摘要：介绍了虚拟I2C总线技术的特点，描述了用单片机（C51）的普通I/O口以及对DSP（TMS320VC5402）的McBSP口和HPI-8口模拟I2C总线接口的设计方案，最后给出了对SAA7111进行初始化的方法。

    关键词：虚拟I2C总线技术；SAA7111；DSP；I2C总线

ＳＡＡ７１１１是Ｐｈｉｌｉｐｓ半导体公司生产的一种视频输入处理器（ＶＩＰ），在视频采集系统中，通常需要诸如ＳＡＡ７１１１之类的视频解码器作为模拟视频前端，而视频解码器的初始化主要通过Ｉ２Ｃ总线接口来完成。然而，目前的单片机和ＤＳＰ器件大多都不带有Ｉ２Ｃ总线接口，为此，本文提出了用虚拟总线技术来模拟实现Ｉ２Ｃ总线功能，利用ＤＳＰ的多功能Ｉ／Ｏ口和单片机的普通Ｉ／Ｏ口模拟Ｉ２Ｃ总线接口设计，从而实现ＤＳＰ和单片机对ＳＡＡ７１１１的初始化与控制的新方法。

１　虚拟Ｉ２Ｃ总线技术

１．１ 多主方式下的Ｉ２Ｃ总线虚拟

Ｉ２Ｃ总线是Ｐｈｉｌｉｐｓ公司推出的一种连接ＩＣ器件的二线制总线，它既可以用于构成多主系统，又可工作在单主方式下。因为多主方式下会出现多主竞争的复杂状态，此时如果系统中没有带Ｉ２Ｃ总线接口的主控制器，那么要构成多主系统的虚拟Ｉ２Ｃ总线，就必须在虚拟Ｉ２Ｃ总线中解决多主竞争状态，而这几乎是不可能的，鉴于此，多主Ｉ２Ｃ总线系统必须使用带Ｉ２Ｃ总线接口的控制器。

    １．２ 单主方式下的Ｉ２Ｃ总线虚拟

当Ｉ２Ｃ总线中只有一个主器件时，Ｉ２Ｃ总线系统的工作方式称为单主方式。在单主方式下，由于Ｉ２Ｃ总线上只有一个主器件成为主节点，因此，该主器件会永远占据总线，而不会出现总线竞争，此时的主节点也不必有自己的节点地址。在这种情况下，主器件若没有Ｉ２Ｃ总线接口，就可以用主控制器的Ｉ／Ｏ口来模拟Ｉ２Ｃ总线接口。

目前，许多视频、音像电器中都采用了虚拟Ｉ２Ｃ总线技术。ＳＡＡ７１１１的初始化控制操作就工作在单主方式下，因此可以用虚拟Ｉ２Ｃ总线技术来实现ＳＡＡ７１１１的初始化控制。下面分别以单片机和ＤＳＰ为例来说明虚拟Ｉ２Ｃ总线技术的实现方法。

２　用单片机普通Ｉ／Ｏ模拟Ｉ２Ｃ总线接口

用单片机普通Ｉ／Ｏ口模拟Ｉ２Ｃ总线接口时，其硬件配置非常简单，因为单片机的Ｉ／Ｏ口很多，并且大多Ｉ／Ｏ口都是双向的，因此可以直接用两个Ｉ／Ｏ口线作为Ｉ２Ｃ总线的串行时钟线ＳＣＬ和串行数据线ＳＤＡ。图１所示为Ｃ５１ 单片机与ＳＡＡ７１１１的硬件连接图。 当硬件配置完成后，根据Ｉ２Ｃ总线的时序特性可用软件编程来模拟Ｉ２Ｃ总线接口。图２为Ｉ２Ｃ总线的起始信号（Ｓ），它表示在ＳＣＬ为高电平期间，数据线ＳＤＡ由高电平向低电平变化将启动Ｉ２Ｃ总线。下面是相应的汇编程序。其它子程序可以参考Ｉ２Ｃ总线时序来实现，这里就不一一给出了。

启动Ｉ２Ｃ总线：

ＳＥＴＢ Ｐ１．０ ； ＳＤＡ＝１

ＳＥＴＢ Ｐ１．１ ； ＳＣＬ＝１

ＣＡＬＬ ＤＥＬＡＹ ；保持数据时间，ＤＥＬＡＹ

为延迟子程序

ＣＬＲ Ｐ１．０ ； ＳＤＡ＝０

ＣＡＬＬ ＤＥＬＡＹ

ＣＬＲ Ｐ１．１ ；钳定总线，开始发送数据

ＲＥＴ

３ 用ＤＳＰ外围接口模拟Ｉ２Ｃ总线接口

由于ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２只有两个通用的Ｉ／Ｏ引脚，且都是单向的，而在Ｉ２Ｃ总线中，ＳＤＡ必须是双向的，因此必须借助于其它总线接口。

