李杰，羅慶生，韓寶玲，王浩浩

（1.北京理工大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，北京 100081；2.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車(chē)輛工程學(xué)院 ）

李杰（碩士研究生），研究方向?yàn)榍度胧娇刂萍夹g(shù)；羅慶生（教授），研究方向?yàn)樘胤N機(jī)器人技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)。

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(hào)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(jiǎn)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16KB的指令Cache和16KB數(shù)據(jù)Cache，最高主頻可達(dá)400MHz。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(jiǎn)稱(chēng)F28015）是TI公司的32位處理器，它具有強(qiáng)大的控制和信號(hào)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(chǔ)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 I 2C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)100kb／s，快速模式下可達(dá)400kb／s。多個(gè)微控制器可以通過(guò)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(shí)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(jiǎn)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(huì)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(lái)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 I 2 C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(jiǎn)單，只要將兩者的對(duì)應(yīng)引腳I2C＿CLK（對(duì)應(yīng)I2C總線中的SCL線）和I2C＿SDA（對(duì)應(yīng)I2C總線中的DATA線）連接起來(lái)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(duì)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?？紤]到阻抗不匹配等因素會(huì)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(guò)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3.3V，所以在硬件設(shè)計(jì)時(shí)將I2C＿SDA和I2C＿CLK總線通過(guò)上拉電阻連接到了3.3V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(shì)，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(duì)系統(tǒng)的整體控制，并通過(guò)總線設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序控制I2C總線模塊，通過(guò)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(guò)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(tái)的嵌入式Linux的I 2C總線驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

2.1.1 I2C總線讀寫(xiě)時(shí)序

ARM9微控制器作為主機(jī)向從機(jī)DSP寫(xiě)數(shù)據(jù)，首先向從機(jī)發(fā)送啟動(dòng)信號(hào)，然后發(fā)送7位從機(jī)地址和1位寫(xiě)標(biāo)志位，再等待從機(jī)的應(yīng)答信號(hào)。在收到應(yīng)答信號(hào)后，主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)給從機(jī)，再次等待應(yīng)答信號(hào)。當(dāng)主機(jī)收到應(yīng)答信號(hào)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(hào)，如此直到數(shù)據(jù)發(fā)送完成，主機(jī)發(fā)送停止信號(hào)。I2C總線寫(xiě)數(shù)據(jù)幀格式如圖3所示。

圖3 I 2 C總線寫(xiě)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(dòng)信號(hào)，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(hào)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(hào)，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(hào)。圖4為I2C總線讀數(shù)據(jù)幀格式。

圖4 I 2 C總線讀數(shù)據(jù)幀格式

2.1.2 Linux下I2C總線驅(qū)動(dòng)程序概述

Linux系統(tǒng)的I2C總線驅(qū)動(dòng)采用體系化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括I2C總線適配器驅(qū)動(dòng)和I2C總線設(shè)備驅(qū)動(dòng)?？偩€驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)I2C總線適配器（S3C2440的I2C總線模塊）的控制，設(shè)備驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)具體設(shè)備（F28015的I2C總線模塊）的讀寫(xiě)控制。圖5為總體驅(qū)動(dòng)框架，可以分為三個(gè)層次：

①I(mǎi)2C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(dòng)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)的注冊(cè)、注銷(xiāo)管理、I2C總線通信方法上層的、與具體適配器無(wú)關(guān)的代碼、檢測(cè)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(wèn)方法等。

②I2C總線適配器驅(qū)動(dòng)。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。

③I2C總線設(shè)備驅(qū)動(dòng)。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(cè)，并為用戶提供上層應(yīng)用程序編程接口。

圖5 總體驅(qū)動(dòng)框架

Linux的I2C總線驅(qū)動(dòng)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(duì)應(yīng)于物理上的一個(gè)適配器，而i2c＿algorithm對(duì)應(yīng)一套通信方法，用來(lái)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(wèn)周期需要的信號(hào)，以i2c＿msg（即I2C總線消息）為單位。該結(jié)構(gòu)體原型如下：

i2c＿driver對(duì)應(yīng)一套驅(qū)動(dòng)方法，是用于輔助作用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。i2c＿client對(duì)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(lái)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。

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(dòng)文件，為應(yīng)用程序提供open（）、write（）、read）、ioctl（）和close（）等操作接口來(lái)訪問(wèn)設(shè)備。應(yīng)用層可以借用這些接口訪問(wèn)掛接在適配器上的I2C總線設(shè)備的存儲(chǔ)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(dòng)及設(shè)備驅(qū)動(dòng)

S3C2440內(nèi)部的I2C總線控制器通過(guò)4個(gè)寄存器實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)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(duì)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(guò)注冊(cè)s3c2440＿i2c＿driver結(jié)構(gòu)體實(shí)現(xiàn)總線驅(qū)動(dòng)的平臺(tái)注冊(cè)，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：

完成了S3C2440的I2C總線適配器驅(qū)動(dòng)注冊(cè)后，就可以將具體設(shè)備驅(qū)動(dòng)注冊(cè)到該總線平臺(tái)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(dòng)文件，針對(duì)每個(gè)I2C總線適配器生成一個(gè)主設(shè)備號(hào)為89的設(shè)備文件，設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊加載流程如圖6所示。完成加載后，驅(qū)動(dòng)提供i2cdev＿read（）、i2cdev＿write（）、i2cdev＿ioctl（）函數(shù)來(lái)對(duì)應(yīng)用戶空間的read（）、write（）、ioctl（）函數(shù)，供用戶使用。用戶通過(guò)這些接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)I2C總線數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)功能。

圖6 設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊加載流程

2.2 DSP數(shù)據(jù)接收中斷程序設(shè)計(jì)

通過(guò)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(duì)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(guò)查詢狀態(tài)寄存器（I2CSTR）標(biāo)志位，得出中斷類(lèi)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：

圖7 I 2 C總線中斷服務(wù)程序流程

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。

3 測(cè)試結(jié)果

通過(guò)NFS文件系統(tǒng)將編譯成模塊的I2C的總線驅(qū)動(dòng)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)加載到運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)的S3C2440平臺(tái)上（先加載總線驅(qū)動(dòng)），再將F28015的測(cè)試程序燒寫(xiě)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(cè)試程序。測(cè)試結(jié)果顯示，芯片通過(guò)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。

圖8 數(shù)據(jù)接收和發(fā)送子程序

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(shì)以及DSP芯片在算法實(shí)現(xiàn)和底層控制的長(zhǎng)處。

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