基于Linux操作系統(tǒng)的ARM/DSP多機(jī)I2C通信設(shè)計(jì)方案
引言
在很多嵌入式控制系統(tǒng)中,系統(tǒng)既要完成大量的信息采集和復(fù)雜的算法,又要實(shí)現(xiàn)精確的控制功能。采用運(yùn)行有嵌入式Linux操作系統(tǒng)的ARM9微控制器完成信號采集及實(shí)現(xiàn)上層控制算法,并向DSP芯片發(fā)送上層算法得到控制參數(shù),DSP芯片根據(jù)獲得的參數(shù)和下層控制算法實(shí)現(xiàn)精確、可靠的閉環(huán)控制。
1 多機(jī)系統(tǒng)組成
該多機(jī)控制系統(tǒng)以ARM9微控制器s3c2440為核心,采用I2C總線掛載多個(gè)DSP芯片TMS320F28015作為協(xié)控制器,構(gòu)成整個(gè)控制系統(tǒng)的核心。
1.1 S3C2440及TMS320F28015簡介
Samsung公司的處理器S3C2440是內(nèi)部集成了ARM公司ARM920T處理器內(nèi)核的32位微控制器,資源豐富,帶獨(dú)立的16 KB的指令Cache和16 KB數(shù)據(jù)Cache,最高主頻可達(dá)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(xiàn)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(qiáng)大的控制和信號處理能力,能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)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(zhuǎn)換器、增強(qiáng)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(shè),此種整合能夠方便地實(shí)現(xiàn)功能的擴(kuò)展。同時(shí),快速的中斷響應(yīng)使它能夠保護(hù)關(guān)鍵的寄存器并快速(更小的中斷延時(shí))地響應(yīng)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(shù)據(jù)線)和SCL(時(shí)鐘線)兩線連接每個(gè)帶有I2C總線接口的器件或模塊。串行的8位雙向數(shù)據(jù)傳輸率在標(biāo)準(zhǔn)模式下可達(dá)100 kb/s,快速模式下可達(dá)400 kb/s.多個(gè)微控制器可以通過I2C總線接口非常方便地連接在一起構(gòu)成系統(tǒng),并根據(jù)地址識別每個(gè)器件。這種總線結(jié)構(gòu)的連線和連接引腳少,器件間總線簡單,結(jié)構(gòu)緊湊。因此其構(gòu)成系統(tǒng)的成本較低,并且在總線上增加器件不會影響系統(tǒng)的正常工作,所有的I2C總線器件共用一套總線,因此其系統(tǒng)修改和可擴(kuò)展性好。
總線必須由主機(jī)(通常為微控制器)控制,主機(jī)產(chǎn)生串行時(shí)鐘( SCL) 控制總線的數(shù)據(jù)傳輸,并產(chǎn)生起始和停止條件。SDA 線上的數(shù)據(jù)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)的改變被用來表示起始和停止條件。I2C總線起始和停止時(shí)序如圖1所示。
圖1 I2C總線起始和停止時(shí)序
1.3 硬件電路
S3C2440和F28015自身均集成了I2C總線模塊,支持多主設(shè)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(shè)計(jì)變得十分簡單,只要將兩者的對應(yīng)引腳I2C_CLK(對應(yīng)I2C總線中的SCL線)和I2C_SDA(對應(yīng)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(yīng)I2C_SDA和I2C_CLK,而F28015的GPIO32和GPIO33也可以分別復(fù)用為I2C_SDA和I2C_CLK.考慮到阻抗不匹配等因素會影響總線數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)時(shí)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(shè)計(jì)
運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)的ARM微控制器作為主控制器,在數(shù)據(jù)管理及多任務(wù)調(diào)度等方面有顯著優(yōu)勢,可以很好地組織外圍器件采集的數(shù)據(jù);主要實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的整體控制,并通過總線設(shè)備驅(qū)動程序控制I2C總線模塊,通過主機(jī)尋址實(shí)現(xiàn)向I2C總線上掛載的下層DSP的數(shù)據(jù)收發(fā)。為保證數(shù)據(jù)通信的實(shí)時(shí)性,F(xiàn)28015通過中斷響應(yīng)的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收和發(fā)送。
