基于DSP虛擬I2C總線軟件包的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

引言

數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）在各領(lǐng)域中的應(yīng)用已日趨廣泛，其中TI（Texas Instrument）公司的TMS320系列芯片占據(jù)了主導(dǎo)地位。TMS320F206（簡(jiǎn)稱F206）由于具有片內(nèi)32K字的Flash，支持JTAG掃描端口的仿真調(diào)試，并支持程序的串行下載，便于開發(fā)設(shè)計(jì)及產(chǎn)品的軟件升級(jí)，因而在中高檔儀器開發(fā)中受到青睞。

DSP的處理速度雖然較高，但直接支持的I/O口線較少，控制能力相對(duì)較弱，因而與外部器件接口采用串行方式較為適合。常用的串行接口和串行總線有UART、I2C總線，由于I2C總線提供了較完善的總線協(xié)議，且接口電路簡(jiǎn)單，因而得到廣泛的應(yīng)用。目前，已有很多外圍器件支持I2C接口，但多數(shù)MCU并不直接支持I2C總線，因而采用I/O口線模擬I2C的方式成為一種通用解決方案。但由于I2C總線協(xié)議的復(fù)雜性及操作管理的特殊性，仍給此類方式的開發(fā)造成了較大不便。好在文獻(xiàn)中提出了一種按平臺(tái)模式設(shè)計(jì)的、適用于80C51的虛擬I2C總線軟件包，大大簡(jiǎn)化了80C51的I2C接口程序設(shè)計(jì)，使用戶無(wú)需了解I2C總線協(xié)議的細(xì)節(jié)，即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的接口。文獻(xiàn)中也給出了一種用于MSP430單片機(jī)的軟件包。由于DSP尚無(wú)此類軟件包，為簡(jiǎn)化DSP的此類I2C接口程序設(shè)計(jì)，本文參照文獻(xiàn)中的設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)了一種適用于TMS320C2XX系列DSP開發(fā)的軟件包。

1 虛擬I2C軟件包的設(shè)計(jì)

根據(jù)文獻(xiàn)中所提到的最佳包容性設(shè)計(jì)、后歸一化設(shè)計(jì)、前歸一化設(shè)計(jì)原則，軟件包進(jìn)行了如下定義。

（1）適用范圍

① 適用主發(fā)送和主接收方式。I2C總線有4種工作方式：主發(fā)送、主接收、從發(fā)送、從接收。因?qū)嶋HDSP多工作于I2C總線的主方式，因而軟件包設(shè)計(jì)為主方式。

② 適用TMS320C2XX系列與I2C總線外圍器件的接口，支持對(duì)外圍器件N字節(jié)的讀寫，通信方式為對(duì)虛擬節(jié)點(diǎn)尋址后點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的讀寫。

③ 模擬I/O口線可選擇4根通用I/O口線（I/O0~ I/O4）中的任意兩根。

（2）軟件包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

TMS320C2XX系列產(chǎn)品，基本包括4根通用I/O口線I/O0~I/O4（由于XF僅能作為輸入口線，BIO僅能作為輸出口線，因而暫不考慮）。它們的輸入輸出方向由ASPCR的低4位來(lái)設(shè)定，相應(yīng)口線狀態(tài)的設(shè)定或讀取由IOSR寄存器控制。但此處DSP與80C51有所不同，口線的輸入輸出狀態(tài)不是自動(dòng)切換的，且ASPCR、IOSR寄存器都不支持位尋址方式，因而在進(jìn)行I2C總線工作方式模擬時(shí)較為繁瑣。為避免所用寄存器其它狀態(tài)位的改變，需通過(guò)較多的與、或操作來(lái)改變指定I/O口線的狀態(tài)，因而本軟件包與80C51的虛擬I2C軟件包結(jié)構(gòu)稍有不同。當(dāng)然，這些均在軟件包內(nèi)部完成，使用者不必了解具體細(xì)節(jié)，用戶接口同樣簡(jiǎn)單易用。

① 軟件包組成。為模擬I2C總線的操作時(shí)序，軟件包中包括了2個(gè)宏定義和12個(gè)子函數(shù)。

（a）時(shí)序模擬子程序

Sendb--發(fā)送起始標(biāo)志，啟動(dòng)I2C總線；senda--發(fā)送確認(rèn)標(biāo)志；

Sendna--發(fā)送非確認(rèn)標(biāo)志；Sende--發(fā)送結(jié)束標(biāo)志。

（b）操作模擬子程序

geta--接收確認(rèn)標(biāo)志；sendd--發(fā)送8位數(shù)據(jù)；

getd--接收1個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)。

（c）數(shù)據(jù)讀寫子程序

wrnbyte--寫入N字節(jié)；rdnbyte--讀取N字節(jié)。

（d）其它宏及子函數(shù)

subsendd--根據(jù)標(biāo)志位C設(shè)置模擬數(shù)據(jù)口線的狀態(tài)；toggleclk--切換模擬時(shí)鐘口線狀態(tài)；

