基于FPGA的多路I2C總線設計與實現(xiàn)

摘 要： 介紹了一種基于FPGA的多路I2C總線設計與實現(xiàn)。主要包括系統(tǒng)處理器、局部總線、FPGA邏輯模塊、負載設備幾部分，實現(xiàn)了從處理器局部總線到I2C協(xié)議的轉換及其多路擴展，使系統(tǒng)具有多個I2C總線通道，且每一路I2C總線上能掛載多個不同的主設備或從設備。該系統(tǒng)中各路I2C總線相互獨立工作，沒有干擾和影響。
關鍵詞： I²C；可編程邏輯門陣列；狀態(tài)機

　I²C（Inter-Integrated Circuit）總線是由Philips公司開發(fā)的用于IC器件之間連接的二線制總線，其為雙向、兩線、串行、多主控接口標準，具有總線仲裁機制，非常適合器件之間近距離、非經(jīng)常性的數(shù)據(jù)通信。由于其具有接口線少、控制方式簡化、器件封裝形式小、通信速率較高等優(yōu)點，I2C總線的應用非常廣泛[1]。
在工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)中需要有多路I2C總線控制器來完成溫度、電壓、濕度等各個方面的監(jiān)控功能。但是，目前很多系統(tǒng)沒有或者只有很少通道的I2C總線接口，使其應用受到了限制。
基于上述技術現(xiàn)狀，本文通過現(xiàn)場可編程門陣列FPGA（Field Programmable Gate Array）實現(xiàn)一種多路I²C總線的系統(tǒng)控制設計。
系統(tǒng)硬件設計
FPGA作為ASIC專用集成電路領域中的一種半定制電路，可以解決定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點，具有設計周期短、開發(fā)費用低、保密性強、體積小、重量輕、可靠性高等特點[2]。
　　本系統(tǒng)主要由系統(tǒng)處理器、局部總線、FPGA邏輯模塊、負載設備幾部分組成。其中系統(tǒng)處理器采用Freescale公司的MPC8245[3]。
具有多路I2C總線的系統(tǒng)硬件設計框圖如圖1所示。

處理器利用局部總線，通過地址線、數(shù)據(jù)線、讀寫信號線和片選信號線與FPGA邏輯模塊進行通信，在FPGA內部完成I²C總線控制器的功能，實現(xiàn)從處理器局部總線到I2C協(xié)議的轉換和多路擴展，其中每個I2C總線控制器掛載多個不同的設備，可以是主設備或從設備。
FPGA邏輯模塊設計
多路I²C總線的系統(tǒng)控制中，F(xiàn)PGA邏輯模塊的設計是核心。該模塊主要由三部分組成：頂層控制模塊、處理器接口模塊、多路I2C總線控制器模塊。模塊化的設計便于移植和軟件重用。其中FPGA芯片采用XILINX公司的SPARTAN3A系列的芯片，開發(fā)平臺為ISE10.1。
頂層控制模塊
頂層控制模塊主要實現(xiàn)處理器接口模塊與多路I²C總線控制器模塊之間的連接與通信，實現(xiàn)整個輸入輸出接口到各個功能模塊之間的映射。三者之間的邏輯關系如圖2所示。

