盧慧慧，袁玉湘

（國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院 電工新材料及微電子研究所，北京102211）

盧慧慧（工程師），主要研究方向為嵌入式軟件、信號處理等；袁玉湘（高級工程師），主要研究方向為集成電路、嵌入式軟件。

引 言

近幾年，嵌入式系統(tǒng)在很多領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。VxWorks是Wind River公司開發(fā)的嵌入式操作系統(tǒng)，具有高性能、可高度裁減等特點，能夠支持多種微處理器，如PowerPC、X86、ARM、MIPS等。隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，電力需求快速增長。在電力系統(tǒng)中考慮到通信方式的多元化要求以及智能電網(wǎng)發(fā)展的不確定性，要保證系統(tǒng)開發(fā)的可持續(xù)性及可擴展性，電能質(zhì)量監(jiān)測、智能電網(wǎng)調(diào)度、繼電保護等電力行業(yè)場景需要高實時性、高可靠度的操作系統(tǒng)來保證通信的實時性和可靠性。在此背景下，嵌入式實時操作系統(tǒng)VxWorks在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。同時硬件和軟件之間的聯(lián)系是通過驅(qū)動實現(xiàn)的，那么驅(qū)動就具有非常重要的作用。

I2C（Inter Integrated Circuit）總線是飛利浦公司于20世紀80年代開發(fā)的一種“電路板級”的總線結(jié)構(gòu)。它是一種同步通信形式，具有接口線少、控制方式簡單、通信速率較高等優(yōu)點［3］，使得I2C總線在電力通信中得到廣泛的應(yīng)用，如應(yīng)用在電力通信網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中，既能簡化系統(tǒng)接口，又能使系統(tǒng)易于擴展［4］。在主從通信模式中，I2C總線可以同時連接上多個I2C從設(shè)備，并且通過設(shè)備地址來識別具體的通信對象。

本文通過對龍芯公司LS232 內(nèi)核的龍芯1B 芯片分析研究，提出了在VxWorks操作系統(tǒng)下進行I2C 總線及設(shè)備驅(qū)動程序的設(shè)計方案。

1 I 2C總線通信協(xié)議及龍芯1B芯片介紹

I2C總線用串行數(shù)據(jù)（Serial Data，SDA）和串行時鐘（Serial Clock，SCL）兩條線在總線和設(shè)備之間進行信息傳遞，在設(shè)備間進行串行通信或者雙向數(shù)據(jù)傳送。對每個芯片來說，每條線既是輸入線，又是輸出線［5］。

I2C總線遵從同步串行傳輸協(xié)議，即每一位在串行發(fā)送時都是由時鐘SCL 的邊沿進行同步，總線上傳送的每一幀數(shù)據(jù)都是一個字節(jié)。在每個數(shù)據(jù)包前都有一個地址，用來指示由哪個器件來接收該數(shù)據(jù)。I2C主控制器和I2C設(shè)備是I2C 總線體系結(jié)構(gòu)中的兩個重要概念。其中I2C主控制器是微控制器提供控制I2C總線的接口，用于控制所有I2C總線的特殊序列、協(xié)議、仲裁和時序；而I2C設(shè)備指的是與I2C總線相連的外圍設(shè)備，比如EEPROM 存儲器、RTC時鐘等。不同的I2C設(shè)備具有不同的特性，因此其驅(qū)動程序一般都需要特別設(shè)計［6］。

龍芯1B芯片是一款基于MIPS指令集的32位SoC芯片，片內(nèi)集成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的32位處理器核，能夠滿足超低價位云終端、工業(yè)控制／數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、消費類電子等領(lǐng)域需求。芯片擁有8KB的指令和數(shù)據(jù)緩存器，1 個LCD 控 制 器、1 個DDR2 控 制 器、1 個NAND FLASH 控 制 器、1 個 全 功 能 串 口、1 個 四 線 串 口 和10 個兩線串口，支持I2C、SPI、CAN、USB等接口［7］。

