基于ARM的I2C设备控制方法的实现

2009年06月11日 15:06    ARM
关键词: arm , 控制方法 , 设备
1 引 言
  I2C总线是由Philips公司开发的2线式串行总线,由于其简单、高效、互联成本小而被广泛地用于微控制器与外围设备的连接。AT91SAM7X256是Atmel公司于2005年推出的基于ARM7的工业级芯片,他以体积小、功耗低、连接方式广泛、处理资源丰富、控制灵活等特点受到嵌入式领域开发人员的重视。本文介绍AT91SAM7X256的I2C控制器TWI接口(two-wiredinterface)的使用方法,并以I2C设备E2PROM和日历时钟芯片为例,实现AT91SAM7X256对时间数据的读取与存储。同时,为了验证时间数据的读取与存储是否正确,使用AT91SAM7X256的在线仿真器J-LINK将E2PROM中的数据读至内存进行检查。
2 硬件设计
2.1 硬件模块结构
  电路的硬件模块结构如图1所示。
  AT91SAM7X256的TWI接口由一根时钟线TWCK和一根数据线TWD组成,产生的信号时序符合I2C总线规范;PCF8563是Philips公司推出的一款内含I2C总线接口功能的工业级时钟芯片;AT24C08是Atmel公司推出的符合I2C规约的两线串口E2PROM。AT91SAM7X256的TWCK和TWD分别与芯片PCF8563和AT24C08的SCL与SDA相连,CPU通过TWI接口将时间数据读出并存储。为了保证CPU不冲突的访问PCF8563和AT24C08,本文将AT24C08的A2管脚接高电平。由于I2C总线空闲时为高电平,所以为实现“线与”功能,总线上连接的设备均是集电极开路的,因此总线需外接上拉电阻R。AT91SAM7X256的TWI有主从2种工作模式,本文中AT91SAM7X256作为控制方,应工作于主模式。


2.2 AT91SAM7X256的TWI接口
  AT91SAM7X256的TWD和TWCK管脚与设备的I/O管脚复用,同时AT91SAM7X256采用单独控制功能单元的省电方案,电源管理单元PMC控制各功能单元的时钟是否工作,所以要使用TWI接口,需要首先配置TWD和TWCK为外设连线和开路状态,其次配置PMC使TWI时钟处于工作状态。
  TWI接口可提供高达400 kb/s的传输速率,为使得数据的传输速率面向不同应用,可以通过配置时钟脉冲发生器的控制寄存器TWI_CWEG调整TWCK的信号频率。
  TWI接口产生的信号时序符合I2C总线规范,当读/写1个字节数据时,主设备需提供从设备的设备地址、内部地址、读写控制以及起始标志和停止标志。在数据的收发过程中,主要使用控制寄存器TWI_CR、主模式寄存器TWI_MMR、内部地址寄存器TWI_IADR、状态寄存器TWI_SR、传输保持寄存器TWI_THR和接收保持寄存器TWI_RHR。从设备地址在TWI_MMR中设置,从设备的内部地址在TWI_IADR中设置;在TWI_CR中设置是否发送起始信号和停止信号;NAK(无应答)、OVER(运行错误)、TXRDY(发送准备好)、RXRDY(接收准备好)、TX-COMP(传输完成)等状态位通过查询WI_SR得到。
  写数据的过程包括:当TWI_THR写入数据后,CPU产生起始信号启动传输,TWI_THR中的数据经过并串转换后由TWD传输出去,当CPU收到从设备的应答信号后,TWI_SR的TXRDY将自动置“1”,说明数据已写入从设备。读数据的过程包括:CPU发出起始信号后,若TWI_SR的RXRDY位为“1”,则说明TWI_RHR中有数据等待接收,当TWI_RHR中的数据被读出后,则RXRDY自动置为“0”。当读/写数据完毕后,CPU将产生一个停止信号结束传输,TWI_SR的TXCOMP将自动置“1”。
2.3 PCF8563日历时钟芯片的使用方法
  按I2C协议规约,PCF8563具有惟一的设备地址0A2H。本文重点研究PCF8563时、分、秒数据的读取方法,在此用到的内部寄存器包括控制/状态寄存器1(地址为00H)、秒寄存器(地址为02H)、分寄存器(地址为03H)、小时寄存器(地址为04H)。由于寄存器中以BCD格式存储时、分、秒数据,所以各时间时间寄存器的高位无效。
  为使PCF8563工作于普通模式,需要将控制/状态寄存器1置为00H,同时为了存储正确的时间数据,需要将读到的数据中无效的高位进行屏蔽。若需要校对时间,只需对时、分、秒寄存器进行写操作即可。
2.4 AT24C08的使用方法
  AT24C08是容量为8192 b(1024B)的E2PROM。AT24C08内部分为4页,每一页有256字节单元,所以若要访问某个单元则需要10位进行寻址,其中最高两位是页地址,低8位是页内地址。设备地址的定义如图2所示,其中P1P0对应页地址,管脚A2可为AT24C08设定两组设备地址。当A2为低电平时,4页的设备地址分别为0A0H,0A2H,0A4H,0A6H;当A2为高电平时;反之为0A8H,0AAH,0ACH,0AEH。因此,为了避免AT24C08与PCF8563的设备地址冲突,需将A2连接高电平。