處理器接口模塊
MPC8245處理器接口模塊主要完成MPC8245處理器與FPGA的接口功能，并實現(xiàn)與FPGA內部的多路I2C總線控制器數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈帐謪f(xié)議和數(shù)據(jù)交換。在MPC8245處理器接口模塊中，每個I2C控制器對應有4個8位的寄存器，即數(shù)據(jù)寄存器、地址寄存器、控制寄存器和狀態(tài)寄存器。
（1）數(shù)據(jù)寄存器根據(jù)讀/寫信號區(qū)分，分為發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖寄存器和接收數(shù)據(jù)緩沖寄存器，共享一個地址，數(shù)據(jù)長度為8位。
（2）地址寄存器用來保存當前地址。當該路I2C控制器作為從節(jié)點通信時，地址寄存器中保存的是自己的地址，這個地址在總線上是唯一的。從節(jié)點接收到包頭后，將其中的地址與自己的地址比較，如果一致，則響應主節(jié)點，開始傳輸。
（3）控制寄存器用來控制I2C總線控制器的數(shù)據(jù)傳輸，按照設置產(chǎn)生各個協(xié)議命令、響應動作及工作模式。
（4）狀態(tài)寄存器顯示當前總線的狀態(tài)。通過狀態(tài)寄存器中不同的狀態(tài)指示，實現(xiàn)與MPC8245處理器的握手協(xié)議。
MPC8245處理器利用地址線、數(shù)據(jù)線、片選信號和讀寫信號來與MPC8245處理器接口模塊N路I2C總線控制器相關的N×4個寄存器交換數(shù)據(jù)、讀取狀態(tài)、作為從設備時響應的地址和控制各路I2C總線的控制器。
I²C總線控制器模塊
I²C總線控制器模塊主要實現(xiàn)并行的I²C通信控制，每一路I²C總線控制器通過FPGA的I/O管腳連接到外部實現(xiàn)各自獨立的I2C總線，具有主工作模式和從工作模式兩種工作狀態(tài)。
I2C總線控制器主要有兩個狀態(tài)機：主控制狀態(tài)機和時鐘生成狀態(tài)機。
主控制狀態(tài)機是整個I²C總線控制器的核心。時鐘生成狀態(tài)機只在I²C總線控制器作為主設備時的模式下工作，是I²C總線通信時的時鐘。當I2C總線控制器作為從設備通信時，主控制狀態(tài)機時鐘由FPGA所實現(xiàn)的I²C總線上所掛載的I²C主設備提供，整個I2C總線通信時的時鐘為外部主設備提供的時鐘。
I²C總線控制器狀態(tài)機設計
（1）主控制狀態(tài)機
主控制狀態(tài)機狀態(tài)轉移圖如圖3所示。

IDLE狀態(tài)：當I2C上電或者復位后，主控制狀態(tài)機就處于此狀態(tài)。
HEADER狀態(tài)：在此狀態(tài)，系統(tǒng)根據(jù)控制寄存器位MSTA值，發(fā)送或者接收包頭，滿足條件后，轉移到ACK_HEADER狀態(tài)；I2C總線控制器中的HEADER移位寄存器與地址寄存器中存放的I²C總線控制器作為從設備時響應的地址進行比較，如果匹配，則表明該路I2C總線控制器為被主設備尋址的從設備，模式立刻切換到從設備模式，同時狀態(tài)寄存器中的MAAS位被置位，數(shù)據(jù)線SDA將會按照TXAK中的設置應答當前主設備。
ACK_HEADER狀態(tài)：當該路I2C總線控制器作為主設備時，如果沒有收到從設備發(fā)送的ACK，則發(fā)送結束信號，返回到IDLE狀態(tài)；如果收到ACK，則確定仲裁沒有丟失，根據(jù)控制寄存器位TX值轉到XMIT_DATA或者RCV_DATA狀態(tài)；當該路I2C總線控制器作為從設備時，如果地址匹配，則發(fā)送ACK，根據(jù)主設備發(fā)送的第一個字節(jié)中的最后一位的值轉到XMIT_DATA或者RCV_DATA狀態(tài)。
XMIT_DATA狀態(tài)：在此狀態(tài)時，移位寄存器將數(shù)據(jù)移到SDA線上。發(fā)送一個字節(jié)完成后，轉移到WAIT_ACK狀態(tài)。
WAIT_ACK狀態(tài)：在此狀態(tài)時，如果收到ACK，則返回到XMIT_DATA狀態(tài)；如果仲裁丟失，則轉到IDLE狀態(tài)；如果沒有收到ACK，則發(fā)送結束信號，轉移到IDLE狀態(tài)。
RCV_DATA狀態(tài)：在此狀態(tài)時，如果檢測到重新啟動信號，則返回HEADER狀態(tài)；否則，移位寄存器從SDA線上移入數(shù)據(jù)，以供MPC8245處理器的驅動程序讀取，移入一個字節(jié)后，轉到ACK_DATA狀態(tài)，控制寄存器中的TXAK位被輸出到數(shù)據(jù)線SDA。
ACK_DATA狀態(tài)：I2C控制器發(fā)送ACK，返回到RCV_DATA狀態(tài)。
（2）時鐘狀態(tài)機
整個狀態(tài)機狀態(tài)轉換如圖4所示。

