摘 要： 簡單介紹I2C總線協(xié)議，用Altera公司的FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）芯片設計I2C總線接口控制器，用于控制EEPROM（帶電可擦寫可編程只讀存儲器）的讀寫操作。
關鍵詞： I2C總線；FPGA；EEPROM
0 引言
隨著電子技術快速發(fā)展，有許多的IC需要相互之間進行通信。為此，Philips公司開發(fā)了一種性能優(yōu)越的雙向兩線串行總線I2C（Inter-Integrated Circuit）總線。進行FPGA設計時經(jīng)常需要與外圍提供I2C接口的芯片進行通信，雖然市場上有專門的I2C總線接口芯片，但是大多性能指標固定、功能單一、使用不方便。根據(jù)I2C總線協(xié)議和其電路的電氣特性，在Altera公司的EP4CE10F17C8N型號的FPGA芯片上可以方便地實現(xiàn)I2C總線接口，進而實現(xiàn)EEPROM的讀寫操作。
1 I2C總線原理概述
I2C總線有兩條串行總線，一條是串行時鐘線（SCL），一條是串行數(shù)據(jù)線（SDA），連接到總線上的每個器件既可以作為發(fā)送器又可以作為接收器，且每個器件都有唯一的地址識別。主機主要負責產(chǎn)生時鐘、初始化發(fā)送和終止發(fā)送等操作。從機則是被主機尋址的器件。典型的連接在I2C總線上的器件有LCD、EEPROM等。總線的啟動信號條件是當SCL為高電平時，SDA由高變?yōu)榈停煌Ｖ箺l件是當SCL為高電平時，SDA電平由低變高。數(shù)據(jù)的變化只能發(fā)生在SCL為低電平期間[1]。
2 EEPROM讀寫控制器模塊的設計與實現(xiàn)
在進行數(shù)據(jù)傳輸時，讀寫控制器首先產(chǎn)生一個啟動信號（當SCL為高電平時，SDA由高變?yōu)榈停又l(fā)送控制字（即I2C總線器件的特征編碼和3 bit EEPROM的芯片地址）以及寫狀態(tài)R/W位為0到總線上。這里的總線器件特征碼為1010，而3 bit EEPROM的芯片地址為000。接著主控制器釋放總線，等待EEPROM發(fā)出的應答信號，由于采用的EEPROM型號是24LC64，因此在控制器收到應答后，將首先發(fā)送EEPROM高字節(jié)的存儲單元地址，當控制器再次收到應答后繼續(xù)發(fā)送EEPROM低字節(jié)的存儲單元地址，當控制器再次收到應答后，判斷是讀還是寫，如果是寫操作，則控制器發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)，并把數(shù)據(jù)寫入被尋址的存儲單元，EEPROM再次發(fā)送應答信號，讀寫控制器收到應答信號后，產(chǎn)生停止信號。如果之前判斷出是讀操作，則控制器會在收到應答后產(chǎn)生一個重復起始條件，緊接著寫入讀控制字10100001，這里的最后一位1表示讀操作，前面的1010000和之前說的一樣，是器件特征編碼1010和3 bit EEPROM芯片地址000。當控制器再次收到應答后會產(chǎn)生一個釋放總線的動作，把總線留給EEPROM，控制器負責接收EEPROM發(fā)出的數(shù)據(jù)。當控制器接收完數(shù)據(jù)后會占用總線，并發(fā)出一個非應答信號，表示數(shù)據(jù)收到，最后控制器再產(chǎn)生停止信號，停止本次傳輸。模塊的主狀態(tài)機如圖1所示。
這里寫入的地址是2 B的地址，且分兩次寫，因為此EEPROM的地址是16 bit的。
2.1 控制器的總線時鐘SCL產(chǎn)生
由于FPGA開發(fā)板的時鐘是50 MHz，這里先將輸入的50 MHz時鐘進行分頻產(chǎn)生400 kHz時鐘，利用400 kHz的時鐘去產(chǎn)生總線時鐘SCL。具體方法是：在400 kHz時鐘的下降沿對SCL進行翻轉操作，這樣能很好地實現(xiàn)I2C總線時序要求。這里生成的SCL是200 kHz時鐘。其Verilog代碼如下：
always@（negedge clk_400k or negedge rst_n）
begin
if（!rst_n）
scl<=0；
else
scl<=~scl；
end
時序圖如圖2所示。
由圖2可知，在SCL為高電平時，SDA由高變低會產(chǎn)生一個開始信號，而在SCL為高電平時，SDA由低變高會產(chǎn)生一個停止信號，而數(shù)據(jù)的改變只能在SCL為低電平期間發(fā)生，在SCL為高電平時，數(shù)據(jù)要保持穩(wěn)定。數(shù)據(jù)采樣時使用400 kHz時鐘的上升沿采樣，并且是在SCL為高電平時才能采數(shù)據(jù)，因為這時的數(shù)據(jù)穩(wěn)定。