  AT24C08的写操作支持“字节写”和“页面写”两种方式。“字节写”方式中每写一个字节均需主设备提供起始信号、设备地址、内部地址以及停止信号;“页面写”方式即连续写数据,需主设备提供起始标志、设备地址以及内部地址,数据全部写完后再发送停止标志。
  AT24C08的读操作支持“当前地址读”、“随机读”和“顺序读”3种方式。“当前地址读”表示从当前内部地址单元读出1个字节,所以主设备仅需提供起始信号、设备地址和停止信号;“随机读”表示从任意内部地址单元读出1个字节,所以主设备需要先提供1次起始信号、设备地址、写操作、设备内部地址和停止信号,设定设备的内部地址,之后再按“当前地址读”方式读数据即可;“顺序读”表示从当前地址开始连续读多个字节,所以主设备需提供起始信号、设备地址、读操作,数据全部读完后再发送停止信号。
  为了快速读写数据,本文采用页面写的方式将数据写入AT24C08;采用“随机读”和“顺序读”相结合的方式读取AT24C08数据。
3 软件设计
3.1 TWI初始化程序的设计
  根据TWI的功能特点,TWI初始化的初始化包括以下4步:
  (1)配置PIO控制器使复用管脚驱动TWI信号;
  (2)配置PMC使TWI时钟处于工作状态;
  (3)配置TWI为主工作模式。本文CPU为主设备,日历和存储芯片为从设备;
  (4)设置数据传输速率,配置TWI时钟波形发生器寄存器。
3.2 PCF8563驱动程序的设计
  为了控制PCF8563的工作方式,需要对其写入控制字;为了得到PCF8563输出的时间信息,需要对其进行读操作,读/写数据的流程如图3所示。
  本文设计编写如下读函数和写函数:

  其中,pTwi是结构体指针,指向的结构体中存放TWI的寄存器,通过pTwi即可访问各TWI寄存器;address表示设备地址;im_address表示设备内部地址;data代表读写数据的变量指针。


  因此,若使PCF8563工作于普通模式,并读“时”数据,可用以下代码实现:

3.3 AT24C08驱动程序的设计
  由于AT24C08由4个具有不同设备地址的页组成,且采用连续读写数据的操作方式,所以AT24C08的读写与PCF8563读写有以下几点区别。
  (1)先设置TWI_CR的起始标志,之后通过TWI_RHR和TWI_THR读/写TWI接口的数据;发送最后一个数据之前,再设置TWI_CR的停止标志。
  (2)对于多字节数据的读写,全部数据若没有传输完毕,便不发送停止信号,所以需通过判断TWI_SR寄存器中的TXRDY和RXRDY决定是否读TWI_RHR和写TWI_THR,而将是否出现停止信号作为是否停止发送和接收的判断依据。
  (3)由于数据量和起始单元均是随机的,所以有可能出现一页写不下的情况,因此针对给定的数据量和起始单元参数需要计算出共需几页,以便在进行页面切换时更换设备地址。
  本文设计编写了如下读函数和写函数。

  其中,nb为读/写的字节数,data表示存放读写数据数组变量的首指针。
3.4 软件的调试与运行
  本文采用IAR开发环境和J-LINK仿真器进行软件的在线调试和加载运行。调用函数完成以下程序设计:首先从PCF8563连续读出若干数据并写入AT24C08;其次,将AT24C08中的数据读至数组变量中。在程序中的读完AT24C08数据后设置断点,观测数组中存放的数据,从而验证驱动程序的正确性。
4 结 语
  本文介绍了PCF8563和AT24C08的使用方法,通过分析基于ARM核的AT91SAM7X256的TWI接口控制方法,设计PCF8563和AT24C08的驱动程序,实现时钟数据的读取和存储。
  本文设计的驱动模块已成功地用于智能煤矿分站实验系统中,完成了历史时间数据的记录功能,同时本文为ARM控制多个I2C设备提供了可以借鉴的方法。
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