AN-1367: ADE7953和ADuCM360之间的 I²C 接口

Fermi Lim, Daniel Kim, 和 Hariharan Mani 下载 PDF

简介

本应用笔记说明了如何使用C语言来实现在 ADE7953(从机)和ADuCM360(主机)之间实现 I2C 接口通信。ADE7953是一个单相电能计量IC，而ADuCM360是一个基于ARM® Cortex®-M3的微控制器。ADE7953包含8位、16位、24位以及32位长的寄存器。编写源代码时，必须确保依据寄存器的地址来识别读/写操作的数据大小。ADE7953数据手册中的寄存器清单包含全部相关信息。

此应用笔记介绍了ARM Cortex-M3内核和ADuCM360微控制器(MCU)，接着介绍了需要在ADuCM360中完成的初始化步骤，最后介绍了在ADE7953和ADuCM360之间如何实现I2接口。在此应用笔记中所描述的示例代码也可以用在其他基于ARM Cortex-M内核的ADI处理器中。

用于建立 I2C接口的完整源代码以可下载文件的形(AN_1367_ I2C_interface.zip)提供，网址为www.analog.com/ ADE7953或www.analogcom/ADuCM360。

本应用笔记说明了如何在Visual C++ 2012集成开发环境(IDE)中实现源代码，并为ADE7953和ADuCM360之间的 I2C通讯端口提供了有用的见解。

验证该源代码需用到下列设备和软件：

  • ADE7953和ADuCM360评估模板 (EVM)
  • 软件的开发环境：Keil MDK-ARM版本 4.72
  • 终端模拟器：Tera Term版本4.79
  • IDE：Visual C++ 2012
  • 笔记本电脑 (PC)

整个实验环境设置如图1所示。两块评估模板以线相连，如图2所示。本设置中未考虑使用隔离接口，因此两块模板都以普通电源供电并共用一根地线。如果要隔离I2接口，则必须考虑隔离器的传播延迟问题。

Figure 1. Lab Setup.
图1. 实验室设置
Figure 2. Connection Between ADuCM360 EVM and ADE7953 EVM.
图2. ADuCM360 EVM与ADE7953 EVM之间的连接

设置说明

终端模拟器软件Tera Term(版本4.79)被用于通过ADuCM360读取ADE7953寄存器的信息或向其写信息。这一通用的异步接收器/发射器(UART)通信接口被用在ADuCM360和电脑之间，用于发送和接收读/写的命令和数据。Tera Term(版本4.79)软件(包括为基于接口的UART通信完成源代码的示例)可从各种资源免费获取，其中包括OSDN公司。

图3显示的是终端窗口，通过此窗口，示例代码的获取和设置命令被用于访问ADE7953寄存器。这两个命令的语法是

  • 设置REG_ADDR值设置命令采用特定值对位于REG_ADDR的寄存器进行写入。
  • 获取START_REG_ADDR REGISTER_NUMBER 获取命令读取从START_REG_ADDR地址开始、连续REGISTER_NUMBER数量的寄存器内容。待读取寄存器位置的数量由REGISTER_NUMBER决定。

该源代码的独特性在于，即使不知道每个寄存器的数据大小，它也允许电脑与ADE7953通信，这是因为寄存器的查找表已被使用。

Figure 3. Terminal Window Showing the Use of Get Command.
图3. 显示使用获取命令的终端窗口
Figure 4. Terminal Window Showing the Use of Get and Set Commands.
图4. 显示使用获取和设置命令的终端窗口

ARM CORTEX-M3内核与ADUCM360 MCU

ARM Cortex-M3内核是基于ARMv7-M架构。Cortex-M系列主要用于嵌入市场、所需的内核时钟频率低于300 MHz的应用中。大部分嵌入式应用(例如交流电动机控制和其他简单的家用电器)并不需要如内存管理单元(MMU)和NEON™一类的复杂功能，使Cortex-M系列成为不错的选择。Cortex-M内核的架构要比其他Cortex系列简单。

