基于Mipi I3C總線嵌入式傳感器系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)控制與應(yīng)用

周晨業(yè)

摘要

本文致力于設(shè)計出一種基于13C總線為系統(tǒng)通信方式并通過實時與傳感器進行數(shù)據(jù)交互的具有傳感器數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)回傳功能的嵌入式傳感器監(jiān)控系統(tǒng)。設(shè)計工作是基于高通SDM845平臺控為核心的，通過I3C總線獨有的對總線設(shè)備實時交互的特性，從而實時獲得設(shè)備節(jié)點的運行狀態(tài)。該設(shè)計方案可以很好的應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)中對設(shè)備環(huán)境和運行參數(shù)的監(jiān)測。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng) 高通SDM845平臺 I3C總線傳輸 實時性

如今4G/5G，NB-Iot等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷迅猛發(fā)展，信息交換溝通的范圍迅速擴大，萬物互聯(lián)已經(jīng)不是紙上談兵，其實質(zhì)就是對各個可控設(shè)備的實時數(shù)據(jù)采集，狀態(tài)監(jiān)控。而萬物互聯(lián)的技術(shù)自然離不開各種傳感器。隨著監(jiān)測的數(shù)據(jù)量不斷增大，更加需要傳感器采集系統(tǒng)兼具網(wǎng)絡(luò)化，高時性、和高可靠，簡易性等特點。本文致力于研究并設(shè)計出一套以I3C總線為系統(tǒng)通信方式的，傳感器狀態(tài)通過I3C總線實時的與控制端以及其他設(shè)備進行交互的，并能夠快速的通過網(wǎng)絡(luò)接口把傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送到終端用戶的系統(tǒng)。

1 I3C總線無線控制的傳感器電路設(shè)計

系統(tǒng)的電路設(shè)計主要是由3個模塊化電路實現(xiàn)的，其中以SDM845系統(tǒng)電路為控制核心，以I3C控制器和加速度陀螺儀傳感器組成SDM845外設(shè)的系統(tǒng)電路。

1.1 核心控制器SDM845簡介

系統(tǒng)硬件選用高通驍龍系列的SDM845的ARM控制芯片，其對外設(shè)有很好的支持能力，并有很高的處理速度和可靠性。并且其芯片本身自帶AI Core以及modem模塊也是本次設(shè)計選擇SDM845的緣由。

Qualcomm SDM845使用Kryo 385內(nèi)核，八核心架構(gòu)，四顆大核心最高頻率可達2.8GHz，四顆小核心頻率可達1.8GHz。

諸多新的特性以及性能的提升是SDM845實現(xiàn)整個系統(tǒng)高效，快速，可靠的關(guān)鍵因素之

1.2 Mipi I3C協(xié)議簡介以及I3C總線的優(yōu)勢

I3C的全稱是Improved Inter IntegratedCircuit。I3C兼容了I2C（雙線、簡單）與SPI（高速度，低功耗）的優(yōu)勢并加入了新功能，包括支持in-band中斷、動態(tài)編址（dynamicaddressing），以及更先進的電源管理。各種傳感器的系統(tǒng)或應(yīng)用若采用I3C接口，將可大幅降低成本與功耗;這類系統(tǒng)的擴展性也將優(yōu)于采用I2C或SPI接口的系統(tǒng)?！?/p>

I3C總線支持從12.5Mbps到接近37.5Mbps的速率。在SDR模式下，I3C總線中的SCL時鐘頻率最高為12.5MHz。

同時I3C的帶內(nèi)中斷In-band功能可以節(jié)省更多的系統(tǒng)GPIO資源，這使得芯片間的連接更加簡潔，PCB也可以簡化。此外I3C的hot-join功能可以支持從設(shè)備的熱插拔和主動退線功能，進而節(jié)省更多的系統(tǒng)功耗。諸多I3C總線新的特性使得I3C更加適合傳感器等類似物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用上。

1.3 I3C控制器與傳感器簡介

I3C的主控制器仍然是高通提供的，其核心是基于cortex-M4的傳感器hub。

本次項目中的傳感器選用的應(yīng)美盛的ICM

42605。該芯片是加速度以及陀螺儀以及溫度多用途傳感器芯片，可以實時穩(wěn)定的監(jiān)測設(shè)備的狀態(tài)，包括待檢測設(shè)備的運行姿態(tài)，運行溫度等狀態(tài)。

ICM42605內(nèi)嵌了最新的MIPI I3C從設(shè)備控制器，是如今最早支持I3C總線的傳感器芯片之一。

2 I3C總線上傳感器的交互程序?qū)崿F(xiàn)

基于I3C總線的傳感器與主控制端的的程序分為4個部分，這4個部分是從軟件功能來劃分的，如下：I3C主控制端的通信控制邏輯實現(xiàn)，I3C總線的帶內(nèi)中斷（In-Band）功能，I3C bus主控端Hot-join熱插拔功能，整體系統(tǒng)狀態(tài)的處理和數(shù)據(jù)上報。

2.1 I3C主控制端的通信控制邏輯實現(xiàn)

I3C主設(shè)備的控制邏輯以及程序流程步驟由如下步驟組成：

（1）主控制設(shè)備程序在恰當(dāng)?shù)臓顟B(tài)啟動，并通過從設(shè)備處收到以下數(shù)據(jù)：①需要配置動態(tài)地址的I3C兼容設(shè)備。②掛接到I3C總線上的已有靜態(tài)地址的I3C設(shè)備數(shù)量。③掛接到I3C總線上IZC設(shè)備的數(shù)據(jù)