Xdelay--延時(shí)子程序；Sdainm--將模擬數(shù)據(jù)口線A配置為輸入口線；

sdaoutm--將模擬數(shù)據(jù)口線配置為輸出。

因DSP的工作頻率一般遠(yuǎn)高于I2C總線的操作頻率，因而這里需專用的延時(shí)子程序降低模擬時(shí)鐘口線頻率。本文所給出的源程序?yàn)镕206采用40 MHz晶振時(shí)的情況，用戶使用時(shí)可隨實(shí)際情況調(diào)整延時(shí)時(shí)間。

② 軟件包符號(hào)定義。軟件包中包括如下符號(hào)定義：

VSDA、VSCL--分別定義了模擬數(shù)據(jù)口線和模擬時(shí)鐘口線對(duì)應(yīng)的屏蔽位，因DSP中對(duì)通用I/O口線的操作不能通過(guò)位操作來(lái)實(shí)現(xiàn)，因而僅能屏蔽位來(lái)定義，如采用IO3模擬數(shù)據(jù)線、IO2模擬時(shí)鐘線，則可定義IO3為08h、IO2為04h；

RAM0--為數(shù)據(jù)暫存用的臨時(shí)存儲(chǔ)單元；

RIO--為用于保存I/O口線當(dāng)前狀態(tài)的存儲(chǔ)單元；

SLA--用于保存總線上節(jié)點(diǎn)地址并確定傳輸方向的存儲(chǔ)單元；

NUMBYTE--待發(fā)送或接收的字節(jié)數(shù)存儲(chǔ)單元；

MTD--發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；

MRD--接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。

以上符號(hào)中RAM0、RIO、SLA、NUMBYTE為頁(yè)內(nèi)地址，與當(dāng)前的頁(yè)指針DP內(nèi)容設(shè)置有關(guān)；MTD、MRD為絕對(duì)地址，與DP內(nèi)容無(wú)關(guān)。

③ 資源占用。使用了輔助寄存器AR0、AR1、AR2、AR6、ACC、ASPCR、IOSR等資源。

④ 應(yīng)用接口。軟件包將wrnbyte、rdnbyte作為唯一的出口接口，用戶僅需正確設(shè)置對(duì)應(yīng)儲(chǔ)存單元的內(nèi)容，調(diào)用相應(yīng)子函數(shù)即可：

splk ＃SLAR/ SLAW，SLA；寫入傳輸節(jié)點(diǎn)地址及傳輸方向

splk ＃N，NUMBYTE ;寫入待傳輸字節(jié)數(shù)

;若輸出，設(shè)置輸出緩沖區(qū)內(nèi)容

call wrnbyte/rdnbyte

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 器件相關(guān)功能簡(jiǎn)介

X1203是帶時(shí)鐘/日歷電路和兩個(gè)鬧鐘（報(bào)警）的低功耗CMOS實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片。提供了雙埠時(shí)鐘和報(bào)警寄存器，在讀寫操作期間也能精確工作。其工作電壓從2.5~6 V均可，工作電流小于1uA。時(shí)鐘使用低成本的32.768 kHz晶體輸入，以秒、分、時(shí)、日、星期、月和年為單位記錄時(shí)間，具有閏年自動(dòng)矯正功能，并對(duì)少于31天的月份自動(dòng)調(diào)整；可通過(guò)設(shè)置中斷標(biāo)志按指定時(shí)間激活中斷引腳，滿足大多數(shù)用戶對(duì)定時(shí)器編程的需要。該芯片引腳結(jié)構(gòu)如圖1所示（SOIC封裝）。

其中SCL為時(shí)鐘輸入端，數(shù)據(jù)隨該時(shí)鐘信號(hào)同步輸入器件或從器件輸出。此引腳上的輸入緩沖器始終激活。SDA端為雙向引腳，用于串行數(shù)據(jù)的輸入輸出；具有漏極開路，可與其它漏極開路或集電極開路輸出進(jìn)行線“或”；需上拉電阻，與SCL引腳配合，可實(shí)現(xiàn)400 kHz的2線I2C接口。VBack為備用電源輸入端，用于VCC出現(xiàn)故障時(shí)向器件供電。是中斷信號(hào)輸出端，可通過(guò)設(shè)置報(bào)警寄存器按指定時(shí)間在該端產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)；漏極開路，低電平有效。X1、X2分別為反相放大器的輸入、輸出端；可在X1端接入32.768 kHz的方波基準(zhǔn)，或在X1、X2端接入32.768 kHz的石英晶振，配置成片內(nèi)振蕩器，在初始上電后至少有一個(gè)字節(jié)寫入RTC寄存器時(shí)，時(shí)鐘才開始計(jì)數(shù)。

