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ARM/DSP多机I2C通信解析
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2017-10-19
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引言
在很多嵌入式控制系统中，系统既要完成大量的信息采集和复杂的算法，又要实现精确的控制功能。采用运行有嵌入式Linux操作系统的ARM9微控制器完成信号采集及实现上层控制算法，并向DSP芯片发送上层算法得到控制参数，DSP芯片根据获得的参数和下层控制算法实现精确、可靠的闭环控制。
1 多机系统组成
该多机控制系统以ARM9微控制器S3C2440为核心，采用I2C总线挂载多个DSP芯片TMS320F28015作为协控制器，构成整个控制系统的核心。
1.1 S3C2440及TMS320F28015简介
Samsung公司的处理器S3C2440是内部集成了ARM公司ARM920T处理器内核的32位微控制器，资源丰富，带独立的16 KB的指令Cache和16 KB数据Cache，最高主频可达400 MHz。它拥有130个通用I/O、24个外部中断源以及丰富的外部接口能实现各种功能，包括支持多主功能的I2C总线接口、3路URAT、2路SPI、摄像头接口等。
TMS320F28015（以下简称F28015）是TI公司的32位处理器，它具有强大的控制和信号处理能力，能够实现复杂的控制算法。片上整合了Flash存储器、I2C总线模块、快速的A/D转换器、增强的CAN总线模块、事件管理器、正交编码电路接口及多通道缓冲串口等外设，此种整合能够方便地实现功能的扩展。同时，快速的中断响应使它能够保护关键的寄存器并快速（更小的中断延时）地响应外部异步事件。
1.2 I2C总线接口
I2C总线是一种用于IC器件之间连接的串行总线，采用SDA（数据线）和SCL（时钟线）两线连接每个带有I2C总线接口的器件或模块。串行的8位双向数据传输率在标准模式下可达100 kb/s，快速模式下可达400 kb/s。多个微控制器可以通过I2C总线接口非常方便地连接在一起构成系统，并根据地址识别每个器件。这种总线结构的连线和连接引脚少，器件间总线简单，结构紧凑。因此其构成系统的成本较低，并且在总线上增加器件不会影响系统的正常工作，所有的I2C总线器件共用一套总线，因此其系统修改和可扩展性好。
总线必须由主机（通常为微控制器）控制，主机产生串行时钟（ SCL） 控制总线的数据传输，并产生起始和停止条件。SDA 线上的数据状态仅在SCL为低电平的期间才能改变，SCL为高电平的期间，SDA 状态的改变被用来表示起始和停止条件。I2C总线起始和停止时序如图1所示。
图1 I2C总线起始和停止时序
1.3 硬件电路
S3C2440和F28015自身均集成了I2C总线模块，支持多主设备I2C总线串行接口，可以方便地挂接到I2C总线上。因此，两者之间的I2C总线接口电路的设计变得十分简单，只要将两者的对应引脚I2C_CLK（对应I2C总线中的SCL线）和I2C_SDA（对应I2C总线中的DATA线）连接起来即可。S3C2440和TMS320F28015的硬件接口电路如图2所示。
图2 S3C2440和TMS320F28015的硬件接口
电路S3C2440的PA55和PA56引脚分别对应I2C_SDA和I2C_CLK，而F28015的GPIO32和GPIO33也可以分别复用为I2C_SDA和I2C_CLK。考虑到阻抗不匹配等因素会影响总线数据传输效果，因此在将两块芯片的I2C_DATA和I2C_CLK引脚直连时，在直连线路上各串联一个小电阻。
I2C_SDA和I2C_CLK是双向电路，必须都通过一个电流源或上拉电阻连接到正电源电压上。由于S3C2440和F28015的输出高电平均为3.3 V，所以在硬件设计时将I2C_SDA和I2C_CLK总线通过上拉电阻连接到了3.3 V的VCC电源上。
在很多嵌入式控制系统中，系统既要完成大量的信息采集和复杂的算法，又要实现精确的控制功能。采用运行有嵌入式Linux操作系统的ARM9微控制器完成信号采集及实现上层控制算法，并向DSP芯片发送上层算法得到控制参数，DSP芯片根据获得的参数和下层控制算法实现精确、可靠的闭环控制。
1 多机系统组成
该多机控制系统以ARM9微控制器S3C2440为核心，采用I2C总线挂载多个DSP芯片TMS320F28015作为协控制器，构成整个控制系统的核心。
1.1 S3C2440及TMS320F28015简介
Samsung公司的处理器S3C2440是内部集成了ARM公司ARM920T处理器内核的32位微控制器，资源丰富，带独立的16 KB的指令Cache和16 KB数据Cache，最高主频可达400 MHz。它拥有130个通用I/O、24个外部中断源以及丰富的外部接口能实现各种功能，包括支持多主功能的I2C总线接口、3路URAT、2路SPI、摄像头接口等。
TMS320F28015（以下简称F28015）是TI公司的32位处理器，它具有强大的控制和信号处理能力，能够实现复杂的控制算法。片上整合了Flash存储器、I2C总线模块、快速的A/D转换器、增强的CAN总线模块、事件管理器、正交编码电路接口及多通道缓冲串口等外设，此种整合能够方便地实现功能的扩展。同时，快速的中断响应使它能够保护关键的寄存器并快速（更小的中断延时）地响应外部异步事件。
1.2 I2C总线接口
I2C总线是一种用于IC器件之间连接的串行总线，采用SDA（数据线）和SCL（时钟线）两线连接每个带有I2C总线接口的器件或模块。串行的8位双向数据传输率在标准模式下可达100 kb/s，快速模式下可达400 kb/s。多个微控制器可以通过I2C总线接口非常方便地连接在一起构成系统，并根据地址识别每个器件。这种总线结构的连线和连接引脚少，器件间总线简单，结构紧凑。因此其构成系统的成本较低，并且在总线上增加器件不会影响系统的正常工作，所有的I2C总线器件共用一套总线，因此其系统修改和可扩展性好。
总线必须由主机（通常为微控制器）控制，主机产生串行时钟（ SCL） 控制总线的数据传输，并产生起始和停止条件。SDA 线上的数据状态仅在SCL为低电平的期间才能改变，SCL为高电平的期间，SDA 状态的改变被用来表示起始和停止条件。I2C总线起始和停止时序如图1所示。
图1 I2C总线起始和停止时序
1.3 硬件电路
S3C2440和F28015自身均集成了I2C总线模块，支持多主设备I2C总线串行接口，可以方便地挂接到I2C总线上。因此，两者之间的I2C总线接口电路的设计变得十分简单，只要将两者的对应引脚I2C_CLK（对应I2C总线中的SCL线）和I2C_SDA（对应I2C总线中的DATA线）连接起来即可。S3C2440和TMS320F28015的硬件接口电路如图2所示。
图2 S3C2440和TMS320F28015的硬件接口
电路S3C2440的PA55和PA56引脚分别对应I2C_SDA和I2C_CLK，而F28015的GPIO32和GPIO33也可以分别复用为I2C_SDA和I2C_CLK。考虑到阻抗不匹配等因素会影响总线数据传输效果，因此在将两块芯片的I2C_DATA和I2C_CLK引脚直连时，在直连线路上各串联一个小电阻。
I2C_SDA和I2C_CLK是双向电路，必须都通过一个电流源或上拉电阻连接到正电源电压上。由于S3C2440和F28015的输出高电平均为3.3 V，所以在硬件设计时将I2C_SDA和I2C_CLK总线通过上拉电阻连接到了3.3 V的VCC电源上。
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