基于嵌入式Linux的ARM／DSP多機I2C通信

摘要：在高性能嵌入式控制系統中，運行嵌入式Linux操作系統的主機ARM和DSP實現主從控制的設計方案具有顯著優勢，并獲得廣泛運用。而實現ARM與DSP之間的可靠通信是其關鍵技術之一。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。
關鍵詞：ARM9；DSP；I2C通信；Linux

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。

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Fl ash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。

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。

S3C2440的PA55和PA56引腳分別塒應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3．3V的VCC電源上。