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。

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。

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。