摘 要: 在介紹I2C總線協議的基礎上,討論了基于CPLD" title="CPLD">CPLD的系統中I2C總線" title="I2C總線">I2C總線的設計技術,并結合工程實例設計了I2C總線IP核" title="IP核">IP核,給出了部分源代碼和仿真結果。
關鍵詞: I2C總線 IP核 CPLD
I2C總線是PHILIPS公司推出的新一代串行總線,其應用日漸廣泛[1～2]。目前許多單片機都帶有I2C總線接口,能方便地實現I2C總線設計;對沒有I2C總線的微控制器(MCU),可以采用兩條I/O口線進行模擬。在以單片機為MCU的系統中很容易實現I2C總線的模擬擴展,有現成的通用軟件包可以使用[2～3]。
對有些基于CPLD的系統,要與帶有I2C總線接口的外圍器件連接,實現起來相對復雜一些。為實現系統中的I2C總線接口,可以另外引入單片機,也可以采用PCF8584或者PCA9564器件(PHILIPS公司推出的專用I2C總線擴展器)進行擴展,但這樣會增加系統成本,使系統冗余復雜。像ALTERA、XILINX等一些大公司有專用的基于CPLD器件的I2C總線IP核,但這些IP核的通用性不強,需要的外圍控制信號較多,占用系統很大的資源,因此直接采用這種IP核不可取。
鑒于此,依照I2C總線協議的時序要求,在基于CPLD的系統中開發了自己的I2C總線IP核。對于一些帶有I2C總線接口的外圍器件較少、對I2C總線功能要求較簡單的CPLD系統,自主開發IP核顯得既經濟又方便。
1 I2C總線的協議[1]
I2C總線僅僅依靠兩根連線就實現了完善的全雙工同步數據傳送:一根為串行數據線(SDA),一根為串行時鐘線(SCL)。該總線協議有嚴格的時序要求。總線工作時,由時鐘控制線SCL傳送時鐘脈沖,由串行數據線SDA傳送數據。總線傳送的每幀數據均為一個字節(8 bit),但啟動I2C總線后,傳送的字節個數沒有限制,只要求每傳送一個字節后,對方回應一個應答位(Acknowledge Bit)。發送數據時首先發送數據的最高位(MSB)。
I2C總線協議規定,啟動總線后第一個字節的高7位是從器件的尋址地址,第8位為方向位(“0”表示主器件對從器件的寫操作;“1”表示主器件對從器件的讀操作),其余的字節為操作的數據。總線每次傳送開始時有起始信號,結束時有停止信號。在總線傳送完一個或幾個字節后,可以使SCL線的電平變低,從而使傳送暫停。
圖1列出了I2C總線上典型信號的時序,圖2表示I2C總線上一次完整的數據傳送過程。
依據I2C總線的傳輸協議,總線工作時的具體時序如下:
起始信號(S):在時鐘SCL為高電平期間,數據線SDA出現由高電平向低電平的變化,用于啟動I2C總線,準備開始傳送數據;
停止信號(P):在時鐘SCL為高電平期間,數據線SDA出現由低電平向高電平的變化,用于停止I2C總線上的數據傳送;
應答信號(A):I2C總線的第9個脈沖對應應答位,若SDA線上顯示低電平則為總線“應答”(A),若SDA線上顯示高電平則為“非應答”(/A);
數據位傳送: I2C總線起始信號或應答信號之后的第1～8個時鐘脈沖對應一個字節的8位數據傳送。在脈沖高電平期間,數據串行傳送;在脈沖低電平期間,數據準備,允許總線上數據電平變化。
2 應用實例
2.1 實例模型介紹
現舉某應用實例,要求對顯示器的視頻信號進行采集、處理和再顯示,整個系統采用CPLD器件進行控制。信號采集采用A/D公司的專用視頻采集芯片AD9883,該芯片在使用前需要依據實際的功能指標進行初始化。初始化過程依靠AD9883的SDA和SCL兩引腳進行。在系統中用CPLD器件(ALTERA公司的EPM3256A)實現初始化:按照I2C總線協議向AD9883的19個內部寄存器(01H～13H)寫入19組固定的8位數據;第14H寄存器為只讀型同步檢測寄存器,僅用于檢測幾個關鍵的數據設置。
可見該I2C總線模型如下:單主操作,只實現簡單的寫和讀操作(亦可只有寫操作,只是硬件調試的時候會麻煩些),寫地址連續,沒有競爭和仲裁,是很簡單的I2C總線系統。由此設計了如圖3所示的IP核。其中,RESET為復位信號,CLK為系統時鐘。
為了軟件仿真方便,把雙向數據線SDA用分離的兩條線模擬:SDA為數據輸出,SDAACK為SDA的應答信號。軟件仿真成功后,只要把SDA設置為雙向,稍微修改一下程序就可以向CPLD器件下載,進行實際應用。
對AD9883內部地址連續的寄存器進行初始化,I2C總線上傳輸的時序信號依次為:開始信號(S);從器件地址和寫操作位(SLAW);內部寄存器基地址(Base Address);寫入基地址的數據(Data0);寫入下一地址(Base Address+1)的數據(Data1);寫入地址(Base Address+2)的數據(Data2);……;寫入地址(Base Address+18)的數據(Data18);停止信號(P)。
