O口的多种扩展与I2C接口模拟

ti公司的dsp芯片tms320vc5410a（简称5410a）是性能卓越的低功耗定点16位dsp，在嵌入式系统中有着广泛应用，5410a没有专门的通用i/o引脚，仅有xf引脚可以作为单向输出，/bio引脚作为单向输入，同时5410a的片上外设没有i2c接口，所以，当5410a需要控制外围芯片或与其他芯片进行通信时（如i2c通信），必须扩展通用i/o口，本文首先介绍5410通用i/o口的多种扩展方式，然后针对每种扩展方式实现与语音芯片tlv320aic23的i2c通信。 1 通用i/o口的多种扩展方式 1.1 使用多通道缓冲串行接口扩展通用 i/o口 5410a具有3个多通道缓冲串行（简称mcbsp）接口，每个mcbsp接口有6个引脚，在通常情况下，可以灵活地与外围设备进行串行通信。在需要的时候，可以配置为通用i/o口。 mcbsp的6个引脚分别是bclkr、bclkx、bfsr、bfsx、bdr和bdx，通过配置mcbsp的子寄存器pcr来实现通用i/o口的扩展，下面对图1所示的pcr寄存器的配置进行阐述。

本文引用地址： 1）15位与16位。保留。 2）第13位xioen和12位rioen，控制着mcbsp的功能，分别对应着3个引脚，xioen控制bclkx、bfsx和bdx，rioen控制bclkr、bfsr和bdr，其中bdx只能作为单向输出，bdr只能作为单向输入，当这两位置0时，mcbsp作为普通的串行接口与外部通信，当这两位置1时，把mcbsp置为通用i/o口。xioen和rioen对引脚的控制是分开的，例如xioen＝1，rioen＝0时，bclkx、bfsx和bdx三个引脚是作为同月i/o口的，而bclkr、bfsr和bdr依然可以作为通用串行口的接收。 3）11位－8位，控制着相应引脚的输入/输出，配置为输入时置0，配置为输出时置1，例如bclkr引脚为输出，则置第8位clkrm为1，bclkx引脚为输入，则置第9位clkxm为0。 4）第7位与6位，与通用i/o口无关。 5）第5位lx_state，作为bdx引脚的输出控制，置1输出高电平，置0输出低电平。 6）第4位dr_state，表示bdr引脚的输入状态，读入1表示输入高电平，读入0表示输入低电平。 7）第3－0位，在输出时控制着相应引脚的高低电平，而作为输入时，可以从对应引脚读出电平的高低状态，在这里要注意：在配置mcbsp为通用i/o口时，要首先停止串行接口的收发，即配置spcr1中的rrst位为0，spcr2中的xrst位为0。 1.2 使用主机接口（hpi）扩展通用i/o口 5410a具有增强型8位和16位主机接口（简称hpi），通常情况下用来与主机进行高速率的数据通信，需要时可以禁止主机接口的功能，扩展为通用i/o口。 hpi接口有8位数据线hd0－hd7可以用来作为通用i/o口，通用i/o口的扩展是通过两个专用寄存器gpiocr（通用i/o口控制寄存器）和gpiosr（通用i/o口状态寄存器）的控制来实现的。下面对图2和图3所示的两个寄存器的配置进行阐述。

图2和图3中的dir7－dir0和hd7－hd0引脚一一对应，gpiocr用来控制通用i/o口的读/写方向。当7－0中的某一位置0时，对应的引脚配置为输入，当置为1时，对应引脚配置为输出，例如dir7置为0时，dh7作为输入引脚，dir6置为1时,dh6作为输出引脚，gpiosr在作为输出时是用来控制i/o口的高低电平，置为1高电平，置0为低电平，在作为输入时，相应的位用来反应对应引脚上的电平状态。在这里要注意：在配置hpi接口为通用i/o口时，在硬件设计上需要将5410a的第92引脚（hpiena）悬空或者接地，来禁止hpi接口。

1.3 使用xio2接口扩展通用i/o口 5410具有片上增强型外部并行接口（xio2），该接口具有23位地址线（a22－a0）和16位数据线（d15－d0），通常该接口用来与sram或其他并行设备进行通信，在需要的时候可以被用作通用i/o口来使用。作为i/o口使用时，使用portw合powtr指令来发出和读入数据。在这里需要注意的是，23根地址线只能作为输出引脚，16位数据线可以被用作通用双向i/o引脚来使用。 2 模拟i2c接口与tlv320aic23的通信 2.1 i2c接口和tlv320aic23简介 i2c（inter－integrated circuit）总线是一种由philips公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。i2c总线是由数据线sda和时钟scl构成的串行总线，可发送和接收数据，在cpu与被控ic之间，ic与ic之间进行双向传送。各种被控制电路均并联在这条总线上，但就象电话机一样只有拨通各自的号码才能工作，所以每个电路和模块都有唯一的地址。i2c总线主要的优点是其简单性和有效性，由于接口直接在组件之上，因此i2c总线占用的空间非常小，减少了电路板的空间和芯片引脚的数量，降低了互联成本，总线的长度可高达25英尺，i2c总线的另一个优点是：支持多主控（multimastering）,任何能够进行发送和接收的设备都可以成为主总线，图4给出了与i2c接口通信的数据流程。有关i2c总线的详细资料请查阅参考文献[1]。