2.1 ARM9平臺的嵌入式Linux的I2C總線驅(qū)動設(shè)計(jì)
2.1.1 I2C總線讀寫時(shí)序
ARM9微控制器作為主機(jī)向從機(jī)DSP寫數(shù)據(jù),首先向從機(jī)發(fā)送啟動信號,然后發(fā)送7位從機(jī)地址和1位寫標(biāo)志位,再等待從機(jī)的應(yīng)答信號。在收到應(yīng)答信號后,主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)給從機(jī),再次等待應(yīng)答信號。當(dāng)主機(jī)收到應(yīng)答信號之后再次發(fā)送數(shù)據(jù)。之后,主機(jī)等待從機(jī)的應(yīng)答信號,如此直到數(shù)據(jù)發(fā)送完成,主機(jī)發(fā)送停止信號。I2C總線寫數(shù)據(jù)幀格式如圖3所示。
圖3 I2C總線寫數(shù)據(jù)幀格式
主模式下讀數(shù)據(jù),是指每次從指定的位置讀取一個(gè)或多個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)。主機(jī)首先向從機(jī)發(fā)送啟動信號,然后發(fā)送 7位從機(jī)地址和1位讀標(biāo)志位,等待從機(jī)應(yīng)答。當(dāng)收到從機(jī)的應(yīng)答信號后,主機(jī)準(zhǔn)備接收從機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù),接收完成后發(fā)送一個(gè)應(yīng)答信號,如此直到數(shù)據(jù)接收完成,主機(jī)發(fā)送一個(gè)停止信號。圖4為I2C總線讀數(shù)據(jù)幀格式。
圖4 I2C總線讀數(shù)據(jù)幀格式
2.1.2 Linux下I2C總線驅(qū)動程序概述
Linux系統(tǒng)的I2C總線驅(qū)動采用體系化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),包括I2C總線適配器驅(qū)動和I2C總線設(shè)備驅(qū)動??偩€驅(qū)動實(shí)現(xiàn)對I2C總線適配器(S3C2440的I2C總線模塊)的控制,設(shè)備驅(qū)動實(shí)現(xiàn)對具體設(shè)備(F28015的I2C總線模塊)的讀寫控制。圖5為總體驅(qū)動框架,可以分為三個(gè)層次:
① I2C框架。內(nèi)核中i2c.h和i2c?core.c為I2C總線框架的主體,提供了核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義、I2C總線適配器驅(qū)動和設(shè)備驅(qū)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(guān)的代碼、檢測設(shè)備地址的上層代碼等。i2c?dev.c用于創(chuàng)建I2C總線適配器的設(shè)備節(jié)點(diǎn),提供I2C總線設(shè)備訪問方法等。
② I2C總線適配器驅(qū)動。定義描述具體I2C總線適配器的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)在具體I2C總線適配器上的I2C總線通信方法。
?、?I2C總線設(shè)備驅(qū)動。定義描述具體設(shè)備的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),借助I2C總線框架的相關(guān)函數(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的注冊,并為用戶提供上層應(yīng)用程序編程接口。
圖5 總體驅(qū)動框架
Linux的I2C總線驅(qū)動框架中的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括: i2c_driver、i2c_client、i2c_adapter和 i2c_algorithm,它們被定義在內(nèi)核中的i2c. h頭文件中。i2c_adapter對應(yīng)于物理上的一個(gè)適配器,而i2c_algorithm對應(yīng)一套通信方法,用來為適配器提供通信函數(shù)。i2c_algorithm中的關(guān)鍵函數(shù)master_xfer()用于產(chǎn)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(jié)構(gòu)體原型如下:
struct i2c_msg{
_ _u16 addr;/*設(shè)備地址*/
_ _u16 flags;/*標(biāo)志*/
_ _u16 len;/*消息長度*/
_ _u8 *buf;/*消息數(shù)據(jù)*/
};
i2c_driver對應(yīng)一套驅(qū)動方法,是用于輔助作用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。i2c_client對應(yīng)于真實(shí)的物理設(shè)備,每個(gè)I2C總線設(shè)備都需要一個(gè)i2c_client來描述。i2c_adapter和i2c_client的關(guān)系與I2C總線硬件體系中適配器和設(shè)備關(guān)系一致,即i2c_client依附于i2c_adapter.
