向哪個受控器傳送數據；第三部分為讀／寫控制位，用于指示受控器的工作方式，0表示寫，1表示讀；第四部分是被主控器選中的受控器向主控器回傳的確認信號；第五部分是所傳送的數據，每傳送一個字節(jié)數據，都要求有一個應答位；第六部分是數據傳輸的結束信號。每個具有I2C總線接口的受控器件都有唯一固定的地址，當主控器發(fā)送數據時，I2C總線上掛接的受控器件都會將主控器發(fā)出的、位于起始信號后的8位地址信息與自己的地址進行比較，如果兩者相同，則認為該受控器件被選中，然后按照讀／寫位規(guī)定的工作方式接收或發(fā)送數據?？梢詰蒙厦娴某绦騺戆凑誌2C總線的數據格式進行數據傳送。

4 結論

應用DSP的McBSP來設計I2C總線接口，硬件接口簡單，調試方便，并且可以節(jié)省硬件的花費，此方法已經應用在基于DSP的圖像匹配機中，方法可行，并運行可靠。