（2）主控端程序使用Set DynamicAddress命令為已有靜態(tài)地址的I3C設(shè)備設(shè)置動態(tài)地址。

（3）主控端發(fā)送廣播命令Enter DynamicAddress Assignment。

（4）主控端程序發(fā)送一個RepeatedSTART，并產(chǎn)生廣播地址7h'7E，并將RnW位置高。

（5）主控端程序?qū)CL線拉低，并釋放SDA線為High-Z狀態(tài)，以允許上拉電阻將SDA拉為高電平。

（6）在第4步中，每一個響應(yīng)I3C廣播的I3C從設(shè)備應(yīng)當(dāng)在SDA線上輸出自己48-bit的專有ID，直到由于仲裁丟失通訊。

（7）主控端使用相同的時鐘連續(xù)驅(qū)動SCL信號線，同時保持釋放SDA。沒有丟失通訊的I3C設(shè)備接著傳送它的BCR數(shù)據(jù)，直到丟失通訊權(quán)。

（8）主控端負責(zé)向贏得仲裁的設(shè)備傳送7bit的動態(tài)地址。這一動態(tài)地址與主機希望分配的優(yōu)先級相匹配。贏得仲裁的設(shè)備在動態(tài)地址被發(fā)送的時候ACK。

（9）主控端發(fā)送7bit動態(tài)地址，然后發(fā)送校驗位，校驗位是7bit數(shù)據(jù)XOR的取反。

（10）如果校驗成功，傳感器從設(shè)備會在下一SCL時鐘接受該動態(tài)地址，然后再下一SCL發(fā)送NACK

（11）主控端程序一直重復(fù)這一過程，跳回第4步，直到總線上不再有I3C設(shè)備并返回ACK。

2.2 I3C bus主控端帶內(nèi)中斷In-band功能的實現(xiàn)

在I3C中總線通信的帶內(nèi)中斷程序?qū)崿F(xiàn)中，I3地址的優(yōu)先級決定了傳感器從設(shè)備請求中斷時的優(yōu)先級。每一個從設(shè)備的優(yōu)先級被編碼到其動態(tài)地中，地址越小則優(yōu)先級越高。地址越小優(yōu)先級高的傳感器從設(shè)備在發(fā)出In-Band中斷請求的時候則會被Master更優(yōu)先處理。

在動態(tài)地址指定過程中，主控制器將更低的地址賦給需要優(yōu)先處理In-Band中斷請求的設(shè)備。

而在I3C從設(shè)備這端，為了請求中斷，傳感器從設(shè)備在START后向總線上發(fā)送參與仲裁的地址頭。主控端同時將SCL拉低并完成START序列的形成。主控端以既定優(yōu)先級順序處理中斷請求。接著傳感器從設(shè)備會將自己的地址寫到SDA線上。

此時，主控Master根據(jù)需求執(zhí)行下述三項之一：

（1）第一種情況，通過ACK接受IBI。

1.如果傳感器從設(shè)備的BCR[2]位是1，則主控制端讀取由IBI設(shè)備允許的時鐘速率發(fā)起的數(shù)據(jù)流。當(dāng)前的主設(shè)備不可以拒絕接收伴隨的數(shù)據(jù)，因為它是以推挽輸出模式傳送的。

2.如果傳感器從設(shè)備的BCR[2]是0，當(dāng)前主設(shè)備可以實施任何有效的I3C動作?？梢园l(fā)送一個STOP，或是Repeated START，或者繼續(xù)按照一般讀數(shù)據(jù)模式讀取負載數(shù)據(jù)。

（2）第二種情況：拒絕IBI但并不禁止中斷。當(dāng)前的主控設(shè)備簡單的NACK IBI即可。

（3）第三種情況：拒絕IBI并禁止中斷。首先當(dāng)前的主控設(shè)備NACK IBI事件，然后起始一個Repeated START，最后使用DisableSlave Event Connnand命令來設(shè)置DISINT位以禁止中斷。

3 基于I3C總線的傳感系統(tǒng)集成設(shè)計

之前的部分講述的是各個模塊的軟件設(shè)計，這里把所有的模塊整合在一起就形成了本次設(shè)計的整套軟件系統(tǒng)。從最低層的主控端與傳感器的物理總線通信部分到傳感器的狀態(tài)識別處理，再到通過移動互聯(lián)網(wǎng)來進行數(shù)據(jù)分發(fā)到終端用戶。

簡易的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計模塊圖如圖1。

整個系統(tǒng)分為：系統(tǒng)硬件通信層，數(shù)據(jù)獲取以及處理層，數(shù)據(jù)分發(fā)上報層。

系統(tǒng)硬件通信層：I3C控制端口的初始化模塊，傳感器初始化和通信模塊。

數(shù)據(jù)獲取以及處理層：監(jiān)測傳感器狀態(tài)的處理線程，Hot-join的監(jiān)測及處理模塊，In-band帶內(nèi)中斷模塊，傳感器數(shù)據(jù)識別以及處理模塊等。

數(shù)據(jù)分發(fā)上報層：移動網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分發(fā)模塊，NB-Iot數(shù)據(jù)鏈路模塊，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理和數(shù)據(jù)推送模塊。

4 結(jié)語

此設(shè)計方案可用于智能家具等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，對傳感器設(shè)備的狀況進行實時監(jiān)測，并可以通過移動互聯(lián)網(wǎng)獲取并控制物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)場每個傳感器設(shè)備的狀態(tài)和參數(shù)。經(jīng)過本設(shè)計以及多次實驗證明，嵌入式I3C總線控制的傳感器監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案可行有效。在SDM845上基于I3C總線傳輸?shù)膫鞲衅鞅O(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計是符合并滿足如今物聯(lián)網(wǎng)對于傳感器以及衍生設(shè)備數(shù)據(jù)實時獲取的需求，而且同時兼?zhèn)淞讼到y(tǒng)設(shè)計的簡潔以及高效性。

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