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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現上層控制算法，并向DSP芯片發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現精確、可靠的閉環控制。
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，提出了基于I2C總線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總線掛載多個DSP芯片TMS320F28015作為協控制器，構成整個控制系統的核心。
1.1 S3C2440及TMS320F28015簡介
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個通用I/O、24個外部中斷源以及豐富的外部接口能實現各種功能，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(以下簡稱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，能夠實現復雜的控制算法。片上整合了Flash存儲器、I2C總線模塊、快速的A/D轉換器、增強的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，此種整合能夠方便地實現功能的擴展。同時，快速的中斷響應使它能夠保護關鍵的寄存器并快速(更小的中斷延時)地響應外部異步事件。
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(數據線)和SCL(時鐘線)兩線連接每個帶有I2C總線接口的器件或模塊。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.多個微控制器可以通過I2C總線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器件。這種總線結構的連線和連接引腳少，器件間總線簡單，結構緊湊。因此其構成系統的成本較低，并且在總線上增加器件不會影響系統的正常工作，所有的I2C總線器件共用一套總線，因此其系統修改和可擴展性好。
總線必須由主機(通常為微控制器)控制，主機產生串行時鐘( SCL) 控制總線的數據傳輸，并產生起始和停止條件。SDA 線上的數據狀態僅在SCL為低電平的期間才能改變，SCL為高電平的期間，SDA 狀態的改變被用來表示起始和停止條件。I2C總線起始和停止時序如圖1所示。
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圖1 I2C總線起始和停止時序
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總線接口電路的設計變得十分簡單，只要將兩者的對應引腳I2C_CLK(對應I2C總線中的SCL線)和I2C_SDA(對應I2C總線中的DATA線)連接起來即可。S3C2440和TMS320F28015的硬件接口電路如圖2所示。
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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影響總線數據傳輸效果，因此在將兩塊芯片的I2C_DATA和I2C_CLK引腳直連時，在直連線路上各串聯一個小電阻。
I2C_SDA和I2C_CLK是雙向電路，必須都通過一個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,所以在硬件設計時將I2C_SDA和I2C_CLK總線通過上拉電阻連接到了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調度等方面有顯著優勢，可以很好地組織外圍器件采集的數據;主要實現對系統的整體控制，并通過總線設備驅動程序控制I2C總線模塊，通過主機尋址實現向I2C總線上掛載的下層DSP的數據收發。為保證數據通信的實時性，F28015通過中斷響應的方式實現數據接收和發送。
2.1 ARM9平臺的嵌入式Linux的I2C總線驅動設計
2.1.1 I2C總線讀寫時序
ARM9微控制器作為主機向從機DSP寫數據，首先向從機發送啟動信號，然后發送7位從機地址和1位寫標志位，再等待從機的應答信號。在收到應答信號后，主機發送數據給從機，再次等待應答信號。當主機收到應答信號之后再次發送數據。之后，主機等待從機的應答信號，如此直到數據發送完成，主機發送停止信號。I2C總線寫數據幀格式如圖3所示。
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圖3 I2C總線寫數據幀格式
主模式下讀數據，是指每次從指定的位置讀取一個或多個字節數據。主機首先向從機發送啟動信號，然后發送 7位從機地址和1位讀標志位，等待從機應答。當收到從機的應答信號后，主機準備接收從機發送的數據，接收完成后發送一個應答信號，如此直到數據接收完成，主機發送一個停止信號。圖4為I2C總線讀數據幀格式。
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圖4 I2C總線讀數據幀格式
2.1.2 Linux下I2C總線驅動程序概述
Linux系統的I2C總線驅動采用體系化結構設計，包括I2C總線適配器驅動和I2C總線設備驅動?？偩€驅動實現對I2C總線適配器(S3C2440的I2C總線模塊)的控制，設備驅動實現對具體設備(F28015的I2C總線模塊)的讀寫控制。圖5為總體驅動框架，可以分為三個層次：
① I2C框架。內核中i2c.h和i2c?core.c為I2C總線框架的主體，提供了核心數據結構的定義、I2C總線適配器驅動和設備驅動的注冊、注銷管理、I2C總線通信方法上層的、與具體適配器無關的代碼、檢測設備地址的上層代碼等。i2c?dev.c用于創建I2C總線適配器的設備節點，提供I2C總線設備訪問方法等。
?、?I2C總線適配器驅動。定義描述具體I2C總線適配器的數據結構，實現在具體I2C總線適配器上的I2C總線通信方法。
?、?I2C總線設備驅動。定義描述具體設備的數據結構，借助I2C總線框架的相關函數實現設備的注冊，并為用戶提供上層應用程序編程接口。
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圖5 總體驅動框架
Linux的I2C總線驅動框架中的主要數據結構包括： i2c_driver、i2c_client、i2c_adapter和 i2c_algorithm,它們被定義在內核中的i2c. h頭文件中。i2c_adapter對應于物理上的一個適配器，而i2c_algorithm對應一套通信方法，用來為適配器提供通信函數。i2c_algorithm中的關鍵函數master_xfer()用于產生I2C總線訪問周期需要的信號，以i2c_msg(即I2C總線消息)為單位。該結構體原型如下：
struct i2c_msg{
_ _u16 addr;/*設備地址*/
_ _u16 flags;/*標志*/
_ _u16 len;/*消息長度*/
_ _u8 *buf;/*消息數據*/
};
i2c_driver對應一套驅動方法，是用于輔助作用的數據結構。i2c_client對應于真實的物理設備，每個I2C總線設備都需要一個i2c_client來描述。i2c_adapter和i2c_client的關系與I2C總線硬件體系中適配器和設備關系一致，即i2c_client依附于i2c_adapter.