X1203中的時(shí)鐘/控制寄存器（CCR）分5部分：2個(gè)8字節(jié)報(bào)警寄存器（Alarm0、Alarm1），1個(gè)1字節(jié)控制寄存器，1個(gè)8字節(jié)實(shí)時(shí)時(shí)鐘寄存器和1個(gè)1字節(jié)狀態(tài)寄存器。通過(guò)報(bào)警寄存器可設(shè)置報(bào)警發(fā)生的時(shí)間，控制寄存器可使能或禁止報(bào)警中斷信號(hào)的輸出，實(shí)時(shí)時(shí)鐘寄存器以BCD碼存儲(chǔ)了秒、分、時(shí)、日、星期、月和年，狀態(tài)寄存器中保存了用于報(bào)警狀態(tài)標(biāo)志位及讀寫使能狀態(tài)位。其中狀態(tài)寄存器設(shè)置決定著數(shù)據(jù)是否能成功地寫入。該寄存器如表1所列。

BAT標(biāo)識(shí)器件當(dāng)前用VBack還是用VCC工作。AL1、AL0標(biāo)識(shí)Alarm0、Alarm1是否實(shí)時(shí)時(shí)鐘匹配。RTCF表示實(shí)時(shí)時(shí)鐘是否失效，在總電源失效后該位置1。RWEL為寄存器寫使能鎖存，為0表示禁止，在任何寫時(shí)鐘/控制寄存器之前必須將該位置1。WEL為寫使能鎖存，低表示禁止，通過(guò)該位寫1、其它位寫0，可使該位置位；通過(guò)該位寫0、其它位寫0，可使該位清0。只有按規(guī)定順序設(shè)置RWEL和WEL，才能成功寫入CCR。

目前，很多DSP芯片尚不直接支持I2C的接口，F(xiàn)206也不例外，因而這里采用2根通用I/O口線模擬I2C接口。F206與X1203的接口采用如圖2所示的接口方案。

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圖2中在X1、X2端接入32.768 kHz的石英晶振，將時(shí)鐘源配置為片內(nèi)振蕩器。在VCC和VBACK之間通過(guò)二極管和電阻相連，并與地間加入1個(gè)0.47 F的大電容。這樣，在電源出現(xiàn)故障或系統(tǒng)電源關(guān)閉時(shí)，仍可靠VBACK端的大電容供電維持時(shí)鐘芯片的正常工作。它與F206間接口采用3根口線，這里采用IO2模擬通信用的時(shí)鐘信號(hào)，IO3作為數(shù)據(jù)輸入、輸出口線。端可根據(jù)用戶需要而定，若需要時(shí)鐘芯片產(chǎn)生中斷，可將該端接到F206的中斷口線上。注意其中的SDA端和端為漏極開路，必須加上拉電阻，否則不能正常通信。

3.2 X1203的讀寫操作

這里僅給出F206對(duì)X1203進(jìn)行讀寫的基本流程，如圖3、圖4所示，分別為對(duì)時(shí)鐘芯片的讀、寫過(guò)程。其中進(jìn)行寄存器寫時(shí)，須注意SR寄存器中WEL和RWEL的設(shè)置是否正確，即首先設(shè)置WEL有效，而后將WEL、RWEL都置1，否則數(shù)據(jù)將不能正確寫入。在寫結(jié)束后，應(yīng)將WEL、RWEL置為無(wú)效，以免產(chǎn)生誤操作。

此外還須指出，在系統(tǒng)首次上電后(VBack和VCC都失效后)，至少有一字節(jié)寫入RTC寄存器時(shí)，系統(tǒng)才開始工作。在實(shí)際使用中，應(yīng)首先判斷SR中的RTCF位是否為1，若是，表明系統(tǒng)為首次使用或VBack和VCC都已失效，須對(duì)X1203至少進(jìn)行一次寫入操作，使其正常計(jì)數(shù)。
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結(jié)束語(yǔ)

I2C總線應(yīng)用已日益廣泛，而其協(xié)議的復(fù)雜性和操作的特殊性又限制了推廣速度。本文介紹的一種基于DSP的虛擬I2C總線軟件包，簡(jiǎn)化了TMS320C2XX與I2C器件間接口程序設(shè)計(jì)，用戶無(wú)需了解I2C總線協(xié)議的細(xì)節(jié)，僅需通過(guò)唯一的接口界面wrnbyte/ rdnbyte即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的接口。本文還給出了一個(gè)TMS320F206與時(shí)鐘芯片X1203間的接口實(shí)例，介紹了軟件包的使用方法，希望能供讀者參考。