圖6 設(shè)備驅(qū)動模塊加載流程
在Linux內(nèi)核源代碼中drivers目錄下的i2c_dev.c文件,是通用的I2C總線設(shè)備驅(qū)動文件,為應(yīng)用程序提供open()、write()、read )、ioctl()和close()等操作接口來訪問設(shè)備。應(yīng)用層可以借用這些接口訪問掛接在適配器上的I2C總線設(shè)備的存儲空間或寄存器,并控制I2C總線設(shè)備的工作方式。
2.1.3 S3C2440的I2C總線驅(qū)動
設(shè)備驅(qū)動S3C2440內(nèi)部的I2C總線控制器通過4個(gè)寄存器實(shí)現(xiàn)對通信的控制,分別是I2C控制寄存器(I2CCON)、I2C狀態(tài)寄存器(I2CSTAT)、I2C收發(fā)數(shù)據(jù)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(qū)動設(shè)計(jì)主要完成以下工作:設(shè)計(jì)i2c_adapter_s3c_init()模板加載函數(shù)和對應(yīng)于i2c_adapter_s3c_exit()模板卸載函數(shù);設(shè)計(jì)i2c_adapter_s3c_xfer()模板S3C2440適配器通信方法函數(shù)。
i2c_adapter_s3c_init()通過注冊s3c2440_i2c_driver結(jié)構(gòu)體實(shí)現(xiàn)總線驅(qū)動的平臺注冊,s3c2440_i2c_driver結(jié)構(gòu)體包含了具體適配器的probe()函數(shù)、remove()函數(shù)、resume()函數(shù)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(jié)構(gòu)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(qū)動注冊后,就可以將具體設(shè)備驅(qū)動注冊到該總線平臺上,實(shí)現(xiàn)I2C總線數(shù)據(jù)通信。i2c_dev.c文件是內(nèi)核源碼提供的通用I2C總線設(shè)備驅(qū)動文件,針對每個(gè)I2C總線適配器生成一個(gè)主設(shè)備號為89的設(shè)備文件,設(shè)備驅(qū)動模塊加載流程如圖6所示。完成加載后,驅(qū)動提供i2cdev_read()、i2cdev_write()、i2cdev_ioctl()函數(shù)來對應(yīng)用戶空間的read()、write()、ioctl()函數(shù),供用戶使用。用戶通過這些接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)I2C總線數(shù)據(jù)的讀寫功能。
2.2 DSP數(shù)據(jù)接收中斷程序設(shè)計(jì)
圖7 I2C總線中斷服務(wù)程序流程
通過配置F28015的I2C模塊寄存器,設(shè)置I2C模塊為從工作方式,同時(shí)利用I2C總線中斷響應(yīng)程序?qū)崿F(xiàn)對總線上數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送,進(jìn)而完成數(shù)據(jù)通信。F28015產(chǎn)生了I2C總線中斷后,就執(zhí)行中斷服務(wù)程序,圖7為I2C總線中斷服務(wù)程序流程。
中斷服務(wù)程序通過查詢狀態(tài)寄存器(I2CSTR)標(biāo)志位,得出中斷類型碼,然后調(diào)用相應(yīng)的子程序,完成數(shù)據(jù)接收發(fā)送。代碼如下:
interrupt void i2c_int1a_isr(void) {//I2CA的中斷響應(yīng)函數(shù)
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(shù)據(jù)已準(zhǔn)備好
DataReceive();//調(diào)用數(shù)據(jù)接收子函數(shù)接收數(shù)據(jù)
break;
case I2C_TX_ISRC://=5,發(fā)送數(shù)據(jù)已準(zhǔn)備好
DataTransmit();//調(diào)用數(shù)據(jù)發(fā)送子函數(shù)接收數(shù)據(jù)
break;
default:
asm(“ESTOP0”); //無效數(shù)據(jù),則停止
}
PieCtrlRegs.PIEACK.all=PIEACK_GROUP8;
}
F28015中的數(shù)據(jù)接收子程序和數(shù)據(jù)發(fā)送子程序是在I2C總線的中斷服務(wù)程序中根據(jù)不同的狀態(tài)碼進(jìn)行調(diào)用,它們是整個(gè)通信程序的核心部分。數(shù)據(jù)接收子程序和數(shù)據(jù)發(fā)送子程序的流程如圖8所示。
圖8 數(shù)據(jù)接收和發(fā)送子程序
3 測試結(jié)果
通過NFS文件系統(tǒng)將編譯成模塊的I2C的總線驅(qū)動和設(shè)備驅(qū)動加載到運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)的S3C2440平臺上(先加載總線驅(qū)動),再將F28015的測試程序燒寫到RAM中。運(yùn)行F28015等待I2C總線上的數(shù)據(jù),再執(zhí)行Linux系統(tǒng)中的I2C總線測試程序。測試結(jié)果顯示,芯片通過I2C總線接口完成了數(shù)據(jù)通信,具有良好的實(shí)時(shí)性和可靠性。
4 結(jié)論
該設(shè)計(jì)利用I2C總線實(shí)現(xiàn)了ARM9微控制器與DSP芯片間實(shí)時(shí)可靠的數(shù)據(jù)通信。ARM9微控制器結(jié)合Linux操作系統(tǒng)作為上層控制核心,DSP芯片實(shí)現(xiàn)下層控制算法,可充分發(fā)揮ARM9微控制器在數(shù)據(jù)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(xiàn)和底層控制的長處。