基于多通道緩沖串口的虛擬I2C總線(xiàn)

電子設計應用2004年第9期

摘    要：本文提出一種用多通道緩沖串口(McBSP)完成I2C總線(xiàn)的虛擬方法，該方法簡(jiǎn)單可行、硬件成本低，并給出了該方法在智能交通控制系統(ITS)中的應用。
關(guān)鍵詞：I2C；McBSP；ITS

引言
很多器件都具有I2C總線(xiàn)，如串行EPROM、ADC等。另外，也已有很多外圍器件支持與I2C總線(xiàn)的接口，但不直接支持I2C總線(xiàn)，如多數MCU、DSP等，因而采用I/O口線(xiàn)虛擬I2C的方式成為一種通用解決方案。但大多數DSP器件直接支持的I/O口線(xiàn)較少，不能進(jìn)行直接的位操作，所以如何用DSP進(jìn)行I2C總線(xiàn)的虛擬是本文所要討論的問(wèn)題。通過(guò)使用高端DSP器件中都具有的McBSP成功地進(jìn)行了虛擬I2C總線(xiàn)的實(shí)現，并在一個(gè)ITS系統的控制模塊中得到應用。

I2C總線(xiàn)的數據傳送規范
I2C總線(xiàn)由串行數據線(xiàn)(SDA)和串行時(shí)鐘線(xiàn)(SCL)組成。通信時(shí)，所有具備I2C總線(xiàn)接口的器件都連接到這兩根線(xiàn)上，而且既可以發(fā)送數據也可以接收數據，但任意時(shí)刻只能有一個(gè)主控器件進(jìn)行I2C總線(xiàn)的控制，其他器件都為被控器件，它們分時(shí)占用總線(xiàn)。
I2C總線(xiàn)的數據傳送由主器件控制。首先由主器件發(fā)出開(kāi)始信號S，表示開(kāi)始啟動(dòng)數據傳輸。當SCL為高電平時(shí)，如果出現SDA的電平由高變低則視為S信號，然后主器件發(fā)送從器件的7位地址和讀寫(xiě)位R/W，接著(zhù)主器件將接收從器件的應答信號，如果收到正確的ACK，則進(jìn)行數據的傳送。數據傳送的方向由讀寫(xiě)位R/W的值確定 ，而且數據傳送為8位，高位在前，低位在后。不管是發(fā)送數據還是接收數據，在傳送完8位數據后，必須由接收數據的器件在SDA上發(fā)一個(gè)應答信號。最后當全部數據傳送完后，由主器件產(chǎn)生停止信號P，表示總線(xiàn)傳送結束。SCL線(xiàn)為高，SDA線(xiàn)由低電平變高電平時(shí)，視為停止信號P。由上可知，I2C總線(xiàn)數據傳輸采用了應答式的工作方式：即發(fā)送方發(fā)送數據后由接收方發(fā)送是否正確接收的應答信號，發(fā)送方以此作為是否繼續進(jìn)行數據傳送的判斷依據。

圖1 主器件數據發(fā)送流程

用McBSP虛擬I2C總線(xiàn)的實(shí)現
從前面的分析可以看出，I2C總線(xiàn)的數據傳輸主要是由主控器件控制，在SCL的控制下，按位傳送數據，也就是說(shuō)，要想完成對I2C總線(xiàn)的虛擬主要是完成主控器件I2C的實(shí)現。下面討論將TMS320C5410(以下簡(jiǎn)稱(chēng)5410)器件的McBSP配置為通用I/O口來(lái)虛擬I2C總線(xiàn)的實(shí)現方法。
McBSP配置為通用I/O口
作為主器件的I2C總線(xiàn)的兩條信號線(xiàn)中，SCL總是作為輸出，SDA根據需要配置成雙向的I/O口，考慮到虛擬總線(xiàn)的數據線(xiàn)方向，本文用McBSP的FSX和CLKX兩個(gè)信號線(xiàn)分別來(lái)虛擬I2C的SCL和SDA，其中FSX由于要作為SCL輸出引腳，配置為GPO，CLKX模擬SDA信號線(xiàn)，由于SDA信號線(xiàn)為雙向數據線(xiàn)，所以將CLKX配置為GPIO。McBSP配置為通用I/O口，主要涉及到McBSP的控制寄存器SPCR1、SPCR2和引腳控制寄存器PCR的設置。 PCR控制寄存器主要涉及到通用I/O口的方向控制，輸入/輸出的讀寫(xiě)等，其中所涉及到的控制位如下：CLKXM、FSXM控制CLKX和FSX的通用I/O口的方向。由于FSX總是作為輸出，所以FSXM=1；CLKX的方向設置，當作為虛擬SDA的輸出時(shí)，CLKXM=1，反之CLKXM=0；CLKXP、FSXP控制通用I/O的輸入/輸出電平值，當要往輸出I/O口送值時(shí)，它們作為輸出位寄存器，直接將要輸出的電平值寫(xiě)入對應的位中。當作為輸入I/O時(shí)，CLXP和FSXP里的值就反映了輸入引腳當前的電平狀態(tài)。

