接口/总线/驱动:应用McBSP实现I2C总线控制器

作者Email: dick_ligg@sohu.com

摘要:提出了在TMS320C6000系列DSP上应用McBSP实现I2C总线接口协议的方法，使DSP可以接入其他需要I2C总线配置的智能器件，系统结构简单，硬件设计容易，资源消耗小。

关键字:I2C总线 GPIO McBSP DSP

1 引言

TI公司的TMS320C6000[1,2]系列是高性能的DSP，可广泛的用于XDSL、无线基站、数字图像处理等方面。在进行数字图像处理时，通常需要视频解码器诸如SAA7111A之类的模拟视频前端，而大多数的视频解码器进行初始化通常是通过两线的I2C总线接口，但是现在的DSP和MCU大部分都没有I2C总线接口，在这种情况下我们可以应用两个通用的IO线，通过软件的方法来模拟I2C总线的协议，继而完成I2C总线的接口。在TMS320C6000中通常都有两个或两个以上的多通道缓冲串行接口McBSP，McBSP不仅可以配制成串行接口还可以独立的配制成通用的输入（GPI）、输出(GPO)和输入输出端口(GPIO)。

I2C[3]串行总线是用双向数据线(SDA)和串行时钟线(SCL)两根信号线，在连接到该总线的器件之间传送信息。总线上的每个器件均可设置一个唯一地址，然后根据所设的功能进行信息的发送或接收。除了作为发送器和接收器以外，在执行数据传输时，总线的器件还可以设定为主控器和受控器。通常由主控器启动总线上的数据传输，并产生数据传输所需的时钟信号。而被其寻址的其它器件均为受控器，这意味着总线上可连接多个有控制总线的器件。

I2C总线上的数据传输率为100kbit／s，快速方式下可达400kbit／s。连接到总线上的器件数仅受400pF的总线电容的限制。同时，为了避免总线信号的混乱，要求连接到总线上的各器件输出端必须是集电极开路或漏极开路，以便产生“线与”功能。I2C总线上的SDA和SCL线都是双向传输线，它们可通过一个电阻连接到正电源端，当总线处于空闲状态时，两条线均为高电平。

2 硬件设计

I2C总线的硬件设计非常方便，只需要将SDA 和SCL连接即可，在I2C总线上只允许有一个主控器，其余的都是受控器。当节点的个数大于了400pF的限制时，可以通过总线驱动器如82B715来进行总线扩展。连接见图1

3 软件设计

3.1 McBSP的配置

I2C总线应用McBSP的两个管脚，首先禁用McBSP功能以便将McBSP的管脚配制成GPI、GPO、GPIO。本文应用McBSP0的CLKX0作为I2C总线的SCL，FSX0作为I2C总线的SDA，McBSP的DX,DR，通常不能配置成I2C的SDA,因为SDA是双向的,而DX,DR只能配制成单一的输入或输出。

配置代码如下：

McBSP0_SPCR=0x00000000;//McBSP0 发送和接收复位
McBSP0_PCR=0x00003F00;// McBSP0的所有的管脚都配置为GPIO,CLKX0和FSX0为输出
对于主机来说SCL总是输出，所以它的方向是保持不变的，SCL应该输出0，1作为接口的时钟，为了实现此功能我们定义一个宏（MACROS）:SET_SCLHI( ) SET_SCLLO( )
#define Set_SCLHi( ) McBSP0_SPSA = PCR; McBSP0_SPSA = 0x00000002
#define Set_SCLLo( ) McBSP0_SPSA = PCR; McBSP0_SPSA &= 0Xfffffffd
I2C总线的数据线SDA当写的时候是输入，读的时候是输出。为了改变SDA的方向可以定义Set_SDADirOut( ) Set_SDADirIn( )
#define Set_SDADirOut( ) McBSP0_SPSA = PCR; McBSP0_SPSA = 0x00000800
#define Set_SDADirIn( ) McBSP0_SPSA = PCR; McBSP0_SPSA &= 0xFFFFF7FF
SDA应该依照数据位的0,1来变化，为了输出1，0定义Set_SDAHi( ) Set_SDALo( )
#define Set_SDAHi( ) McBSP0_SPSA = PCR; McBSP0_SPSA = 0x00000008
#define Set_SDALo( ) McBSP0_SPSA = PCR; McBSP0_SPSA &= 0xFFFFFFF7
定义好之后可以模拟I2C总线的协议进行传送，例如在SAA7111A上的I2C总线接口是用来对SAA7111A进行初始化用的，SCL的频率可以从0到400KHZ，为了控制SCL的频率可以应用DSP的TIMER0来控制。
当CPU为100MHZ时：
TCR = 0x00000010; // 停止 TIMER0 and TDDR=0
PRD = 6249; // TIMER0 rate = CPU-Frequency/(PDR+1) = 100MHz/6250 = 16kHz
...
TCR &= 0xFFFFFFEF; // 开始 TIMER0

