I2C總線通信接口的CPLD實(shí)現(xiàn)

摘要：介紹采用ALTERA公司的可編程器件，實(shí)現(xiàn)I2C總線的通信接口的基本原理；給出部分VHDL語言描述。該通信接口號(hào)專用的接口芯片相比，具有使用靈活，系統(tǒng)配置方便的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：I2C總線 CPLD VHDL

I2C總線是PHILIPS公司開發(fā)的一種簡(jiǎn)單、雙向二線制同步串行總線。它只需要兩根線（串行時(shí)鐘線和串行數(shù)據(jù)線）即可在連接于總線上的器件之間傳送信息。該總線是具備多主機(jī)系統(tǒng)所需要的包括裁決和高低速設(shè)備同步等功能的高性能串行總線，應(yīng)用極為廣泛。

目前，雖然市場(chǎng)上有專用I2C總線接口芯片，但是地址可選范圍小，性能指標(biāo)固定，功能單一，而且使用不方便。針對(duì)I2C總線的電氣特性及其通信協(xié)議，采用ALTERA公司的FLEX10K系列ISP器件EPF10K10LC84-3，可以方便地實(shí)現(xiàn)I2C總線的通信接口，且具有高速、易調(diào)試、可以靈活地實(shí)現(xiàn)在線配置等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)大大減少了系統(tǒng)的開發(fā)周期。

1 I2C總線的數(shù)據(jù)傳輸規(guī)范

I2C總線主從機(jī)之間的一次數(shù)據(jù)傳送稱為一幀，由啟動(dòng)信號(hào)、地址碼、若干數(shù)據(jù)字節(jié)、應(yīng)答位以停止信號(hào)組成。通信啟動(dòng)時(shí)，主機(jī)發(fā)送一個(gè)啟動(dòng)信號(hào)（當(dāng)SCL線上是高電平時(shí)，SDA線產(chǎn)生一個(gè)下降沿）、從機(jī)的地址碼和讀寫信號(hào)及8位讀寫數(shù)據(jù)；通信停止時(shí)，主機(jī)發(fā)送一個(gè)停止信號(hào)（當(dāng)SCL線上為高電平時(shí)，SDA線上產(chǎn)生一個(gè)上升沿）。在數(shù)據(jù)傳送過程中，當(dāng)SCL線上為高電平時(shí)，必須保證SDA線上的數(shù)據(jù)穩(wěn)定；傳送一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，必須由接收機(jī)發(fā)一個(gè)應(yīng)答信號(hào)?？偩€的傳輸碼速率為100Kb/s（標(biāo)準(zhǔn)）～400Kb/s（高速）。采用+5V電源時(shí)，輸入電平規(guī)定為VILmax=1.5V，VIHmin=3V;采用寬電源電壓時(shí)，電閏規(guī)定為VILmax=1.5VDD，VIHmin=3VDD。

I2C總線的通信過程如圖1所示。

2 ISP的邏輯實(shí)現(xiàn)

基于上述傳輸規(guī)范，為完成I2C總線的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收，ISP芯片應(yīng)完成的邏輯功能如圖2所示。可控時(shí)鐘通過頻選，控制獲得100kHz、200kHz、300kHz、400kHz的時(shí)鐘頻率；同時(shí)在器件退出總線競(jìng)爭(zhēng)后，將時(shí)鐘線置高電平。

（1）通信的啟動(dòng)與停止

在主機(jī)方式下接收數(shù)據(jù)時(shí)，器件必須通過啟動(dòng)信號(hào)生成器送出一個(gè)啟動(dòng)信號(hào)，然后，發(fā)送從機(jī)的地址信號(hào)和讀寫信號(hào)，才能開始在總線上發(fā)送數(shù)據(jù)。該過程由控制寄存器啟動(dòng)。VHDL描述為：

PPROCEE（WR，CS）

——WR IS CPU WRITE SIGNAL

——CS IS THIS CHIP's SELECT SIGNAL

ADDRS:='0'

IF(Ctrreg(0)='1'AND Ctrreg(3)='1'AND SCL1='1' THEN

——Ctrreg為控制寄存器

CLK1COUNT：='0'；

ADA1：='1'；

IF（CLK1'EVENT AND CLK='0'THEN

IF （CLK1COUNT='3'THEN

SDA1：='0'；

ADDRS：='1'；

Ctrreg(3):='0';

CSTA='1';

ELSE

CLK1COUNT:=CLK1COUNT+1;

END IF;

END IF;

END IF;

IF(ADDRS='1'AND SCL1'EVENT AND SCL1='1')

THEN

·

·

·——將數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)及WR信號(hào)移位發(fā)出（略）

·

·

·

END IF；

END PROCESS；

當(dāng)一次通信結(jié)束時(shí)，主機(jī)要發(fā)送停止信號(hào)。讀過程同樣由控制寄存器控制。當(dāng)控制字的第二位為“1”時(shí)，芯片產(chǎn)生停止信號(hào)。VHDL描述與啟動(dòng)類似。