2 嵌入式VxWorks驅(qū)動程序框架

在嵌入式VxWorks操作系統(tǒng)中，外部設(shè)備可以分成3種類型：字符設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及塊設(shè)備。根據(jù)設(shè)備的類型，對于驅(qū)動程序的管理也分成3種模塊：字符設(shè)備驅(qū)動程序模塊、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序模塊以及塊設(shè)備驅(qū)動程序模塊［8］。一種驅(qū)動管理模塊對應(yīng)一種類型的設(shè)備，而且各個模塊中不同設(shè)備的功能也是不一樣的，用戶可以在Vx－Works下，根據(jù)需求建立不同的功能模塊，實現(xiàn)系統(tǒng)的高性能和可裁減性。

在嵌入式VxWorks操作系統(tǒng)中，設(shè)備的驅(qū)動程序是板級支持包（Board Support Package，BSP）的一部分，完成了對設(shè)備初始化、讀、寫操作和控制等功能。驅(qū)動程序是直接控制設(shè)備的程序，同時也是設(shè)備上層的軟件接口。本質(zhì)上，設(shè)備的驅(qū)動程序是對I／O 進行操作，從軟件層面上來看，就是對I／O 端口的地址進行讀操作或?qū)懖僮鳎?］。只要操作系統(tǒng)訪問外設(shè)，就會調(diào)用驅(qū)動程序，由此得出，驅(qū)動程序并不能夠自動執(zhí)行，而只能夠被操作系統(tǒng)或者應(yīng)用程序所調(diào)用。

在VxWorks應(yīng)用程序中，系統(tǒng)訪問外部設(shè)備是通過VxWorks的I／O 子系統(tǒng)進行操作的。VxWorks的I／O 子系統(tǒng)具有獨特性，比其他I／O 系統(tǒng)更加快速、靈活，這在實時系統(tǒng)中是非常重要的。針對基于I／O 系統(tǒng)的字符設(shè)備和塊設(shè)備，VxWorks的I／O 系統(tǒng)提供一些ioLib系統(tǒng)庫中的標準I／O 接口函數(shù)。這種驅(qū)動設(shè)計方法的優(yōu)點是對應(yīng)用程序開發(fā)人員進行底層硬件的屏蔽，使得其在編寫程序時不需要關(guān)心底層設(shè)備硬件。對于一個字符設(shè)備來說，驅(qū)動程序包含了7 種基本I／O 操作函數(shù)：創(chuàng)建設(shè)備create（）、刪除設(shè)備remove（）、打開設(shè)備open（）、關(guān)閉設(shè)備close（）、讀取設(shè)備中的數(shù)據(jù)read（）、向設(shè)備寫數(shù)據(jù)write（）和設(shè)置設(shè)備的方式字ioctl（）［10］。但有些設(shè)備并不支持其中的某些操作，可以在實現(xiàn)的時候?qū)⑵涫÷浴?/p>

3 I 2C主控制器驅(qū)動設(shè)計

I2C設(shè)備屬于字符設(shè)備，I2C 主控制器的驅(qū)動程序按功能可以分成3個主要模塊：初始化模塊、讀模塊和寫模塊。在VxWorks嵌入式系統(tǒng)中，連接I2C 總線上的設(shè)備必須按照I2C總線時序傳輸，下面介紹一下I2C主控制器驅(qū)動的基本模塊。

3.1 I 2C主控制器初始化i2c＿Init（）

初始化I2C主控制器，主要是為各個寄存器設(shè)置正確的初值。首先，對I2C 通信端口進行配置，包括分頻鎖存器低字節(jié)寄存器PRERlo和分頻鎖存器高字節(jié)寄存器PRERhi，以實現(xiàn)合適的總線時鐘頻率。若分頻鎖存器的值為prescale，從APB 總線PCLK 時鐘輸入的頻率為clock＿a，SCL總線的輸出頻率為clock＿s，則應(yīng)滿足如下關(guān)系：prescale＝clock＿a／（5×clock＿s）－1。然后，設(shè)置控制寄存器CTR，使I2C總線處于正常工作模式。