3．2 I2C总线协议编程

3．2．1 I2C总线协议读写数据流的编程

为了进行I2C总线的通讯，我们选用每位数据流4帧（FRAMES）,以便延迟和噪声干扰最小，4帧每位的数据流保证了SDA不会变化在SCL的边沿处，仅仅允许数据变化在FRAME0，读仅在FRAME2。如图2所示

I2C总线的写程序如下

void I2CWrite(unsigned int WriteBit)
{Set_SDADirOut( ); // 设置SDA为输出
switch(FrameCount)
{
case(0): // 起始帧
Set_SCLLo( ); // SCL 为 0
if (WriteBit == 0) // SDA = WriteBit
Set_SDALo( );
else
Set_SDAHi( );
break;
case(3): // 第4帧
Set_SCLLo( ); //
break;
default: // 在第2，3帧
Set_SCLHi( ); // SCL 为 1
}
FrameCount += 1; // 帧计数
if (FrameCount > 3)
{
FrameCount = 0;
BitIndex = (BitIndex >> 1); } // 准备下一个发送位
}
I2C总线的读程序与写程序很类似，只需要改变SDA为输入即可。

3．2．2 I2C总线的开始位和停止位的编程

I2C总线的开始位和停止位有3帧产生，在I2C总线传输过程中，仅当总线空闲(SCL线和SDA线均为高电平)时，数据传送才能开始，此时总线上的任何器件均可以控制总线。其中当SCL线为高电平且SDA线由高变低时为开始条件；而当SCL线为高电平且SDA线由低变高时为结束条件。如图3所示

开始位：
void I2CSTA ( )
{ // I2C 开始位
Set_SDADirOut ( );//定义SDA为输出
switch ( FrameCount )
{
case (1): // 第2帧
Set_SCLHi ( );
Set_SDALo( );
break;
case (2): // 第三帧
Set_SCLLo ( );
Set_SDALo( );
break;
default: // 第一帧
Set_SCLHi ( );
Set_SDAHi ( );
}
FrameCount += 1; // 帧计数
if ( FrameCount > 2 )
{
FrameCount = 0;
BitIndex = 0x0080; } // 定义的低8位
}
停止位的编程方法只需要按照上面所说的将SCL线为高电平且SDA线由低变高即可。
3．2．3 I2C总线的数据格式

起始位受控器件地址读写控制位0/1 应答位数据应答位 … 停止位

I2C总线数据传输格式[3]如图4。其中第一部分为数据传输起始信号，即由此开始进行数据传送；第二部分为受控器地址，用来选择向哪个受控器传送数据；第三部分为读／写控制位，用于指示受控器的工作方式，0表示写，1表示读；第四部分是被主控器选中的受控器向主控器回传的确认信号；第五部分是所传送的数据，每传送一个字节数据，都要求有一个应答位；第六部分是数据传输的结束信号。每个具有I2C总线接口的受控器件都有唯一固定的地址，当主控器发送数据时，I2C总线上挂接的受控器件都会将主控器发出的、位于起始信号后的8位地址信息与自己的地址进行比较，如果两者相同，则认为该受控器件被选中，然后按照读／写位规定的工作方式接收或发送数据。可以应用上面的程序来按照I2C总线的数据格式进行数据传送。

4 结论

应用DSP的McBSP来设计I2C总线接口，硬件接口简单，调试方便，并且可以节省硬件的花费，此方法已经应用在基于DSP的图像匹配机中，方法可行，并运行可靠。