2.2 I2C總線數(shù)據(jù)輸入輸出
電路的輸出采用三態(tài)數(shù)據(jù)通路設計，如圖3所示。
其Verilog代碼如下：
assign sda=link_sda?sda_buf：1′bz；
由圖3可知，sda的I/O類型為inout，當開關link_sda為1時，讀寫控制器上的數(shù)據(jù)可以發(fā)送到sda上，實現(xiàn)控制器占用總線進行寫操作，當link_sda為0時，輸出為高阻態(tài)，而此時外部的sda上的數(shù)據(jù)可以讀進來，實現(xiàn)了控制器釋放總線，將總線交由從機EEPROM，進而可將EEPROM發(fā)出的數(shù)據(jù)讀進來[2]。
數(shù)據(jù)的輸出涉及并串轉換，因為數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)是8 bit，而I2C總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)sda為1 bit，其Verilog代碼如下：
if（count1<8）
begin
data<={data[6：0]，data[7]}；
sda_buf<=data[7]；
count1<=count1+1；
state<=t2；
end
設計采用循環(huán)移位的方式將8 bit的并行data數(shù)據(jù)一位一位地移到sda_buf線上送出去。
相反，I2C總線數(shù)據(jù)的輸入涉及串轉并操作，Verilog代碼如下：
if（count1 <8）
begin
link_sda <= 0；//讀寫控制器釋放總線
if（scl）
begin
data<={data[6：0]，sda}；//串轉并
count1<=count1+1；
state<=r2；
end
end
3 仿真驗證
仿真平臺的搭建如圖4所示。
由圖4可知，電路的仿真驗證模塊分為I2C接口控制器模塊、ROM模塊、地址發(fā)生器模塊、按鍵模塊、EEPROM模塊和數(shù)碼管顯示模塊。其中，按鍵模塊用于產(chǎn)生I2C接口控制器的讀寫操作信號；地址發(fā)生器模塊用于產(chǎn)生ROM和I2C接口控制器的地址信息；ROM模塊中事先存儲了一定量的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給I2C接口控制器，用來寫入EEPROM；I2C接口控制器負責EEPROM的讀寫操作；數(shù)碼管顯示模塊負責將讀寫控制器從EEPROM中讀出的數(shù)據(jù)顯示出來，用來查看數(shù)據(jù)是否正確。
電路的仿真波形如圖5、圖6所示。
由圖5可知，在寫EEPROM操作時，讀寫控制器在開始信號后首先寫入1 B的控制字10100000（前面的1010是器件特征碼，000表示EEPROM的芯片地址，最后一位0表示寫操作），緊接著控制器釋放總線，等待EEPROM給它的應答。因為仿真只是模擬，并沒有接入EEPROM，所以應答位呈現(xiàn)高阻態(tài)。在應答的后面就是高字節(jié)的地址，等到再次收到應答信號時，控制器繼續(xù)發(fā)送低字節(jié)的地址位。這里的地址為0000_0000_0000_ 0000，共2 B，等再次收到應答信號時，控制器會發(fā)送單字節(jié)的數(shù)據(jù)0000_0001，將其寫入相應的存儲空間上。收到來自EEPROM的應答后，控制器產(chǎn)生停止信號，結束操作。圖6是控制器讀EEPROM操作，它與寫操作不同的是在寫入控制字和高低字節(jié)地址后，控制器會產(chǎn)生新的啟動信號，緊接著寫入1010_0001，最后的1表示是讀操作，這時控制器會釋放總線，等收到應答后繼續(xù)釋放總線，以讀取EEPROM中的數(shù)據(jù)；1 B的數(shù)據(jù)收完后，控制器產(chǎn)生一個非應答信號并緊接著產(chǎn)生停止信號，表示讀數(shù)據(jù)任務結束。
4 結論
利用I2C總線協(xié)議設計出EEPROM讀寫控制器，與專用的I2C接口芯片相比，有配置靈活、使用方便、可移植性強的特點，除了滿足EEPROM的讀寫操作，還可滿足其他I2C總線器件的讀寫要求。電路仿真完成后，在FPGA上成功實現(xiàn)EEPROM的讀寫操作，通信正常，滿足要求。
參考文獻
[1] Philips Semiconductors. The I2C-bus Specification Version 2.1[Z]. 2000.
[2] 夏宇聞.Verilog數(shù)字系統(tǒng)設計教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2013.