3.2 I 2C主控制器寫字節(jié)和寫數(shù)據(jù)

I2C主控制器寫字節(jié)函數(shù)i2cWriteByte（）實現(xiàn)的功能是I2C總線發(fā)送出一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，并接收應(yīng)答位。函數(shù)實現(xiàn)具體流程如下：

①設(shè)置發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器TXR，將被寫進的數(shù)據(jù)從設(shè)備的設(shè)備地址放在發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器，然后，設(shè)置命令控制寄存器CR產(chǎn)生寫信號、START 信號以及應(yīng)答信號；

②讀狀態(tài)寄存器SR，看是否傳輸完成及收到應(yīng)答信號。如果正在傳輸數(shù)據(jù)，則等待并一直檢測傳輸?shù)倪^程，直到數(shù)據(jù)傳輸完畢，數(shù)據(jù)傳輸完畢后，檢測是否收到應(yīng)答信號，如果沒有收到，重新進行發(fā)送；

③收到應(yīng)答位后，將要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器TXR，然后，命令控制寄存器CR產(chǎn)生寫信號；

④重復(fù)第2步的操作，如果控制器沒有收到應(yīng)答信號，則重復(fù)第3步的操作，直到一個字節(jié)的數(shù)據(jù)寫完收到應(yīng)答信號為止；

⑤設(shè)置命令控制寄存器CR產(chǎn)生STOP信號。

i2cWrite（）函數(shù)實現(xiàn)的功能是I2C總線發(fā)送出連續(xù)的數(shù)據(jù)，并接收應(yīng)答位。當要發(fā)送的數(shù)據(jù)長度為0時，則直接返回，不做任何操作；當要發(fā)送的數(shù)據(jù)大小是一個字節(jié)時，則直接調(diào)用i2cWriteByte（）即可；當要發(fā)送的數(shù)據(jù)大小大于一個字節(jié)時，循環(huán)進行寫操作，直至將所有的數(shù)據(jù)都寫入到從設(shè)備中為止。

i2cWrite（）函數(shù)中實現(xiàn)循環(huán)寫操作的部分略——編者注。

3.3 I 2C主控制器讀字節(jié)和讀數(shù)據(jù)

I2C主控制器讀字節(jié)函數(shù)i2cReadByte（）實現(xiàn)的功能是I2C總線從設(shè)備中讀出一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，并接收應(yīng)答位，返回值是接收到的數(shù)據(jù)。函數(shù)實現(xiàn)的具體流程如下：

①設(shè)置發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器TXR，將被寫進數(shù)據(jù)的從設(shè)備的設(shè)備地址放入發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器，然后，設(shè)置命令控制寄存器CR產(chǎn)生寫信號、START 信號以及應(yīng)答信號；

②讀狀態(tài)寄存器SR，看是否傳輸完成及收到應(yīng)答信號，如果正在傳輸數(shù)據(jù)，則等待并一直檢測傳輸?shù)倪^程，直到數(shù)據(jù)傳輸完畢，數(shù)據(jù)傳輸完畢后，檢測是否收到，如果沒有收到應(yīng)答信號，重新進行發(fā)送；

③數(shù)據(jù)傳輸完畢并且收到應(yīng)答位后，設(shè)置命令控制寄存器CR產(chǎn)生讀信號和應(yīng)答信號；

④重復(fù)第2步的操作，如果控制器沒有收到應(yīng)答信號，則重復(fù)第3步的操作直到數(shù)據(jù)傳輸完畢后，讀接收數(shù)據(jù)寄存器RXR，將接收到的數(shù)據(jù)放到寄存器rBuf中；