Cortex-M内核系列包含以下独特功能：

  • 固定的存储图谱
  • 通用嵌套矢量中断控制器(NVIC)
  • 仅支持 umb®-2指令组

为一个Cortex-M系列MCU写的代码易于修改并可用于另一个Cortex-M系列MCU，即使它来自另一家供应商。而且，ARM免费为广泛的应用提供有用的Cortex微控制器软件接口标准(CMSIS)软件。

图5对Cortex-M系列内核的固定存储图谱与ADuCM360的固定存储图谱进行了比较。

如图5所示，ADuCM360包含适用于Cortex-M系列、基于固定存储图谱的8 kB SRAM和128 kB闪存盘/EE存储器。所有ADuCM360外围设备均被映射0x40000000至0x4004FFFF地址范围。0xE000E000 - 0xE000EE000的地址范围适用于Cortex-M内存映射寄存器(MMR)；0x40000000 - 0x4004FFFF地址范围适用于ADuCM360 MMR。

Figure 5. Memory Map Comparison Between Cortex-M and the ADuCM360.
图5. Cortex-M和ADuCM360的存储图谱比较

注意以下有关NVIC的信息：

  • Cortex-M内核系列只有一种核心中断，而较老的ARM内核有快速中断和正常中断两种中断。
  • 两组寄存器可用：中断使能寄存器(ISER)和中断除能寄存器(ICER)。

一般来说，如UART和I2C一类的外围设备自身都具有寄存器，可以禁用/启用中断。根据ISER/ICER值，在每台外围设备传输的中断中，只有一种能到达MCU核心。ISER处于0xE000E100 - 0xE000E13C地址范围，ICER处于0xE000E180 -0xE000E1BC地址范围。使用Cortex-M系列MCU时，请按需要更改ISER和ICER。在所有可用的IDE工具中，Keil MDK-ARM和IAR Embedded Workbench®最受欢迎。当可执行文件在指定的代码尺寸限制内时，这两种工具都可使用。Keil MDK-ARM IDE用于设置此应用笔记的实验环境。要在IAR Embedded Workbench IDE中使用来自可下载文件AN_1367_I2C_interface.zip中的代码，则必须更改 ADuCM360StartUp.s 文件。将IDE从Keil MDK-ARM转入IAR Embedded Workbench或从IAR Embedded Workbench转入Keil MDK-ARM时，只需更改汇编指令，无需更改指令组，这是因为汇编指令由汇编器决定，而指令组由MCU内核决定。

图6和图7分别显示了Keil MDK-ARM和IAR EmbeddedWorkbench IDE各自的工具链。在图6中，以灰色阴影显示armcc、armasm和armlink，表示它们分别构成C/C++编译器、汇编器和链接器。在图7中，同样以灰色阴影显示iccarm、iasmarm和ilinkarm，表示它们分别是编译器、汇编器和链接器。

图8显示了ADuCM360的架构。在ADuCM360的外围设备中，只有I2C、UART和GPIO用于与ADE7953和电脑进行通信。

Figure 6. Keil MDK-ARM Tool Chain.
图6. Keil MDK-ARM工具链
Figure 7. IAR Embedded Workbench Tool Chain.
图7. IAR Embedded Workbench工具链
Figure 8. ADuCM360 Block Diagram.
图8. ADuCM360框图

首先，将UART配置为与电脑通信，然后将 I2配置为接口 与ADE7953通信。

尽管本应用笔记的重点讲述 I2接口，但可下载文件 AN_1367_I2C_interface.zip提供的示例代码中也包含可用于 UART接口和GPIO的模块程序。

初始化适用于UART和 I2C 的ADUCM360

开发任意嵌入式C代码时，首先要禁用看门狗定时器看门狗定时器，然后按照需要为内核和外围设备配置时钟。

看门狗定时器在执行任何复位操作之后都会自动启用。要禁用ADuCM360的看门狗定时器，在T3CON[5]中写入0’b0，这是看门狗定时器的使能位。

// Step 1. Disable the watchdog timer.
    *pT3CON=0x0;