SCL_IDLE狀態(tài)：當上電復位后，狀態(tài)機就處于該狀態(tài)。當I2C控制器為主節(jié)點并且總線空閑時，收到開始標志后，轉移到START狀態(tài)。
START狀態(tài)：當在此狀態(tài)時，根據(jù)I2C協(xié)議，需要保持一定的時間，當持續(xù)時間滿足要求時，轉移到SCL_LOW_EDGE狀態(tài)，否則保持在START狀態(tài)。
SCL_LOW_EDGE狀態(tài)：當在此狀態(tài)時，在下一個系統(tǒng)時鐘時，轉移到SCL_LOW狀態(tài)。
SCL_LOW狀態(tài)：在此狀態(tài)時，根據(jù)控制信號，設置SDA的輸出，根據(jù)I2C協(xié)議，需要保持一定的時間，當保持時間滿足要求時，轉移到SCL_HIGH_EDGE狀態(tài)，否則保持在該狀態(tài)；如果仲裁丟失且已經(jīng)傳輸了7個字節(jié)，則轉移到SCL_IDLE狀態(tài)。
SCL_HIGH_EDGE狀態(tài)：在此狀態(tài)時，完成一定的操作，持續(xù)一個時鐘周期后，轉移到SCL_HIGH狀態(tài)。如果SCL輸入為0或者狀態(tài)寄存器中的位MCF=1，則一直停留在該狀態(tài)。
SCL_HIGH狀態(tài)：在此狀態(tài)時，如果有重復起始信號，則SCL高電平持續(xù)一半時間，轉移到START狀態(tài)；如果有結束信號，則SCL高電平持續(xù)一半時間，轉移到STOP_WAIT狀態(tài)；根據(jù)I²C協(xié)議，需要保持一定的時間，當持續(xù)時間滿足要求時，轉移到SCL_LOW_EDGE狀態(tài)，否則保持在當前狀態(tài)。
STOP_WAIT狀態(tài)：在此狀態(tài)時，根據(jù)I²C協(xié)議，需要保持一定的時間，當持續(xù)時間滿足要求時，轉移到SCL_IDLE狀態(tài)。
系統(tǒng)工作流程
多路I²C總線的系統(tǒng)在系統(tǒng)上電后，處理器通過FPGA與FPGA相連接的I²C設備通信。
（1）當處理器作為主設備與FPGA所實現(xiàn)的I²C總線上所掛的從設備進行通信時，處理器主體通過對FPGA內部的該路I²C總線控制器對應的寄存器進行操作，根據(jù)I2C總線通信協(xié)議，產(chǎn)生起始信號和時鐘信號，并查詢狀態(tài)位，對該路I²C總線上的從設備進行發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)的操作，在數(shù)據(jù)交換完成后，產(chǎn)生停止信號，完成整個通信。
（2）當處理器主體作為從設備與FPGA所實現(xiàn)的I²C總線上所掛的主設備進行通信時，F(xiàn)PGA所實現(xiàn)的I2C總線上所掛的主設備產(chǎn)生起始信號和時鐘信號，處理器主體通過對FPGA內的該路I²C總線控制器對應的數(shù)據(jù)寄存器進行操作，發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)。當通信完成后，F(xiàn)PGA所實現(xiàn)的I2C總線上所掛的主設備產(chǎn)生停止信號，完成整個通信。
通過可編程邏輯器件實現(xiàn)的多路I2C總線上每一路可以掛多個設備，可以是從設備，也可以是主設備，具體能掛的設備數(shù)量受總線電容的限制。
本設計利用可編程邏輯器件，完成對處理器主體I²C總線的擴展，使該處理器能夠有多個I²C總線通道，每一路I²C總線上可以掛載多個不同的設備，可以是主設備，也可以是從設備，滿足不同應用場合的要求。在可編程邏輯器件內，每個I2C總線控制器僅使用4個寄存器，大大降低了控制的復雜度，無需占用較多的CPU資源，系統(tǒng)穩(wěn)定，執(zhí)行效率高。