⑤設(shè)置命令控制寄存器CR產(chǎn)生STOP信號。

i2cRead（）函數(shù)實現(xiàn)的功能是I2C總線接收連續(xù)的數(shù)據(jù)，并接收應(yīng)答位。當要接收的數(shù)據(jù)長度為0時，則直接返回，不做任何操作；當要接收的數(shù)據(jù)大小是一個字節(jié)時，則直接調(diào)用i2cReadByte（）即可；當要接收的數(shù)據(jù)大小大于一個字節(jié)時，循環(huán)進行讀操作，直至總線讀取到所有的數(shù)據(jù)為止。

i2cRead（）函數(shù)中實現(xiàn)循環(huán)讀操作的部分略——編者注。

4 I 2C設(shè)備驅(qū)動的設(shè)計

4.1 RX8025簡介及硬件連接結(jié)構(gòu)

RX8025 是EPSON 公 司 的 實 時 時 鐘（Real－Time Clock，RTC）芯片。該芯片的外部通信接口采用I2C 總線方式，內(nèi)部配置頻率可調(diào)、高精度的32.768kHz晶振，具有2個系統(tǒng)鬧鐘功能、6種中斷發(fā)生功能以及時鐘精度調(diào)整功能，在手機、控制裝置、智能儀表及其他電子領(lǐng)域中得到大量應(yīng)用。

RTC最重要的功能就是顯示時間，是通過讀／寫寄存器實現(xiàn)的［11］。要顯示秒、分、時、日期、月、年，CPU 必須讀取存于BCDSEC、BCDMIN、BCDHOUR、BCDDAY、BCDDATE、BCDMON 與BCDYEAR寄存器中的值，時間的設(shè)置也是通過這些寄存器實現(xiàn)的。龍芯1B處理器通過I2C總線與RTC時鐘RX8025相連接，CPU 通過I2C 主控制器與RTC 的讀／寫寄存器相連，以便完成RTC 時間的初始化及讀取等。

4.2 RX8025的簡介及硬件連接結(jié)構(gòu)

4.2.1 I2C設(shè)備描述符結(jié)構(gòu)

由圖9看到，最大應(yīng)力主要集中在安裝孔附近，其值為20.6 MPa，小于材料的許用應(yīng)力.因此當板厚選擇10 mm時，滿足強度要求.

4.2.2 具體設(shè)計

設(shè)備驅(qū)動初始化函數(shù)i2cDrv（），可以判斷驅(qū)動是否已經(jīng)初始化。如果已經(jīng)完成初始化，則直接返回；如果還沒有初始化，則調(diào)用iosDrvInstall（）例程。該例程對于同一個設(shè)備，驅(qū)動只需要調(diào)用一次，它將驅(qū)動服務(wù)程序與I／O系統(tǒng)服務(wù)進行關(guān)聯(lián)，將I2C驅(qū)動例程加入到驅(qū)動表DRV＿TABLE中，并且分配給I2C設(shè)備一個驅(qū)動號。

設(shè)備創(chuàng)建函數(shù)i2cDevCreate（），首先判斷驅(qū)動是否已經(jīng)初始化。如果還沒有初始化，則返回錯誤信息；如果已經(jīng)完成初始化，則進行設(shè)備的一些初始化。首先分配設(shè)備描述符并對其進行初始化；然后調(diào)用iosDevAdd（）例程，該函數(shù)向VxWorks的I／O 子系統(tǒng)的設(shè)備鏈表DEVICE LIST 中添加一個I2C 設(shè)備，并設(shè)置I2C 設(shè)備頭結(jié)構(gòu)的驅(qū)動號i2cDrvNum，該驅(qū)動號是設(shè)備驅(qū)動初始化完成時返回的驅(qū)動號；最后設(shè)置I2C設(shè)備頭結(jié)構(gòu)的設(shè)備名devName為“／i2cDev”，這樣就保證了設(shè)備對于以后的open（）、read（）和write（）例程可用。

設(shè)備打開函數(shù)i2cOpen（），通過調(diào)用I2C 控制器初始化函數(shù)i 2c＿Init（）來進行I2C主控制器的初始化，并且必須返回一個I2C設(shè)備指針pi2cDev，之所以要返回該指針，是因為一定要將該指針賦值給文件表FD＿TABLE中文件條目FD＿ENTRY 中的第一項pDevHdr。