３．１ 用ＭｃＢＳＰ口模拟Ｉ２Ｃ总线接口

首先，通过配置串口控制寄存器ＳＰＣＲ１和ＳＰＣＲ２以及引脚控制寄存器ＰＣＲ的禁用ＭｃＢＳＰ功能，以将ＭｃＢＳＰ引脚（包括ＣＬＫＸ、ＣＬＫＲ、ＤＸ、ＤＲ、ＦＳＸ、ＦＳＲ、和ＣＬＫＳ）作为通用Ｉ／Ｏ口。现以发送器为例，当ＳＰＣＲ２的ＸＲＳＴ＝０、ＰＣＲ的ＸＩＯＥＮ＝１时，串口发送器无效，ＦＳＸ、ＣＬＫＸ用作通用Ｉ／Ｏ引脚。ＦＳＸ和ＣＬＫＸ作为通用Ｉ／Ｏ端口的引脚设置情况如表１所列。以ＭｃＢＳＰ０为例，也可以从ＦＳＸ０和ＣＬＫＸ０引出两条线分别表示ＳＤＡ线和ＳＣＬ线。

表1 将FXS和CLKX作为通用I/O的设置方法

注：“-”表示无影响

图３为Ｉ２Ｃ总线的结束信号时序，下面是相应的程序：

＃ｄｅｆｉｎｅ ＳＰＳＡ０ ０ｘ００３８ ／／ＳＰＳＡ０指向ＭｃＢＳＰ０子地址寄存器

＃ｄｅｆｉｎｅ ＳＰＳＤ０ ０ｘ００３９ ／／ＳＰＳＤ０指向ＭｃＢＳＰ０

子区数据存储器

＃ｄｅｆｉｎｅ ＰＣＲ０ ‘０ｘ０００Ｅ ／／ＰＣＲ０代表子地址

０ｘ０００Ｅ

结束Ｉ２Ｃ总线：

ｖｏｉｄ ｓｔｏｐ ? ? ?

＊?ｓｈｏｒｔ ＊?ＳＰＳＡ０＝ＰＣＲ０； ／／ＳＰＳＡ０指向子

地址ＰＣＲ０

＊?ｓｈｏｒｔ ＊?ＳＰＳＤ０＝０ｘ２Ａ０２? ／／初始化ＰＣＲ０，

令ＦＳＸ０＝０，ＣＬＫＸ＝１。即ＳＤＡ＝０，ＳＣＬ＝１

ｄｅｌａｙ? ?； ／／延时。Ｄｅｌａｙ（）为延时子程序

＊?ｓｈｏｒｔ ＊?ＳＰＳＤ０＝０ｘ２Ａ０Ａ； ／／令ＦＳＸ０＝１，

ＣＬＫＸ＝１。即ＳＤＡ＝１，ＳＣＬ＝１

}

３．２ 用ＨＰＩ－８口模拟Ｉ２Ｃ总线接口

同样，首先必须禁用ＨＰＩ－８的功能，这可通过设置ＨＰＩ－８控制寄存器（ＨＰＩＣ）的ＨＰＩＥＮＡ为０来完成。当ＨＰＩ－８工作在通用Ｉ／Ｏ端口（ＧＰＩＯ）方式时，通过通用Ｉ／Ｏ控制寄存器（ＧＰＩＯＣＲ）和通用Ｉ／Ｏ状态寄存器（ＧＰＩＯＳＲ）可以控制ＧＰＩＯ方式下的ＨＰＩ－８数据引脚。ＧＰＩＯＣＲ的ＤＩＲｘ（ｘ＝０～７）位为低电平表明ＨＤｘ引脚为输入，高电平表明ＨＤｘ为输出。 ＧＰＩＯＳＲ的Ｄ／Ｏｘ位则反映了引脚ＨＤｘ的逻辑值，Ｄ／Ｏｘ为低电平表明ＨＤｘ输入／输出为０，Ｄ／Ｏｘ为高电平表明ＨＤｘ输入／输出为１。因为在ＧＰＩＯ方式下，ＨＤｘ为双向Ｉ／Ｏ端口，因此可以任意选择一个ＨＤｘ（如ＨＤ０）作为ＳＤＡ，再用另外一个ＨＤｘ（ＨＤ１）作为ＳＣＬ以实现Ｉ２Ｃ总线接口的模拟。