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圖6 設備驅動模塊加載流程
在Linux內核源代碼中drivers目錄下的i2c_dev.c文件，是通用的I2C總線設備驅動文件，為應用程序提供open()、write()、read )、ioctl()和close()等操作接口來訪問設備。應用層可以借用這些接口訪問掛接在適配器上的I2C總線設備的存儲空間或寄存器，并控制I2C總線設備的工作方式。
2.1.3 S3C2440的I2C總線驅動
設備驅動S3C2440內部的I2C總線控制器通過4個寄存器實現對通信的控制，分別是I2C控制寄存器(I2CCON)、I2C狀態寄存器(I2CSTAT)、I2C收發數據移位寄存器(I2CDS)、I2C地址寄存器(I2CADD)。
按照Linux中I2C總線框架要求，S3C2440的I2C總線驅動設計主要完成以下工作：設計i2c_adapter_s3c_init()模板加載函數和對應于i2c_adapter_s3c_exit()模板卸載函數;設計i2c_adapter_s3c_xfer()模板S3C2440適配器通信方法函數。
i2c_adapter_s3c_init()通過注冊s3c2440_i2c_driver結構體實現總線驅動的平臺注冊，s3c2440_i2c_driver結構體包含了具體適配器的probe()函數、remove()函數、resume()函數指針等信息。代碼如下：
static int _ _init i2c_adap_s3c_init(){
int ret;
ret=platform_driver_regisiter(&s3c2440_i2c_driver);//注冊platform_driver結構體
if(ret==0){//注冊失敗
ret=platform_driver_regisiter(&s3c2440_i2c_driver);
if(ret)
platform_driver_unregisiter (&s3c2440_i2c_driver);
}
return ret;
}
static struct platform_driver s3c2440_i2c_driver={
.probe=s3c24xx_i2c_probe,
.remove=s3c24xx_i2c_remove,
.resume=s3c24xx_i2c_resume,
.driver={
.owner=THIS MODULE,
.name="s3c2440?i2c",
},
} ;
完成了S3C2440的I2C總線適配器驅動注冊后，就可以將具體設備驅動注冊到該總線平臺上，實現I2C總線數據通信。i2c_dev.c文件是內核源碼提供的通用I2C總線設備驅動文件，針對每個I2C總線適配器生成一個主設備號為89的設備文件，設備驅動模塊加載流程如圖6所示。完成加載后，驅動提供i2cdev_read()、i2cdev_write()、i2cdev_ioctl()函數來對應用戶空間的read()、write()、ioctl()函數，供用戶使用。用戶通過這些接口函數實現I2C總線數據的讀寫功能。
2.2 DSP數據接收中斷程序設計
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圖7 I2C總線中斷服務程序流程
通過配置F28015的I2C模塊寄存器，設置I2C模塊為從工作方式，同時利用I2C總線中斷響應程序實現對總線上數據的接收和發送，進而完成數據通信。F28015產生了I2C總線中斷后，就執行中斷服務程序，圖7為I2C總線中斷服務程序流程。
中斷服務程序通過查詢狀態寄存器(I2CSTR)標志位，得出中斷類型碼，然后調用相應的子程序，完成數據接收發送。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接收和發送策略
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,發送數據已準備好
DataTransmit();//調用數據發送子函數接收數據
break;
default:
asm("ESTOP0"); //無效數據，則停止
}
PieCtrlRegs.PIEACK.all=PIEACK_GROUP8;
}
F28015中的數據接收子程序和數據發送子程序是在I2C總線的中斷服務程序中根據不同的狀態碼進行調用，它們是整個通信程序的核心部分。數據接收子程序和數據發送子程序的流程如圖8所示。
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圖8 數據接收和發送子程序
3 測試結果
測試結果顯示，芯片通過I2C總線接口完成了數據通信，具有良好的實時性和可靠性。
工商網監
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