設(shè)備寫函數(shù)rtcwrite（），通過I2C主控制器向RTC設(shè)備中寫入數(shù)據(jù)。在RTC 模塊中，寄存器BCDSEC、BCDMIN、BCDHOUR、BCDDAY、BCDDATE、BCDMON 和BCDYEAR分別寫入秒、分、時、天、月、年的數(shù)值，完成RTC初始時間的設(shè)定。

設(shè)備讀函數(shù)rtcread（），通過I2C 主控制器讀出RTC設(shè)備中的數(shù)據(jù)，即當前的時間值。訪問RTC 模塊的寄存器，首先要設(shè)RTCCON 的位為1。CPU 通過讀取RTC模塊中寄存器BCDSEC、BCDMIN、BCDHOUR、BCDDAY、BCDDATE、BCDMON 和BCDYEAR的值，得到當前的相應(yīng)時間值。

在嵌入式操作系統(tǒng)VxWorks的開發(fā)環(huán)境Workbench中，首先創(chuàng)建VxWorks image工程，將設(shè)計好的I2C 主控制器驅(qū)動和I2C 設(shè)備RTC 驅(qū)動文件編譯到VxWorks內(nèi)核中［12］；然后再將編譯生成的VxWorks映像文件通過網(wǎng)口下載到嵌入式設(shè)備如龍芯1B開發(fā)板中；最后上電運行，目標板可以實現(xiàn)I2C總線以及I2C設(shè)備的功能。

4.2.3 RTC設(shè)備驅(qū)動和測試

設(shè)備驅(qū)動的驗證需要在用戶空間的測試程序中來完成，首先，針對RTC 設(shè)備驅(qū)動的測試程序描述如下：在VxWorks系統(tǒng)命令行下，調(diào)用i2cDrv（）初始化設(shè)備驅(qū)動，然后調(diào)用i2cDrvCreate（）創(chuàng)建RX8025 設(shè)備，將從設(shè)備RX8025掛接在I2C總線上；然后，CPU 通過I2C主控制器訪問RX8025，在RX8025中先寫入自定義的初始時間，格式為“年月日時分秒”。測試結(jié)果顯示，CPU 可以讀出時間值，格式也為“年月日時分秒”，第一次讀取時間為14：50：04，第二次讀取的時間為14：50：21，時間一直在增長，結(jié)果略——編者注。這樣可以證明本文設(shè)計的I2C 驅(qū)動程序的正確性。

4.3 I 2C設(shè)備驅(qū)動的應(yīng)用實例

在某電網(wǎng)項目的控制設(shè)備中使用龍芯1B芯片，該芯片通過I2C 總線與STM8S003單片機相連。在VxWorks系統(tǒng)下使用本文設(shè)計的VxWorks的I2C 驅(qū)動程序控制STM8S003單片機，并實現(xiàn)ADC功能，該ADC具有10位轉(zhuǎn)換精度，共有5路A／D轉(zhuǎn)換通道，以實現(xiàn)對控制設(shè)備周邊環(huán)境中溫度、濕度等物理量的監(jiān)控。不同A／D轉(zhuǎn)換通道采集到的數(shù)據(jù)結(jié)果略——編者注，通道0的數(shù)據(jù)為232，通道1的數(shù)據(jù)為448，通道2的數(shù)據(jù)為542，通道3的數(shù)據(jù)為381。上述結(jié)果可以轉(zhuǎn)換為對應(yīng)物理量值，以通道1為例，通道1采集到的電壓值為U1＝448×10／1024＝4.375V。

結(jié) 語

本文詳細介紹了基于VxWorks的I2C驅(qū)動程序的設(shè)計方法，包括I2C主控制器驅(qū)動和I2C總線設(shè)備驅(qū)動兩部分。最后通過對I2C 設(shè)備RTC 進行讀和寫操作，驗證了本文的設(shè)計方法是正確可行的。使用基于VxWorks的I2C總線通信方式，在提高通信實時性的同時簡化了系統(tǒng)接口，并為今后VxWorks系統(tǒng)下其他設(shè)備驅(qū)動的開發(fā)提供了參考方法，增強了嵌入式模塊在電力系統(tǒng)應(yīng)用中的實時性和可靠性。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

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