圖2 啟動(dòng)信號S的時(shí)序要求

圖3  虛擬I2C總線(xiàn)應用實(shí)例圖

McBSP虛擬I2C總線(xiàn)的軟件模塊實(shí)現
首先將McBSP配置為通用I/O口使用，必須禁用其緩沖串口的功能、開(kāi)啟通用I/O使能，所以將SPCR2控制寄存器中的XRST置0，將PCR控制寄存器中的XIOEN置1。
要實(shí)現I2C總線(xiàn)的數據傳輸，以主器件向從器件發(fā)送N字節數據為例，其通信流程如圖1所示， 一般需要包括以下幾個(gè)子程序模塊：
a. 啟動(dòng)位S和停止位P的發(fā)送
b. 從器件應答位ACK的判斷
c. 字節數據(或地址)的發(fā)送
下面給出啟動(dòng)位S發(fā)送子模塊的部分程序源碼，其它子程序模塊可以參照此程序修改。
啟動(dòng)位S發(fā)送子程序：
STM MCBSP_PCR_SUB_ ADDR,MCBSP0_SPSA
; 選擇PCR寄存器
         LD #2a00h,A
STLM A,MCBSP0_SPSD
; 設置CLKX為輸出口
         CALL XDELAY
         LD #2a00h,A
         ST #0002H,*AR3
         OR *AR3,A            
         STLM A,MCBSP0_SPSD  
; 置PCR中的CLKP位為1，引腳CLKX-SDA為高電平
         ST #0008H,*AR3
         LD #2a00h,A
         OR *AR3,A             
         STLM A,MCBSP0_SPSD    
; 置PCR中的FSXP位為1，引腳FSX-SCLK為高電平
         call delay_prg1       
;延時(shí)子程序delay_prg1
         ST #0FFFDH,*AR3
         AND *AR3,A
         STLM A,MCBSP0_SPSD
; 置PCR中的CLKP位為0，引腳CLKX-SDA為低電平
         call delay_prg2       
;延時(shí)子程序delay_prg2
         ST #0FFF7H,*AR3
         AND *AR3,A           
         STLM A,MCBSP0_SPSD    
; 置PCR中的FSXP位為1，引腳FSX-SCLK為高電平
         RET
需要注意的是，I2C總線(xiàn)協(xié)議對信號的時(shí)序要求有嚴格的規定，如對啟動(dòng)信號S的時(shí)序要求如圖2所示。即要求SDA信號在由高電平向低電平跳變時(shí)保持高電平時(shí)間至少為4.7ms，SCL信號在SDA信號由高電平向低電平跳變后必須保持高電平時(shí)間至少為4.0ms。啟動(dòng)位S發(fā)送子模塊的源代碼中的延時(shí)子程序delay_prg1、delay_prg2就是為了滿(mǎn)足對啟動(dòng)位S的時(shí)序要求。假設DSP器件的內部時(shí)鐘頻率為100MHz，則其單指令周期為0.01ms，就可以根據延時(shí)時(shí)序參數的要求計算出所需要的指令周期數。顯然子程序delay_prg1至少需要470個(gè)指令周期，delay_prg2則至少需要400個(gè)指令周期。

應用實(shí)例
在智能交通控制系統中用5410的0號緩沖串口實(shí)現了虛擬I2C總線(xiàn)，系統的硬件原理如圖3所示。系統由設置在某交通路口的攝像機提供交通視頻信號，由PHILIPS專(zhuān)用視頻采集芯片SAA7111完成圖像的實(shí)時(shí)采集，然后將8bit的圖像數據送至SRAM中緩存，并由DSP器件完成圖像處理算法，提取出相應的交通參數。SAA7111完成圖像采集首先必需通過(guò)I2C總線(xiàn)接口進(jìn)行器件內部一些控制寄存器的初始化設置，由于5410器件沒(méi)有專(zhuān)用的I2C總線(xiàn)接口，所以采用5410的McBSP0的FSX和CLKX引腳分別來(lái)虛擬I2C的SCL和SDA，實(shí)現了對SAA7111的初始化配置。
SAA7111控制寄存器初始化配置的過(guò)程就是DSP主器件向SAA7111從器件中的控制寄存器寫(xiě)配置數據的過(guò)程。SAA7111中涉及到的控制寄存器由00h~1Fh的寄存器基地址尋址，主器件發(fā)送配置數據的過(guò)程如表1所示。
采用這種方式對00h~1Fh的寄存器尋址時(shí)，必須向SAA7111分別傳送這些地址字節，這個(gè)過(guò)程是非常繁瑣的。I2C總線(xiàn)接口的外圍器件中，如出現這種器件內部需要尋址多個(gè)地址空間時(shí)，總線(xiàn)數據的讀寫(xiě)操作具有地址自動(dòng)加一的功能，這樣就簡(jiǎn)化了I2C總線(xiàn)的外部尋址，這種尋址方式下的主器件控制數據寫(xiě)流程如表2所示。
  
結語(yǔ)
本文采用DSP的McBSP來(lái)虛擬I2C總線(xiàn)接口，先將McBSP配置為通用I/O口，再對這些通用I/O口進(jìn)行I2C總線(xiàn)數據傳輸的位操作，解決了DSP器件無(wú)法方便地進(jìn)行位操作的問(wèn)題，硬件接口簡(jiǎn)單，調試方便，并且可以節省硬件的花費，此方法已經(jīng)應用于ITS系統中，方法可行，并運行可靠，為相關(guān)問(wèn)題的解決作出了成功的嘗試?！?/p>

參考文獻
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