基于多通道緩沖串口的虛擬I2C總線

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總線的虛擬方法，該方法簡單可行、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。
關鍵詞：I2C；McBSP；ITS

引言
很多器件都具有I2C總線，如串行EPROM、ADC等。另外，也已有很多外圍器件支持與I2C總線的接口，但不直接支持I2C總線，如多數MCU、DSP等，因而采用I/O口線虛擬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口線較少，不能進行直接的位操作，所以如何用DSP進行I2C總線的虛擬是本文所要討論的問題。通過使用高端DSP器件中都具有的McBSP成功地進行了虛擬I2C總線的實現，并在一個ITS系統的控制模塊中得到應用。

I2C總線的數據傳送規范
I2C總線由串行數據線(SDA)和串行時鐘線(SCL)組成。通信時，所有具備I2C總線接口的器件都連接到這兩根線上，而且既可以發送數據也可以接收數據，但任意時刻只能有一個主控器件進行I2C總線的控制，其他器件都為被控器件，它們分時占用總線。
I2C總線的數據傳送由主器件控制。首先由主器件發出開始信號S，表示開始啟動數據傳輸。當SCL為高電平時，如果出現SDA的電平由高變低則視為S信號，然后主器件發送從器件的7位地址和讀寫位R/W，接著主器件將接收從器件的應答信號，如果收到正確的ACK，則進行數據的傳送。數據傳送的方向由讀寫位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上發一個應答信號。最后當全部數據傳送完后，由主器件產生停止信號P，表示總線傳送結束。SCL線為高，SDA線由低電平變高電平時，視為停止信號P。由上可知，I2C總線數據傳輸采用了應答式的工作方式：即發送方發送數據后由接收方發送是否正確接收的應答信號，發送方以此作為是否繼續進行數據傳送的判斷依據。

圖1 主器件數據發送流程

用McBSP虛擬I2C總線的實現
從前面的分析可以看出，I2C總線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，要想完成對I2C總線的虛擬主要是完成主控器件I2C的實現。下面討論將TMS320C5410(以下簡稱5410)器件的McBSP配置為通用I/O口來虛擬I2C總線的實現方法。
McBSP配置為通用I/O口
作為主器件的I2C總線的兩條信號線中，SCL總是作為輸出，SDA根據需要配置成雙向的I/O口，考慮到虛擬總線的數據線方向，本文用McBSP的FSX和CLKX兩個信號線分別來虛擬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，由于SDA信號線為雙向數據線，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，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，它們作為輸出位寄存器，直接將要輸出的電平值寫入對應的位中。當作為輸入I/O時，CLXP和FSXP里的值就反映了輸入引腳當前的電平狀態。

圖2 啟動信號S的時序要求

圖3  虛擬I2C總線應用實例圖

McBSP虛擬I2C總線的軟件模塊實現
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。
要實現I2C總線的數據傳輸，以主器件向從器件發送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子程序模塊：
a. 啟動位S和停止位P的發送
b. 從器件應答位ACK的判斷
c. 字節數據(或地址)的發送
下面給出啟動位S發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。
啟動位S發送子程序：
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總線協議對信號的時序要求有嚴格的規定，如對啟動信號S的時序要求如圖2所示。即要求SDA信號在由高電平向低電平跳變時保持高電平時間至少為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間至少為4.0ms。啟動位S發送子模塊的源代碼中的延時子程序delay_prg1、delay_prg2就是為了滿足對啟動位S的時序要求。假設DSP器件的內部時鐘頻率為100MHz，則其單指令周期為0.01ms，就可以根據延時時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個指令周期，delay_prg2則至少需要400個指令周期。

應用實例
在智能交通控制系統中用5410的0號緩沖串口實現了虛擬I2C總線，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專用視頻采集芯片SAA7111完成圖像的實時采集，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I2C總線接口進行器件內部一些控制寄存器的初始化設置，由于5410器件沒有專用的I2C總線接口，所以采用5410的McBSP0的FSX和CLKX引腳分別來虛擬I2C的SCL和SDA，實現了對SAA7111的初始化配置。
SAA7111控制寄存器初始化配置的過程就是DSP主器件向SAA7111從器件中的控制寄存器寫配置數據的過程。SAA7111中涉及到的控制寄存器由00h~1Fh的寄存器基地址尋址，主器件發送配置數據的過程如表1所示。
采用這種方式對00h~1Fh的寄存器尋址時，必須向SAA7111分別傳送這些地址字節，這個過程是非常繁瑣的。I2C總線接口的外圍器件中，如出現這種器件內部需要尋址多個地址空間時，總線數據的讀寫操作具有地址自動加一的功能，這樣就簡化了I2C總線的外部尋址，這種尋址方式下的主器件控制數據寫流程如表2所示。
  
結語
本文采用DSP的McBSP來虛擬I2C總線接口，先將McBSP配置為通用I/O口，再對這些通用I/O口進行I2C總線數據傳輸的位操作，解決了DSP器件無法方便地進行位操作的問題，硬件接口簡單，調試方便，并且可以節省硬件的花費，此方法已經應用于ITS系統中，方法可行，并運行可靠，為相關問題的解決作出了成功的嘗試。■

參考文獻
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2 何立民, 周立功. I2C總線的串行擴充技術. 周立功單片機，2000，9
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