針對AD9883,如果電路中的A0引腳(55#)接電源,則SLAW=“10011001”;Base Address=“00000001”,Data0~Data18是依據實際需要寫入的初始化數據。
2.2 IP核程序的編寫
整個程序用VHDL語言編制,SCL輸出時鐘的設計是基于CLK輸入時鐘的64分頻的。程序由三個狀態組成:開始(START)、轉換(SHIFT)和應答(ACK)。狀態定義如下:
type states is (start,shift,ack)；
signal my_states :states；
下面給出部分進程的源代碼以供參考。
2.2.1 開始信號的產生
PROCESS(clk)
if clk’event and clk=‘1’ then
TWCR<=DATAIN；
SCL<=‘1’；
else
TWCR<=(others=>‘0’)；
end if；
if TWCR=“10000000” then ——比較寄存器TWCR的開始值設置(由用戶決定)
STRB<=‘1’；
end if；
if STRB=‘1’ then ——開始條件
INT<=INT+“000001”； ——INT為時鐘脈沖計數
if INT<=“011000” then ——產生SDA的下降沿
SDA<=‘1’；
else
SDA<=‘0’；
end if；
if INT>=“011110” then ——STRB歸0,保證只產生一次開始信號
STRB <=‘0’；
INT<=“000000”；
end if；
end if；
等所有的初始化數據傳輸完畢后即產生停止信號,過程與上面相類似,在此省略。
2.2.2 數據轉換過程
數據轉換過程采用移位傳輸,傳輸8位之后即進入應答狀態。
when shift=>
if cnt=“010000” then ——cnt為clk脈沖計數,由實際的時鐘頻率決定cnt的值
COUNT<=COUNT+“0001”； ——COUNT為數據移位個數計數,MSR為移位寄存器
MSR<=MSR(6 downto 0)&txtag；
txtag<=‘0’；
if COUNT=“1000” then
my_states<=ack；
TACK<=‘1’； ——TACK為應答標志位
else
SDA<=MSR(7)；
my_states<=shift；
TACK<=‘0’；
end if；
end if；
2.2.3 數據輸入
一般情況下,I2C總線傳輸的數據要由外部ROM或其它專門的數據存儲區來存儲,但在數據相對固定且數據量不是很大的情況下,可以將初始化的數據寫在程序中,這樣可減少頻繁的數據交換,簡化操作。AD9883的初始化數據就屬于這種情況,可以通過檢測應答信號來改變輸入的值。程序如下:
PROCESS(clk) ——數據輸入
if clk’event and clk=‘1’ then
CASE ackint IS ——ackint為應答計數,每應答一次,輸入改變一次
when “00000”=> DATAIN<=“10000000”；
when “00001”=> DATAIN<=“01010010”；
when “00010”=> DATAIN<=“11010000”；
……
when “10010”=> DATAIN<=“00000000”；
when “10011”=> DATAIN<=“00000000”；
when others=> DATAIN<=“ZZZZZZZZ”；
END CASE；
end if；
2.3 仿真結果
把自主開發的IP核置于MAX+PLUS II 10.0開發環境下,選用EPM3128ATC100-10器件,經過編譯、調試與仿真,證明該程序符合設計要求。圖4是模擬產生開始信號并傳輸兩組二進制數據“10011001”和“10101010”(十進制表示為153和170)的仿真波形。圖5是傳輸數據“10011001”后沒有應答時的仿真結果,此時總線處于暫停狀態。
仿真完成后,通過編程電纜將pof文件下載到實際電路的EPM3128ATC100-10中,然后對AD9883進行初始化,結果工作正常,這進一步驗證了采用該自主開發的IP核完全可滿足I2C總線的時序要求,能實現I2C總線的功能。
參考文獻
1 The I2C-Bus Specification Version 2.1. Philips Semiconductors, January 2000
2 何立民. I2C總線應用系統設計. 北京:北京航空航天大學出版社,1995
3 何立民.按平臺模式設計的虛擬I2C總線軟件包.單片機與嵌入式系統應用,2001(2)
4 李明峰,李沁遙.I2C器件接口IP核的CPLD設計. 單片機與嵌入式系統應用,2003(1)
5 I2C總線的串行擴充技術.http://www.zlgmcu.com
6 http://www.opencores.org/projects/i2c