基于多通道缓冲串口的虚拟I2C总线

电子设计应用2004年第9期

摘 要：本文提出一种用多通道缓冲串口(McBSP)完成I2C总线的虚拟方法，该方法简单可行、硬件成本低，并给出了该方法在智能交通控制系统(ITS)中的应用。
关键词：I2C；McBSP；ITS

引言
很多器件都具有I2C总线，如串行EPROM、ADC等。另外，也已有很多外围器件支持与I2C总线的接口，但不直接支持I2C总线，如多数MCU、DSP等，因而采用I/O口线虚拟I2C的方式成为一种通用解决方案。但大多数DSP器件直接支持的I/O口线较少，不能进行直接的位操作，所以如何用DSP进行I2C总线的虚拟是本文所要讨论的问题。通过使用高端DSP器件中都具有的McBSP成功地进行了虚拟I2C总线的实现，并在一个ITS系统的控制模块中得到应用。

I2C总线的数据传送规范
I2C总线由串行数据线(SDA)和串行时钟线(SCL)组成。通信时，所有具备I2C总线接口的器件都连接到这两根线上，而且既可以发送数据也可以接收数据，但任意时刻只能有一个主控器件进行I2C总线的控制，其他器件都为被控器件，它们分时占用总线。
I2C总线的数据传送由主器件控制。首先由主器件发出开始信号S，表示开始启动数据传输。当SCL为高电平时，如果出现SDA的电平由高变低则视为S信号，然后主器件发送从器件的7位地址和读写位R/W，接着主器件将接收从器件的应答信号，如果收到正确的ACK，则进行数据的传送。数据传送的方向由读写位R/W的值确定 ，而且数据传送为8位，高位在前，低位在后。不管是发送数据还是接收数据，在传送完8位数据后，必须由接收数据的器件在SDA上发一个应答信号。最后当全部数据传送完后，由主器件产生停止信号P，表示总线传送结束。SCL线为高，SDA线由低电平变高电平时，视为停止信号P。由上可知，I2C总线数据传输采用了应答式的工作方式：即发送方发送数据后由接收方发送是否正确接收的应答信号，发送方以此作为是否继续进行数据传送的判断依据。

图1 主器件数据发送流程

用McBSP虚拟I2C总线的实现
从前面的分析可以看出，I2C总线的数据传输主要是由主控器件控制，在SCL的控制下，按位传送数据，也就是说，要想完成对I2C总线的虚拟主要是完成主控器件I2C的实现。下面讨论将TMS320C5410(以下简称5410)器件的McBSP配置为通用I/O口来虚拟I2C总线的实现方法。
McBSP配置为通用I/O口
作为主器件的I2C总线的两条信号线中，SCL总是作为输出，SDA根据需要配置成双向的I/O口，考虑到虚拟总线的数据线方向，本文用McBSP的FSX和CLKX两个信号线分别来虚拟I2C的SCL和SDA，其中FSX由于要作为SCL输出引脚，配置为GPO，CLKX模拟SDA信号线，由于SDA信号线为双向数据线，所以将CLKX配置为GPIO。McBSP配置为通用I/O口，主要涉及到McBSP的控制寄存器SPCR1、SPCR2和引脚控制寄存器PCR的设置。 PCR控制寄存器主要涉及到通用I/O口的方向控制，输入/输出的读写等，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总是作为输出，所以FSXM=1；CLKX的方向设置，当作为虚拟SDA的输出时，CLKXM=1，反之CLKXM=0；CLKXP、FSXP控制通用I/O的输入/输出电平值，当要往输出I/O口送值时，它们作为输出位寄存器，直接将要输出的电平值写入对应的位中。当作为输入I/O时，CLXP和FSXP里的值就反映了输入引脚当前的电平状态。

图2 启动信号S的时序要求

图3 虚拟I2C总线应用实例图

McBSP虚拟I2C总线的软件模块实现
首先将McBSP配置为通用I/O口使用，必须禁用其缓冲串口的功能、开启通用I/O使能，所以将SPCR2控制寄存器中的XRST置0，将PCR控制寄存器中的XIOEN置1。
要实现I2C总线的数据传输，以主器件向从器件发送N字节数据为例，其通信流程如图1所示， 一般需要包括以下几个子程序模块：
a. 启动位S和停止位P的发送
b. 从器件应答位ACK的判断
c. 字节数据(或地址)的发送
下面给出启动位S发送子模块的部分程序源码，其它子程序模块可以参照此程序修改。
启动位S发送子程序：
STM MCBSP_PCR_SUB_ ADDR,MCBSP0_SPSA
; 选择PCR寄存器
LD #2a00h,A
STLM A,MCBSP0_SPSD
; 设置CLKX为输出口
CALL XDELAY
LD #2a00h,A
ST #0002H,*AR3
OR *AR3,A
STLM A,MCBSP0_SPSD
; 置PCR中的CLKP位为1，引脚CLKX-SDA为高电平
ST #0008H,*AR3
LD #2a00h,A
OR *AR3,A
STLM A,MCBSP0_SPSD
; 置PCR中的FSXP位为1，引脚FSX-SCLK为高电平
call delay_prg1
;延时子程序delay_prg1
ST #0FFFDH,*AR3
AND *AR3,A
STLM A,MCBSP0_SPSD
; 置PCR中的CLKP位为0，引脚CLKX-SDA为低电平
call delay_prg2
;延时子程序delay_prg2
ST #0FFF7H,*AR3
AND *AR3,A
STLM A,MCBSP0_SPSD
; 置PCR中的FSXP位为1，引脚FSX-SCLK为高电平
RET
需要注意的是，I2C总线协议对信号的时序要求有严格的规定，如对启动信号S的时序要求如图2所示。即要求SDA信号在由高电平向低电平跳变时保持高电平时间至少为4.7ms，SCL信号在SDA信号由高电平向低电平跳变后必须保持高电平时间至少为4.0ms。启动位S发送子模块