然后，配置UART、 I2C和Cortex-M3内核的时钟。图9和图 10显示了如何配置UART和 I2C的时钟。将内核时钟配置为16 MHz，然后相应设置UART和 I2C接口的控制寄存器。通过CLKCON1选择 I2C系统分频比时，确保内核的时钟频率低于或等于 I2C系统时钟的分频比，也就是说，HCLK≤I2CCLK。此情况适用于时钟可由CLKCON1划分的所有外围设备来说。如果外围时钟较慢，则连接至外围设备的时钟会被封闭，造成外围设备不工作。欲了解更多信息，请参考ADuCM360/ADuCM361硬件用户指南。

如图9所示，电脑的UART接口的设置传输速率为115,200 bps。因此，请相应配置Tera Term工具。参考名为“MyTera_ Setup2014.INI”的Tera Term项目文件，该文件可从可下载文件AN_1367_I2C_interface.zip中获取。

要使用Tera Term项目文件，请如图11所示，从设置 菜单中选择 还原设置 。然后，从电脑的存储位置中选择MyTera_Setup2014.INI项目文件。

Figure 9. Clock Configuration for UART.
图9. UART的时钟设置
Figure 10. Clock Configuration for I2C.
图10. I2C的时钟设置
Figure 11. Tera Term Configuration.
图11.Tera Term设置

从 ADuCM360_I2C_AppNote.c文件(从可下载文件AN_1367_ I2C_interface.zip)中提取的以下C代码说明了如何配置UART接口。代码中的所有变量表示的是与时钟、GPIO和UART相关的MMR。

//  第2步：配置时钟。
    //  UART速率为115,200 bps：
    UCLK/DIV = 16 MHz.
    *pCLKDIS=0x03F7; 
    *pCLKSYSDIV=0x00; 
    *pCLKCON0=0x0000;
    *pCLKCON1=0x0000; 
    // 第3步：设置选定UART的行为。
    *pCOMCON=0x00; // UART 外围设备已启用。
    // P0.2是UART的发射率；P0.1是UART的接受率。
    *pGP0CON=0x003C;
    *pCOMDIV=0x0002; // COMDIV = 2;
    *pCOMFBR=0x915C; // Set to 115,200 bps 
    // WordLength = 8 bits, stop bit = 1 bit, 
    no parity check.
    *pCOMLCR=0x0003;
    // COMTX and COMRX are enabled; COMIEN[1] 
    = COMIEN[0] = 1
    *pCOMIEN=0x0003;

UART的中断使能寄存器COMIEN仅适用于UART外围设备的中断(欲了解更多信息，请参考ADuCM360/ADuCM361硬件用户指南)。对于中断将传输至Cortex-M3内核的UART发射器(Tx)/接收器(Rx)，如下所示设置相应的ISER：

// ISER = 0xE000E100; enabling UART 
    interrupt.
    write_reg(0xE000E100,0x00020000);

区分中断和例外情况非常重要。例外情况可归类为同步或异步。任何系统故障一般都可称为同步例外，而中断则是异步例外。在ADuCM360的中断矢量表中，UART排在第17位。因此，要启用UART中断，请将ISER的0xE000E100地址位置设置为0x00020000。同样，要启用 I2C中断，请将 ISER如下设置： 

OldRegVal=read_reg(0xE000E100);
    RegVal = OldRegVal | 0x00200000; // for 
    I2C
    write_reg(0xE000E100,RegVal); //ISER = 
    0xE000E100;

然后，初始化ADuCM360 I2C外围设备。ADE7953一直是从 机，因此必须将ADuCM360配置为主机。

作为主装置，ADuCM360中可用的 I2C模式包括

  • 标准模式：100 kHz
    首先设置CLKSYSDIV[0] = 0，CLKCON1[8:6] = 000，然后 设置I2CDIV[15:8] = 0x4E，I2CDIV[7:0] = 0x4F
  • 快速模式：400 kHz
    首先设置CLKSYSDIV[0] = 0，CLKCON1[8:6] = 000，然后 设置I2CDIV[15:8] = 0x12，I2CDIV[7:0] = 0x13

