ARM9微控制器如何實(shí)現上層控制算法解析方案
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引言
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/202368.htm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。
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。
通過(guò)配置F28015的I2C模塊寄存器，設置I2C模塊為從工作方式，同時(shí)利用I2C總線(xiàn)中斷響應程序實(shí)現對總線(xiàn)上數據的接收和發(fā)送，進(jìn)而完成數據通信。F28015產(chǎn)生了I2C總線(xiàn)中斷后，就執行中斷服務(wù)程序，圖7為I2C總線(xiàn)中斷服務(wù)程序流程。
中斷服務(wù)程序通過(guò)查詢(xún)狀態(tài)寄存器(I2CSTR)標志位，得出中斷類(lèi)型碼，然后調用相應的子程序，完成數據接收發(fā)送。代碼如下：
interrupt void i2c_int1a_isr(void) {//I2CA的中斷響應函數
Uint16 IntSource;// 讀取中斷碼
IntSource=I2caRegs.I2CISRC.bit.INTCODE 0x7;//I2CA中斷源，讀后3位
switch(IntSource){//依中斷源而確定相關(guān)接收和發(fā)送策略
case I2C_NO_ISRC://=0
case I2C_ARB_ISRC://=1
case I2C_NACK_ISRC： //=2
case I2C_ARDY_ISRC： //=3
case I2C_SCD_ISRC://=6
case I2C_AAS_ISRC://=7
break;
case I2C_RX_ISRC://=4，接收數據已準備好
DataReceive();//調用數據接收子函數接收數據
break;
case I2C_TX_ISRC://=5，發(fā)送數據已準備好
DataTransmit();//調用數據發(fā)送子函數接收數據
break;
default：
asm(“ESTOP0”); //無(wú)效數據，則停止
}
PieCtrlRegs.PIEACK.all=PIEACK_GROUP8;
}
F28015中的數據接收子程序和數據發(fā)送子程序是在I2C總線(xiàn)的中斷服務(wù)程序中根據不同的狀態(tài)碼進(jìn)行調用，它們是整個(gè)通信程序的核心部分。數據接收子程序和數據發(fā)送子程序的流程如圖8所示。
圖8 數據接收和發(fā)送子程序
3 測試結果
通過(guò)NFS文件系統將編譯成模塊的I2C的總線(xiàn)驅動(dòng)和設備驅動(dòng)加載到運行Linux操作系統的S3C2440平臺上(先加載總線(xiàn)驅動(dòng))，再將F28015的測試程序燒寫(xiě)到RAM中。運行F28015等待I2C總線(xiàn)上的數據，再執行Linux系統中的I2C總線(xiàn)測試程序。測試結果顯示，芯片通過(guò)I2C總線(xiàn)接口完成了數據通信，具有良好的實(shí)時(shí)性和可靠性。
4 結論
該設計利用I2C總線(xiàn)實(shí)現了ARM9微控制器與DSP芯片間實(shí)時(shí)可靠的數據通信。ARM9微控制器結合Linux操作系統作為上層控制核心，DSP芯片實(shí)現下層控制算法，可充分發(fā)揮ARM9微控制器在數據采集和任務(wù)管理等方面的優(yōu)勢以及DSP芯片在算法實(shí)現和底層控制的長(cháng)處。
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