４ ＳＡＡ７１１１的初始化

ＳＡＡ７１１１内部有３２个寄存器（Ｓｕｂａｄｄｒｅｓｓ００～１ＦＨ），其中２２个是可编程的。００Ｈ、１Ａ～１ＣＨ、１ＦＨ是只读寄存器，其中００Ｈ描述的是芯片版本信息；１Ａ～１ＣＨ是文本信息检测和解码寄存器，一般很少用到；１ＦＨ用来描述芯片的状态。０２Ｈ～１２Ｈ是可读写寄存器，其中０２Ｈ～０５Ｈ是模拟输入控制寄存器，０２Ｈ用于设置模拟视频信号输入方式（共８种），０３Ｈ～０５Ｈ用于设置增益控制方式， ０６Ｈ～１２Ｈ主要用于设置解码方式，通过配置这些寄存器可以设置行同步信号的开始和结束位置，并可确定亮度、色度、饱和度的大小以及输出图像数据信号的格式。 ０１Ｈ、１３Ｈ～１９Ｈ、１ＤＨ～１ＥＨ寄存器保留使用。需要注意的是，在读００Ｈ寄存器前，必须将它初始化为０。在对多个连续的寄存器进行操作时，寄存器地址有自动加１功能。内部寄存器控制位的功能含义详见参考文献。

可以采用上面任何一种方法来模拟Ｉ２Ｃ总线接口，只是具体的编程方法应视不同的控制器而异。但软件编程具有相同之处，首先必须根据Ｉ２Ｃ总线的原理写出启动、结束、发送应答信号及读、写一个字节的程序，然后根据ＳＡＡ７１１１的寄存器操作格式写出读、写寄存器的程序，最后根据以上子程序写出初始化ＳＡＡ７１１１的程序段。ＳＡＡ７１１１的初始化流程如图４所示。

以单片机为例，硬件连接见前文图１所示，其中ＩＩＣＳＡ是ＳＡＡ７１１１的读写控制位，ＩＩＣＳＡ＝０表示ＳＡＡ７１１１的写地址为４８Ｈ。这里把ＳＡＡ７１１１初始化设定为：一路模拟视频信号输入（ＡＩ１２）、自动增益控制、６２５行５０Ｈｚ ＰＡＬ制式、ＹＵＶ ４２２ １６位数字视频信号输出、设置默认的图象对比度、亮度及饱和度。相应的寄存器初始化值如表２所列。下面是向ＳＡＡ７１１１的１９个连续的子地址寄存器（００Ｈ～１２Ｈ）写入一组数据的的程序。

表2 寄存器初始化值

入口参数：ＳＡＡ７１１１写地址４８Ｈ、子地址００Ｈ、发送数据缓冲区ＤＢＵＦ、发送字节数１９。

ＷＮＢＹＴＥ：ＭＯＶ Ｒ３，１９ ；发送字节数１９送入Ｒ３

ＬＣＡＬＬ ＳＴＡＲＴ ；调用启动子程序

ＭＯＶ Ａ，＃４８Ｈ ；ＳＡＡ７１１１写地址送入Ａ

ＬＣＡＬＬ ＷＢＹＴＥ ；调用写一个字节子程序

ＬＣＡＬＬ ＣＨＥＣＫ ；调用检查应答位子程序

ＪＢ Ｆ０，ＮＥＸＴ０ ；有应答，转到ＮＥＸＴ０，其

中Ｆ０为应答标志位，Ｆ０＝１

表示有应答

ＡＪＭＰ ＷＮＢＹＴＥ ；无应答，重新发送

ＮＥＸＴ０：ＭＯＶ Ａ， ００Ｈ ；ＳＡＡ７１１１子地址送入Ａ

ＬＣＡＬＬ ＷＢＹＴＥ

ＬＣＡＬＬ ＣＨＥＣＫ

ＪＢ Ｆ０，ＮＥＸＴ１

ＡＪＭＰ ＳＴＡＲＴ

    ＭＯＶ Ｒ２，＃ＤＢＵＦ ；发送数据缓冲区首地址

送入Ｒ２

ＮＥＸＴ１：ＭＯＶ Ａ， ＠Ｒ２ ；发送数据缓冲区数据送

入Ａ

ＬＣＡＬＬ ＷＢＹＴＥ

ＬＣＡＬＬ ＣＨＥＣＫ

ＪＮＢ Ｆ０，ＷＮＢＹＴＥ ；未应答，重新发送

ＩＮＣ Ｒ２

ＤＪＮＺ Ｒ３，ＮＥＸＴ１ ；发送完否?未完，继续发送

ＥＸＩＴ： ＬＣＡＬＬ ＳＴＯＰ ；发送完毕?调用结束子程序

ＲＥＴ

５　结束语

对一个典型的以ＤＳＰ为核心处理器的视频采集系统而言，用单片机普通Ｉ／Ｏ口模拟Ｉ２Ｃ总线接口的编程比较简单，操作也很方便，但是相应的会增加设计成本，因为系统要额外的增加一片单片机。而用ＤＳＰ的ＭｃＢＳＰ口或者ＨＰＩ－８口模拟Ｉ２Ｃ总线接口，虽然不必考虑成本问题，但是必须要禁用ＭｃＢＳＰ或者ＨＰＩ－８的功能，这对系统中ＤＳＰ功能的扩展来说是不利的。