图12显示了SCL在标准模式下的生成方式。

Figure 12. Generation Method of Standard 100 kHz SCL.
图12. 标准100 kHz SCL的生成方式

如图10和12所示，fI2CCLK 为16 MHz，如果CLKSYSDIV[0] = 0和CLKCON1[8:6] = 0被初始化，SCL的比特率fSCL则使用以下 公式予以计算：

Equation 1.

其中：

Low指的是SCL的低速时段，这是由I2CDIV[7:0]设定的。

High指的是SCL的高速时段，这是由I2CDIV[15:8]设定的。

在标准模式中，I2CDIV[7:0]被设置为0x4F (0d'78)，I2CDIV[15:8]被设置为0x4E (0d’79)。使用这些数字就能获得100 kHz的SCL时钟频率。

为了在Visual C++中使用此代码，则增加以下说明：

#ifdef FermiEmulation_Mode
    //to initialize all of the ADuCM360 
    register set.
     ADuCM360_RegsInit(); 
    #endif

欲了解更多有关此示例代码的信息，请参考 I2C接口：ADuCM360和ADE7953部分。此示例代码是基于超环架构的。因此，这种代码类型无法处理多任务。通过Tera Term工具使用菜单使得任何图形用户界面(GUI)元件可由Visual C++或Visual Basic轻松实现。大部分工厂自动化系统使用这一方法。

I2C 接口：ADUCM360和ADE7953

通过SCL和SDA两点实现I2C接口。(注意，在此部分中，多 功能引脚(例如P2.0/SCL/UARTCLK)都是因与某一功能(例如SCL)相关才被引入的。

  • SCL：串行时钟引脚。只有主机才能生成I2C时钟；SCL 可用在标准模式或快速模式中。
  • SDA：串行数据引脚。

SCL和SDA均为双向，必须用一个上拉电阻器连接到正极电源。尽管在本例中SCL是由ADuCM360生成，但理论上，它可以是双向的，因为ADuCM360的 I2C 接口可以设置为从属接口。ADE7953的 I2C 接口只能被用作从属接口。

注意，ADE7953在SCL和SDA边缘之间最低要求有0.1 µs的延时；查看数据手册中的tHD;DAT规格。ADE7953数据手册还 列出了其他必须保持的正时规格。

图14所示为一个典型I2C传输序列。

Figure 14. Typical I2C Transfer Sequence.
图14. 典型I2C传输序列

ADuCM360有两个 I2接口：一个是通过P0.1/SCLK1/SCL/ SIN与P0.2/MOSI1/SDA/SOUT引脚，另一个是通过 P2.0/SCL/ UARTCLK与P2.1/SDA/UARTDCD引脚。在此例中，使用的是P2.0/SCL/UARTCLK和P2.1/SDA/UARTDCD引脚。

// P2.0/SCL/UARTCLK 被用于 SCL，P2.1/SDA/UARTDCD 
被用于 SDA。
    *pGP2CON |= 0x05;
    // Master Enable, Tx/Rx Request Interrupt 
    Enable.
    *pI2CMCON = 0x131;

每个从设备都有一个 I2C操作地址，主设备可利用此地址 识别从设备，该地址由供应商设定。例如，ADE7953地址为0x38。

I2C 寻址类型可为7位或10位。根据ADE7953的寻址类型， 本例使用7位寻址。

如图13所示，ADuCM360的 I2C 接口具有2字节发射和接收 FIFO方案。

Figure 13. Datapath of I2C Tx/Rx.
图13. I2C Tx/Rx的数据路径

核心时钟和外围时钟通常是不同的。如果数据从一个时钟域传输至另一个时钟域，则可能因通信过程中的错误出现压稳定性。为了避免这一情况，通常使用FIFO或双端口RAM。使用组合逻辑无法解决亚稳定性问题。

