2018年02月19日 | 采用ARM9微控制器实现上层控制算法解析方案

　　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。

　　2 ARM和DSP通信软件设计

　　运行Linux操作系统的ARM微控制器作为主控制器，在数据管理及多任务调度等方面有显着优势，可以很好地组织外围器件采集的数据;主要实现对系统的整体控制，并通过总线设备驱动程序控制I2C总线模块，通过主机寻址实现向I2C总线上挂载的下层DSP的数据收发。为保证数据通信的实时性，F28015通过中断响应的方式实现数据接收和发送。

　　通过配置F28015的I2C模块寄存器，设置I2C模块为从工作方式，同时利用I2C总线中断响应程序实现对总线上数据的接收和发送，进而完成数据通信。F28015产生了I2C总线中断后，就执行中断服务程序，图7为I2C总线中断服务程序流程。

　　中断服务程序通过查询状态寄存器(I2CSTR)标志位，得出中断类型码，然后调用相应的子程序，完成数据接收发送。代码如下：

　　interrupt void i2c_int1a_isr(void) {//I2CA的中断响应函数

　　Uint16 IntSource;// 读取中断码

　　IntSource=I2caRegs.I2CISRC.bit.INTCODE & 0x7;//I2CA中断源，读后3位

　　switch(IntSource){//依中断源而确定相关接收和发送策略

　　case I2C_NO_ISRC://=0

　　case I2C_ARB_ISRC://=1

　　case I2C_NACK_ISRC： //=2

　　case I2C_ARDY_ISRC： //=3

　　case I2C_SCD_ISRC://=6

　　case I2C_AAS_ISRC://=7

　　break;

　　case I2C_RX_ISRC://=4，接收数据已准备好

　　DataReceive();//调用数据接收子函数接收数据

　　break;

　　case I2C_TX_ISRC://=5，发送数据已准备好

　　DataTransmit();//调用数据发送子函数接收数据

　　break;

　　default：

　　asm(“ESTOP0”); //无效数据，则停止

　　}

　　PieCTRlRegs.PIEACK.all=PIEACK_GROUP8;

　　}

　　F28015中的数据接收子程序和数据发送子程序是在I2C总线的中断服务程序中根据不同的状态码进行调用，它们是整个通信程序的核心部分。数据接收子程序和数据发送子程序的流程如图8所示。

图8 数据接收和发送子程序

　　3 测试结果

　　通过NFS文件系统将编译成模块的I2C的总线驱动和设备驱动加载到运行Linux操作系统的S3C2440平台上(先加载总线驱动)，再将F28015的测试程序烧写到RAM中。运行F28015等待I2C总线上的数据，再执行Linux系统中的I2C总线测试程序。测试结果显示，芯片通过I2C总线接口完成了数据通信，具有良好的实时性和可靠性。

　　4 结论

　　该设计利用I2C总线实现了ARM9微控制器与DSP芯片间实时可靠的数据通信。ARM9微控制器结合Linux操作系统作为上层控制核心，DSP芯片实现下层控制算法，可充分发挥ARM9微控制器在数据采集和任务管理等方面的优势以及DSP芯片在算法实现和底层控制的长处。