基于NiosII的I2C總線接口的實現

為了保護NiosⅡ嵌入式系統的運行現場，在掉電之前，需要把系統的重要數據保存在非易失存貯器中。針對這種保存的數據量不大特點，本文提出采用NiosⅡ+AT24C02設計方案，在介紹AT24C02A芯片主要特性和分析I2C通信協議原理基礎上，重點介紹Nios Ⅱ與AT24C02A之間接口電路的設計方法，包括接口電路的寄存器定義、邏輯功能模塊設計和驅動程序的編寫三個方而的內容，利用嵌入式邏輯分析儀（SigalTap Ⅱ Logic Analyzer）來分析接口信號時序，分析結果表，本接口所產生的讀寫時序滿足I2C的通信協議要求，驗證了設計的正確性。

1 AT24C02A芯片簡介

AT24C02A芯片，是由ATMEL公司生產的基于I2C總線型的串行電可擦除的可編程存儲器(EEPROM)，內部含有2Kbit的存儲單元，是通過二根線(SDL與SCL)與外部I2C控制器交換數據。

AT24C02A芯片的主要特性如下：

低電壓和標準電壓操作

-2．7(VCC=2．7V至5．5V)

-1．8(VCC=1．8V至5．5V)

片內存儲容量為256×8 bit(2K)

2線串行接口

施密特觸發(fā)器，過濾輸入的噪聲抑制

雙向數據傳輸協議

100 kHz(1．8V、2．5V、2．7V)和400 kHz(5V)兼容性

寫保護引腳的硬件數據保護。

2 I2C通信協議

2．1 I2C通信協議簡介

AT24C02A器件采用成本低廉的I2C(Inter integrat-ed Circuit)總線通信協議，ＳＤＡ和ＳＣＬ均為雙向Ｉ／Ｏ線，通過上拉電阻接正電源。當總線空閑時，兩根線都是高電平。連接總線的器件的輸出級必須是集電極或漏極開路的。Ｉ2Ｃ總線的數據傳送速率在標準工作方式下為１００ｋｂｉｔ／ｓ，在快速方式下，最高傳送速率可達４００ｋｂｉｔ／ｓ。

在數據傳送過程中，必須確認數據傳送的開始和結束信號（也稱啟動和停止信號）。當時鐘線ＳＣＬ為高電平時，數據線ＳＤＡ由高電平跳變?yōu)榈碗娖絼t定義為開始信號；當ＳＣＬ為高電平時，ＳＤＡ由低電平跳變?yōu)楦唠娖絼t定義為結束信號。開始和結束信號都由主器件產生。在開始信號以后， 總線即被認為處于忙狀態(tài)；在結束信號以后的一段時間內，總線被認為是空閑狀態(tài)。

在Ｉ2Ｃ總線開始信號后，依次送出器件地址和數據，Ｉ2Ｃ總線上每次傳送的數據字節(jié)數不限，但每一個字節(jié)必須為８位，而且每個傳送的字節(jié)后面必須跟一個認可位（第９位），也叫應答位（ＡＣＫ）。從器件的響應信號結束后，ＳＤＡ線返回高電平，進入下一個傳送周期。

2．2 AT24C02A器件讀寫時序

一個寫功能要求一個8位數據字地址隨設備地址字和acknowledgement（承認）。在這個地址的收據之上，EEPROM將再響應由一個0且時鐘在第一個8位數據字。隨著8位數據字的收據，EEPROM將輸出一個0且尋址設備，例如一個微控制器，必須指定帶停止條件的寫時序。在這個時間EEPROM進入一個internally-timed（內部定時）寫時序，tWR，對于非易失性內存。所有輸入關閉在這個鞋周期之間且EEPROM將不響應直到寫完成（關系Figure 2）。

讀功能被初始化與寫功能相同由外部的讀/寫選擇位在設備地址字被設置為1。有三個讀功能：當前地址讀取，隨機地址讀取和順序讀取。

當前地址讀?。簝炔繑祿值刂酚嫈灯靼詈笠粋€地址訪問在最后一個讀或寫功能期間，以1遞增。這個地址保持有效在芯片電源提供工作期間。地址“折返”在讀來自于最后內存頁到第一頁的第一個字節(jié)期間。這個地址“折返”在寫來自于當前頁的最后一個字節(jié)到同樣頁的第一個字節(jié)期間。