图15显示了主设备如何将7位地址(Bits[7:1])和方向(读取和写入)位(Bit 0)发送至从设备。

Figure 15. 7-Bit Addressing Mode.
图15. 7位寻址模式

I2CADR0寄存器保存从设备地址和方向位。

ADE7953的 I2C接口支持的最高串行时钟频率为400 kHz。

图16和图17分别显示了ADE7953的 I2C 写入和读取操作。

Figure 16. I2C Write Sequence of the ADE7953.
图16. ADE7953的I2C写入序列
Figure 19. Select Empty Project.
图17. ADE7953的I2C 写入序列

ADE7953I2C地址为0b'0111000x，x是个方向位。0表示写操 作，1表示读操作。

当主设备发出一个7位设备地址且方向字节设为0(即0x70)时，启动ADE7953的写操作。之后是一个16位内部寄存器地址。每接收到一个字节，ADE7953就会向主机发出一个应答。主机随后发送寄存器数据，第一个是MSB。数据的长度可以是8位、16位、24位或32位，具体取决于寄存器本身。最后一个字节传输完成后，主机发出停止条件，总线返回空闲状态。

编写源代码时，重要的是要了解如何在目标设备上执行I2C 。

下列代码片段代表的是ADE7953 I2C 的写操作：

void I2C_Write_ADE7953(void)
    { 
     int i=0;
     if (((I2CMasterTxDat[0] >4) && 
    (I2CMasterTxDat[0] <= 
    6))||((I2CMasterTxDat[0] >9))) { 
     printf("The specified ADE7953 
    register address is out of range\n");
     } else {
     ReadFlag=0;
     uiMasterTxIndex = 0;
     // Master case : send 1st data.
     *pI2CMTX = 
    I2CMasterTxDat[uiMasterTxIndex++]; 
     I2cMWrCfg(0x70);
     while (!ucComplete){}
     ucComplete = 0;
     } 
    }

前面代码中的假设条件是基于ADE7953地址范围。寄存器地址的MSB决定地址是否超出范围。参考ADE7953数据手册和ADE7953评估板用户指南了解更多信息。

I2cMWrCfg(0x70)程序如图15和图16所示，向ADE7953发送 0x01110000 (0x70)。

每收到一个字节，ADE7953都会向主机应答，ADuCM360都会生成一个I2C 接口，以调用在 ADuCM360_Test_Lib.h文 件中找到的I2C0_Master_Int_Handler函数，这会改变前面 代码的ucComplete值。如果ucComplete值改变，I2C_Write_ADE7953()会退出当型循环并继续向ADE7953发送一 个字节。

往任何ADE7953寄存器中写入时，必须确保数据长度匹配寄存器的描述。从ADE7953 IC中回读信息时，这一观念也同样适用。I2C0_Master_Int_Handler函数在写操作和读操作中都会考虑寄存器数据的长度。

在代码中存在错误，尤其是针对初始项目或使用新IC时，使用Visual C++调试程序帮助调试。使用Visual C++ 调试程序也能帮助用户理解代码是如何工作的。

一般来说，嵌入式代码涉及物理地址，但Visual C++只能 解读由操作系统(OS)的MMU分配的虚拟地址。程序运行时，虚拟地址可能改变。Cortex-M系列微控制器不包含一个MMU；因此，基于Cortex-M内核的MCU不能被轻易迁移到(例如)Windows® CE或Linux® OS中。要学习如何利用Visual C++与嵌入式C代码，请参考利用Visual C++仿真嵌入式C代码章节。”


利用Visual C++仿真嵌入式C代码


在Visual C++中完成整个C代码之后，要为ADuCM360生成一张可执行的图形，请在Keil MDK-ARM或IAR EmbeddedWorkbench IDE中执行重建。因为示例代码中的以下C/C++预编译器指令，这种重建是可行的：

