本文將研究詳細(xì)分析I2C的工作原理和通信協(xié)議和Linux的I2C總線驅(qū)動程序，設(shè)計(jì)一個應(yīng)用在高速公路視頻監(jiān)控的基于I2C云臺電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，為高速公路的全方位視頻監(jiān)控提供一個設(shè)計(jì)方案。
高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)以及云臺電機(jī)整體設(shè)計(jì)
本研究課題的高速公路高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用TI公司的TMS320DM368，DM368是一款面向多媒體技術(shù)應(yīng)用的高性能芯片，功能強(qiáng)大，集成了ARM926EJ-S內(nèi)核、硬件編碼協(xié)處理引擎( HDVICP)、圖像處理子系統(tǒng)( VPSS)。DM368頻率高達(dá)432MH，支持多格式解碼、多速率以及高清多通道功能，最高可以支持H.264編碼1080P格式30幀/s的速度，而且還可提供多種獨(dú)立式音頻、語音以及高清視頻編解碼器(H.264)。該處理器有I2C總線等外圍接口等，其中ARM9運(yùn)行開源、性能穩(wěn)定安全Linux嵌入式操作系統(tǒng)。
視頻監(jiān)控系統(tǒng)中云臺電機(jī)控制的設(shè)計(jì)采用DM368的I2C總線接口，設(shè)計(jì)基于ARM9的I2C云臺電機(jī)，完成驅(qū)動程序設(shè)計(jì)和應(yīng)用程序設(shè)計(jì)，以及應(yīng)用程序控制電機(jī)轉(zhuǎn)動，應(yīng)用于視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，達(dá)到全方位的高速公路視頻監(jiān)控。
I2C硬件構(gòu)成和通信協(xié)議
I2C總線是由雙向數(shù)據(jù)線和時鐘線構(gòu)成的二線制串行總線，總線采用主從雙向通信，即總線上在某一時刻只有一個主設(shè)備總線上的其他設(shè)備都作為從設(shè)備，任何能夠進(jìn)行發(fā)送和接收的設(shè)備都可以成為主設(shè)備，但是在同一時間內(nèi)只能有一個設(shè)備作為主設(shè)備，通常為處理器，其他器件作為從設(shè)備與主設(shè)備進(jìn)行通信，采用唯一的I2C地址識別。
圖1 I2C時序
如圖1I2C的工作時序圖所示，I2C總線在傳送數(shù)據(jù)過程中使用了三種信號。(1)開始信號：SCL為高電平時，SDA由高電平向低電平跳變，表示將要開始傳送數(shù)據(jù);(2)應(yīng)答信號：從設(shè)備在接收到1個字節(jié)數(shù)據(jù)后向主設(shè)備發(fā)出一個低電平脈沖應(yīng)答信號，表示已收到數(shù)據(jù)，主設(shè)備根據(jù)從設(shè)備的應(yīng)答信號做出是否繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)的操作(I2C總線每次數(shù)據(jù)傳輸時字節(jié)數(shù)不限制，但是每發(fā)送都要有一個應(yīng)答信號);(3)結(jié)束信號：為低電平時由低電平向高電平跳變，表示數(shù)據(jù)傳送結(jié)束。
總線具體的通信工作原理：主設(shè)備首先發(fā)出開始信號，接著發(fā)送的1個字節(jié)的數(shù)據(jù)，其由高7位地址碼和最低1位方向位組成(方向位表明主設(shè)備與從設(shè)備間數(shù)據(jù)的傳送方向)。系統(tǒng)中所有從設(shè)備將自己的地址與主設(shè)備發(fā)送到總線上的地址進(jìn)行比較，如果從設(shè)備地址與總線上的地址相同，該設(shè)備就是與主設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)備。接著進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，根據(jù)方向位，主設(shè)備接收從設(shè)備數(shù)據(jù)或發(fā)送數(shù)據(jù)到從設(shè)備。當(dāng)數(shù)據(jù)傳送完成后，主設(shè)備發(fā)出一個停止信號，釋放I2C總線，然后所有從設(shè)備等待下一個開始信號的到來。
I2C的Linux和ARM驅(qū)動設(shè)計(jì)
(1)Linux2.6.32的I2C驅(qū)動分析
I2C由主設(shè)備和從設(shè)備構(gòu)成，通信上通過識別I2C地址進(jìn)行通信，即可以存在多個i2c adapter適配器和多個外設(shè)i2c device，Linux的I2C驅(qū)動采用分層設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的思想，層與層之間不存在耦合，增加adapter和增加device不會影響其他驅(qū)動，具體分層如下。
第一層：提供i2c adapter的硬件驅(qū)動，探測、初始化i2c adapter(如申請i2c地址和中斷號)，驅(qū)動處理器控制的i2c adapter在硬件上產(chǎn)生信號(start、stop、ack)以及處理i2c中斷，涉及圖2中的硬件實(shí)現(xiàn)層。
第二層：提供i2c adapter的algorithm，用具體適配器的xxx_xfer()函數(shù)來填充i2c_algorithm的master_xfer函數(shù)指針，并把賦值后的i2c_algorithm，再賦值給i2c_adapter的成員指針，主要涉及圖2中訪問抽象層、i2c核心層。
第三層：實(shí)現(xiàn)i2c設(shè)備驅(qū)動中的i2c_driver接口，用具體的i2c device設(shè)備的i2c_add_driver ()、i2c_del_driver ()方法賦值給i2c_driver的成員函數(shù)指針，采用Probe探尋方式實(shí)現(xiàn)設(shè)備device與總線的掛接，涉及圖2中的driver驅(qū)動層，此層是本文實(shí)現(xiàn)的驅(qū)動部分。
第四層：實(shí)現(xiàn)i2c設(shè)備所對應(yīng)的具體device的驅(qū)動，i2c_driver只是實(shí)現(xiàn)設(shè)備與總線的掛接，掛接在總線上的設(shè)備千差萬別的，所以要實(shí)現(xiàn)具體設(shè)備device的write()、read()、ioctl()等方法，賦值給file_operations，然后注冊字符設(shè)備，涉及圖2中的driver驅(qū)動層，此層是本文實(shí)現(xiàn)的驅(qū)動部分。
第一層和第二層又叫i2c總線驅(qū)動(bus driver)，第三層和第四層屬于i2c設(shè)備驅(qū)動(device driver)。在Linux驅(qū)動架構(gòu)中，不需要再開發(fā)總線驅(qū)動，因?yàn)長inux內(nèi)核幾乎集成所有總線驅(qū)動，驅(qū)動設(shè)計(jì)主要是實(shí)現(xiàn)第三層和第四層的設(shè)備驅(qū)動。
圖2 I2c驅(qū)動架構(gòu)圖
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