圖2為寫(讀)AT24C02A器件中指定地址存儲單元的數據幀格式，圖2(a)為寫操作的幀格式，(b)為讀操作幀格式。要想把一個字節(jié)數據發(fā)送到器件中(或從器件中讀取一個字節(jié)數據)除了給出具體的地址信息之外，還要給出該器件的控制信息：首先由控制器發(fā)出“啟動”信號，啟動I2C總線的通信，然后發(fā)送一個控制字節(jié)，前7位為器件的片選地址，最后1位為讀寫控制位，“0”表示寫，“1”表示讀。當傳完控制字節(jié)之后，掛在I2C總線的所有的器件比較控制字節(jié)片選地址(前7位)是否與自已的物理地址一致，如一致，則發(fā)一個應答信號?？刂破鹘邮盏綉鹦盘栔?，再發(fā)器件內部存儲單元地址和其他的信息。

3 AT24C02A讀寫控制接口設計

3．1 寄存器組定義

為了實現NiosⅡI能與外部設備進行交換數據，首先要在AT24C08讀寫控制接口中定義寄存器，包括數據寄存器、狀態(tài)寄存器和控制寄存器。表4-1AT24C02A讀寫控制器內部寄存器定義的情況：STate_Re為此接口電路的狀態(tài)寄存器，最低位有效，用來表示接口電路的狀態(tài)，“1”表示接口處于“忙”狀態(tài)中，此時表示接口正處于讀寫外部設備(AT24C02A)中，不能對此控制接口進行操作，只到接口處于“0”狀態(tài)時為止；Address_Re為數據寄存器，用于存放NiosⅡ要訪問AT24C02A器件內部單元的地址數據；CONtrol_Re為控制寄存器，控制著接口電路啟動或停止，“1”為啟動，“0”停止；Data_Re為數據寄存器，用于存放傳輸的數據；Con_r／w_Re為控制寄存器，控制數據的傳輸方向，高電平為讀(輸入)，低電平為寫(輸出)。

3．2 邏輯功能模塊設計

在接口電路中，除了定義接口電路的寄存器組之外，還要利用硬件描述語言來描述接口電路要實現的功能，即邏輯功能模塊的設計。接口電路要完成的主要功能是，用接口電路產生如圖3所示的時序，成功讀寫外部存儲器件。在本設計中，采用了有限狀態(tài)機來實現這一功能，圖3為本設計的各個狀態(tài)之間轉換狀態(tài)圖：當NiosⅡ要交換數據時，首先要讀State_Re的值，并判定電路是否為“空閑”狀態(tài)，只有狀態(tài)機處在空閑狀態(tài)，才允許進行一次讀寫操作，并修改狀態(tài)寄存器的值為“忙”狀態(tài)；當完成一次讀寫操作時，修改狀態(tài)寄存器的值為“閑”狀態(tài)。

4 在NiosⅡIDE環(huán)境中軟件設計

打開NiosⅡEDS，并點擊new菜單建立工程文件，在IDE環(huán)境中完成接口電路驅動程序編寫。驅動程序主要的任務，是判斷接口電路所處的狀態(tài)，當接口電路處于“閑”狀態(tài)時，設置好接口電路中的寄存器中的值，并啟動一次讀寫操作。圖4為驅動程序的算法流程圖。

5 測試結果

為了驗證設計的正確性，對以上設計進行測試。在測試的過程中，可以利用嵌入式邏輯分析儀(SigalTapⅡLogic Analyzer)來分析信號時序，打開工程文件，點擊File菜單，為本設計新建一個矢量波形文件(Vectorwaveform File)，把要測試的信號添加到此文件中來，并設置好相關參數，保存并編譯系統，然后把系統的配制文件下載到EP1C6Q240C8可編程器件中等待調試，最后，在：NiosⅡ的ID E中，把驅動程序下載到可編程器件中，并在QuartusⅡ軟件中打開矢量波形文件，觀察被測信號的時序，圖5為接口電路把數據為“11111111”寫到地址為“10101010”單元中的時序圖。從圖可以看出，啟動時序、數據傳輸時序和停止時序都滿足I2C通信協議要求，驗證了本接口電路的正確性。

6 結束語

本文在討論了I2C通信協議的基礎上，重點介紹了AT24C02A讀寫接口電路設計方法，包括接口電路的寄存器定義、邏輯功能模塊設計和驅動程序的編寫，并利用嵌入式邏輯分析儀(SigalTapⅡLogic Analyzer)對本接口電路進行測試，測試結果表明，本設計滿足設計要求，并在實際電路中得到應用。