#ifdef FermiEmulation_Mode
    // to initialize all of the ADuCM360
    register set. 
     ADuCM360_RegsInit(); 
    #endif

在使用Visual C++ 2012调试程序工具时，以下这种逐步进行的步骤有助于理解调试过程。注意，以下方法可用于任何Visual Studio版本。

  1. 如图18所示，创建一个新项目。
    Figure 18. Create New Project.
    图18. 创建新项目
  2. 如图19所示，选择 Empty Project。
    Figure 19. Select Empty Project.
    图19. 选择Empty Project
  3. 如图20和图21所示，将所有样本文件和现有项目添加到该项目中。
    Figure 20. Add Sample Files.
    图20. 添加样本文件
    Figure 21. Add Existing Items.
    图21. 添加现有项目
  4. 如图22至图25所示，更改某些属性。
    Figure 22. Select Properties.
    图22. 选择 Properties
  5. 在C/C++下选择包含示例代码的文件夹。点击 Additional Include Directories。参考图23和图24。
    Figure 23. Search for Sample Codes.
    图23. 搜索示例代码
    Figure 24. Select Folder with Visual Studio Sample Code.
    图24. 选择包括Visual Studio示例代码的文件夹
  6. 如图25所示，仅对Visual C++编译器定义FermiEmulation_Mode。这一步骤基于哪个Visual C++代码可编程并与嵌入式C代码配合使用来预定义FermiEmulation_Mode 。使用其他Visual Studio版本时，需要搜索图22至图25中所示的相应选项，但步骤不变。仅为.NET添加 _CRT_SECURE_NO_ WARNINGS (参考图25)。
    Figure 25. Define the Code.
    图25. 定义代码
  7. 如图26所示，编译和链接Visual C++下的所有示例代码。
    Figure 26. Compile and Link all Sample Codes.
    图26. 编译和链接所有示例代码

如图26所示，代码中没有错误和警告。

图27显示了如何利用Visual C++仿真嵌入式代码。

Figure 27. Simulate Embedded Code.
图27.仿真嵌入式代码

要了解Visual C++如何工作，请仔细分析 ADuCM360_Regs.c和ADuCM360_Regs.h。这些文件定义与ADuCM360有关的真实地址，并启用MMU以依照真实地址分配虚拟地址，以便Visual C++能够除去这些文件的错误。注意，这些文件也可以通过Keil MDK-ARM或IAR Embedded Workbench进行调试。如果使用Keil MDK-ARM或IAR Embedded Workbench进行调试，则无需使用FermiEmulation_Mode。

这种调试方法非常简单，可用在所有类型的处理器中。使用Visual C++调试程序的优点在于易于分析I2C0_Master_Int_Handler函数和设置/获取命令。

I2C0_Master_Int_Handler函数的以下命令是用于同步：

#ifndef FermiEmulation_Mode 
    __asm{ nop}
     __asm{ nop}
     __asm{ nop}
     __asm{ DSB}
     __asm{ nop}
     __asm{ nop}
    #endif

下载示例代码中的printf函数旨在使用Visual C++时缩小代 码尺寸；因此，如果使用Keil MDK-ARM或IAR Embedded Workbench运行库，则代码尺寸可能更大。在JongSuLib_V2.c库文件中可以找到压缩printf函数，它还包含许多有用的其他函数，例如寄存器读/写函数。名称为ADuCM360_Test_Lib.c的有用库文件包含支持ADuCM360外围设备(如 I2C、SPI、UART和ADCs/DAC)的函数。这两种通用库在需要时也可导入其他项目。

结论

本应用笔记说明了如何实现 I2C C语言代码，来通ADuCM360监控和修改ADE7953的寄存器。建议使用Visual C++来开发代码，因为使用此工具很容易进行编码和调试。然后使用Keil MDK-ARM或IAR Embedded Workbench来编译和链接C代码，无需额外更改，即可生成可执行文件。

作者

Generic_Author_image

Fermi Lim

Generic_Author_image

Daniel Kim

Generic_Author_image

Hariharan Mani