ARM/DSP多機I2C通信方案

引言

在很多嵌入式控制系統中，系統既要完成大量的信息采集和復雜的算法，又要實(shí)現精確的控制功能。采用運行有嵌入式Linux操作系統的ARM9微控制器完成信號采集及實(shí)現上層控制算法，并向DSP芯片發(fā)送上層算法得到控制參數，DSP芯片根據獲得的參數和下層控制算法實(shí)現精確、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(xiàn)的多機通信接口設計方法。測試結果驗證了該系統的可行性及可靠性，對嵌入式系統設計具有一定的借鑒價(jià)值。

1 多機系統組成

該多機控制系統以ARM9微控制器s3c2440為核心，采用I2C總線(xiàn)掛載多個(gè)DSP芯片TMS320F28015作為協(xié)控制器，構成整個(gè)控制系統的核心。

1.1 S3C2440及TMS320F28015簡(jiǎn)介

Samsung公司的處理器S3C2440是內部集成了ARM公司ARM920T處理器內核的32位微控制器，資源豐富，帶獨立的16 KB的指令Cache和16 KB數據Cache,最高主頻可達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)現各種功能，包括支持多主功能的I2C總線(xiàn)接口、3路URAT、2路SPI、攝像頭接口等。

TMS320F28015(以下簡(jiǎn)稱(chēng)F28015)是TI公司的32位處理器，它具有強大的控制和信號處理能力，能夠實(shí)現復雜的控制算法。片上整合了Flash存儲器、I2C總線(xiàn)模塊、快速的A/D轉換器、增強的CAN總線(xiàn)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，此種整合能夠方便地實(shí)現功能的擴展。同時(shí)，快速的中斷響應使它能夠保護關(guān)鍵的寄存器并快速(更小的中斷延時(shí))地響應外部異步事件。

1.2 I2C總線(xiàn)接口

I2C總線(xiàn)是一種用于IC器件之間連接的串行總線(xiàn)，采用SDA(數據線(xiàn))和SCL(時(shí)鐘線(xiàn))兩線(xiàn)連接每個(gè)帶有I2C總線(xiàn)接口的器件或模塊。串行的8位雙向數據傳輸率在標準模式下可達100 kb/s,快速模式下可達400 kb/s.多個(gè)微控制器可以通過(guò)I2C總線(xiàn)接口非常方便地連接在一起構成系統，并根據地址識別每個(gè)器件。這種總線(xiàn)結構的連線(xiàn)和連接引腳少，器件間總線(xiàn)簡(jiǎn)單，結構緊湊。因此其構成系統的成本較低，并且在總線(xiàn)上增加器件不會(huì )影響系統的正常工作，所有的I2C總線(xiàn)器件共用一套總線(xiàn)，因此其系統修改和可擴展性好。

總線(xiàn)必須由主機(通常為微控制器)控制，主機產(chǎn)生串行時(shí)鐘( SCL) 控制總線(xiàn)的數據傳輸，并產(chǎn)生起始和停止條件。SDA 線(xiàn)上的數據狀態(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(xiàn)起始和停止時(shí)序如圖1所示。

圖1 I2C總線(xiàn)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(xiàn)模塊，支持多主設備I2C總線(xiàn)串行接口，可以方便地掛接到I2C總線(xiàn)上。因此，兩者之間的I2C總線(xiàn)接口電路的設計變得十分簡(jiǎn)單，只要將兩者的對應引腳I2C_CLK(對應I2C總線(xiàn)中的SCL線(xiàn))和I2C_SDA(對應I2C總線(xiàn)中的DATA線(xiàn))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引腳分別對應I2C_SDA和I2C_CLK,而F28015的GPIO32和GPIO33也可以分別復用為I2C_SDA和I2C_CLK.考慮到阻抗不匹配等因素會(huì )影響總線(xiàn)數據傳輸效果，因此在將兩塊芯片的I2C_DATA和I2C_CLK引腳直連時(shí)，在直連線(xiàn)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,所以在硬件設計時(shí)將I2C_SDA和I2C_CLK總線(xiàn)通過(guò)上拉電阻連接到了3.3 V的VCC電源上。

2 ARM和DSP通信軟件設計

運行Linux操作系統的ARM微控制器作為主控制器，在數據管理及多任務(wù)調度等方面有顯著(zhù)優(yōu)勢，可以很好地組織外圍器件采集的數據;主要實(shí)現對系統的整體控制，并通過(guò)總線(xiàn)設備驅動(dòng)程序控制I2C總線(xiàn)模塊，通過(guò)主機尋址實(shí)現向I2C總線(xiàn)上掛載的下層DSP的數據收發(fā)。為保證數據通信的實(shí)時(shí)性，F28015通過(guò)中斷響應的方式實(shí)現數據接收和發(fā)送。

2.1 ARM9平臺的嵌入式Linux的I2C總線(xiàn)驅動(dòng)設計

2.1.1 I2C總線(xiàn)讀寫(xiě)時(shí)序

ARM9微控制器作為主機向從機DSP寫(xiě)數據，首先向從機發(fā)送啟動(dòng)信號，然后發(fā)送7位從機地址和1位寫(xiě)標志位，再等待從機的應答信號。在收到應答信號后，主機發(fā)送數據給從機，再次等待應答信號。當主機收到應答信號之后再次發(fā)送數據。之后，主機等待從機的應答信號，如此直到數據發(fā)送完成，主機發(fā)送停止信號。I2C總線(xiàn)寫(xiě)數據幀格式如圖3所示。