（2）發(fā)送數(shù)據(jù)

主機(jī)方式下完成啟動(dòng)和地址信號(hào)發(fā)送后即開始發(fā)送數(shù)據(jù)。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)并串轉(zhuǎn)換器在SCL的下降沿移位，保證了SCL高電平時(shí)SDA上的數(shù)據(jù)穩(wěn)定。發(fā)送的進(jìn)程由WR信號(hào)和從機(jī)的應(yīng)答信號(hào)啟動(dòng)。

當(dāng)該芯片在總線競(jìng)爭(zhēng)失敗的情況下，由處理器將芯片轉(zhuǎn)為從機(jī)的工作方式時(shí)，處理器向地址檢測(cè)電路發(fā)送該芯片在系統(tǒng)中的地址。只有在接收到的地址信息與該芯片所設(shè)的地址相同時(shí)才發(fā)出應(yīng)答信號(hào)開始通信。每發(fā)送一個(gè)字節(jié)即將SDA拉高，等待接收機(jī)的應(yīng)答信號(hào)，準(zhǔn)備下一個(gè)數(shù)據(jù)。

（3）接收數(shù)據(jù)

在主機(jī)方式下完成通信啟動(dòng)和地址信號(hào)發(fā)送后，開始準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)。在每接收一個(gè)字節(jié)后要發(fā)出應(yīng)答信號(hào)，每接收一個(gè)字節(jié)就產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖作為中斷請(qǐng)求信號(hào)輸出給處理器。若此時(shí)系統(tǒng)忙，則拉低SCL電平迫使發(fā)送機(jī)進(jìn)入等待狀態(tài)。從機(jī)方式下的接收與主機(jī)的一樣。

VHDL描述為：

PROCESS（SDA1）

SACK：='0';

FULL1:='0';

STP:='0';

INTQ:='1';

IF(CSTA='1'AND ADDOK='1')

THEN

IF(SCL1'EVENT AND SCL1='0')

THEN

······——接收數(shù)據(jù)，串入并出移位（略）

FULL1：='1'；

END IF；

END IF；

IF（FULL1='1'）THEN

IF（RD'EVENT AND RD='1'AND SCL1'EVENT AND SCL1='0'AND BUSY='0'）THEN

SDA1：='0'；

FULL1：='0'；

INTQ：='0'；

ELSE

SDA1:='1';

IF(CLK1'EVENT AND CLK='0'AND FULL1='0')THEN

IF(CLK1CONT='20')THEN

INTQ:='1';

CLK1COUNT:='0';

ELSE

CLK1COUNT:=CLK1COUNT+1;

END IF;

END IF;

IF(SLAVE='1'AND SCL='1'AND SDA'EVENT AND SDA'1')THEN

STP:='1';

CSTA:='0';

END IF;

END IF;

END PROCESS;

(4)總線仲裁

在通信過程中，芯處在發(fā)送的同時(shí)接收總線上的數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)與已發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。若不相同，則給狀態(tài)發(fā)生器的SLAVE置位，表示該主機(jī)退出競(jìng)爭(zhēng)。通過處理器給控制寄存器發(fā)送控制字可以讓芯片轉(zhuǎn)入從機(jī)工作方式。這時(shí)啟動(dòng)地址檢測(cè)，禁止SCL的發(fā)送。當(dāng)一次通信結(jié)束后，再將狀態(tài)生成器的END置位。此時(shí)處理器可以再次將芯片設(shè)置為主機(jī)方式。

（5）控制寄存器與狀態(tài)生成器

控制寄存器主要是定義芯片的工作狀態(tài)，其各位的定義為：

BUSY：若該位為“1”，主機(jī)在作為接收機(jī)時(shí)，不發(fā)應(yīng)答信號(hào)。

STA：?jiǎn)?dòng)信號(hào)位。

STP：停止信號(hào)位。

M/S：主從機(jī)位，用于選擇芯片工作狀態(tài)（主機(jī)還是從機(jī)）。

CLKS1、CLKS2：頻選控制位。

CLKEN：SCL使能位，該位為1時(shí)SCL置高電平。

狀態(tài)生成器可以生成工作狀態(tài)信號(hào)（中斷、I2C總線競(jìng)爭(zhēng)情況、從機(jī)方式時(shí)通信開始與結(jié)束）供處理器查詢處理。

3 參數(shù)配置

該芯片可以配置為從100Kb/s（標(biāo)準(zhǔn)）～400Kb/s（高速）的任何傳送速度，以滿足不同的需要。只需在VHDL描述的構(gòu)造體中的指明配置的參數(shù)即可，非常方便。

結(jié)束語

本設(shè)計(jì)中只使用了一片可編程芯片即完成了I2C總線接口的芯片功能。由于采用VHDL-93語言進(jìn)行設(shè)計(jì)，具有良好的可移動(dòng)植性，可用于其它ISP廠家的產(chǎn)品中。通過ByteBlast下載線可以在線改變其功能，體現(xiàn)了ISP器件的優(yōu)越性。