tlv320aic23（简称aic23）是ti公司推出的一款高性能的立体声音频编/解码芯片，可以在8－96khz的频率范围内提供16位、20位、24位和32位的采样，adc和dac的输出信噪比可以分别达到90db和100db；具有很低的功耗，回放模式下功率仅为23mw，省电模式下更是小于15μw，因此aic23是一款非常理想的音频模拟i/o器件，可以很好地应用在数字音频领域，有关aic23的详细资料请查阅参考文献[2]，aic23的配置有spi和i2c两种方式，这里介绍以通用i/o口模拟i2c通信来配置aic23。aic23的i2c时序图如图5所示。

2.2 用mcbsp接口作为通用i/o模拟i2c接口 使用mcbsp和aic23的i2c接口的原理如图6所示，在这里使用5410a的mcbsp1的bclkx1和bfsx1引脚与aic23的sclk和sdin引脚连接。bclkx1作为i2c的时钟，bfsx1作为i2c的数据线。需要注意的是，必须把aic23的mode引脚接地。才能选中aic23的i2c模式；而且当cs引脚为低电平时，aic23的i2c地址为0011010。在3种接口方式中，5410a都作为i2c总线上的主设备，aic23作为i2c总线上的从设备。

使用mcbsp端口扩展通用i/o口时，每次都要先写入pcr寄存器的入口地址0eh，然后才能操作pcr寄存器。 2.3 使用hpi接口作为通用i/o模拟i2c接口 使用hpi接口和aic23的i2c接口的原理如图7所示，在这里使用5410a的hd0和hd1引脚与aic23的sclk和sdin引脚连接，hd1作为i2c的时钟，hd0作为i2c的数据线，要注意的是，必须把5410a的hpiena引脚接地，才能将hpi端口作为通用i/o口使用。

使用hpi端口扩展通用i/o口时，首先要配置控制寄存器确定端口的输入/输出方式，然后再操作数据寄存器。 2.4 使用xio2接口作为通用i/o模拟i2c接口 使用xi02接口和aic23的i2c接口的原理如图8所示，在这里使用5410a的a0和d0引脚与aic23的sclk和sdin引脚连接，a0作为i2c的时钟，d0作为i2c的数据线。需要注意的是：5410a的a0引脚只能作为输出，在这种情况下，5410a只能作为i2c总线上的主设备。

2.5 三种扩展方法的比较 上述介绍的3种方法中，使用mcbsp接口来扩展通用i/o口，有配置灵活，收发端口可以独立操作，最多4个引脚（bclkr、bclkx、bfsr和bfsx）可以作为双向i/o口的优点。但是从程序代码的长度也可以看到，编程比较烦琐，而且引脚数较少，使用起来不太方便，使用hpi接口来扩展通用i/o口，由于有专用的寄存器来控制通用i/o口扩展，具有配置灵活控制方便的优点，而且全部8个引脚都可以作为双向i/o口使用，但是hpi接口作为通用i/o口后，就不再具有hpi功能，如果i/o引脚需要不多，则会造成资源的浪费，而且在某些dsp芯片（如tms320vc5410）上不支持hpi作为通用i/o口使用。使用xio2接口扩展通用i/o口，具有引脚多（有38个引脚，）操作方便的优点，但是xio2接口一般都是和sram或其他并行设备进行通信使用，复用xio2接口作通用i/o口时要格外谨慎，而且作为i/o口时地址线只能单向输出，应用起来具有局限性，所以在扩展通用i/o口的时候，需要根据系统的需要选择扩展的方式。 结语 ti公司的c5000系列dsp多都没有专用的通用i/o引脚，本文介绍的3种方法可以有效地扩展dsp的通用i/o口，在设计时可以灵活地选择扩展方式，其中hpi扩展方式适用于支持扩展功能的芯片，mcbsp扩展方式和xio2扩展方式适用于大多数c5000系列芯片，使用这些方法，可以省掉外围的控制电路和芯片，降低系统成本和功耗，具有较高的实用价值。

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