基于CPLD的I2C總線接口設(shè)計

I2C總線是兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。該總線具有如下特點：1)只要求兩條總線線路，一條串行數(shù)據(jù)線(SDA)，一條串行時鐘線(SDL)；2)每個連接到總線的器件都可以通過唯一的地址尋址，總線中主機可以作為主機發(fā)送器或主機接收器；3)它是一個真正的多主機總線，如果兩個或更多主機同時初始化數(shù)據(jù)傳輸可以通過沖突檢測和仲裁防止數(shù)據(jù)被破壞；4)雙向數(shù)據(jù)傳輸位速率在標(biāo)準(zhǔn)模式下可達(dá)100 kbit／s快速模式下可達(dá)400kbit／s高速模式下可達(dá)3．4 Mbit／s；5)片上的濾波器可以濾去總線數(shù)據(jù)線上的毛刺以保證數(shù)據(jù)完整；6)連接到相同總線的IC數(shù)量只受到總線的最大電容400 pF限制。I2C總線最主要的優(yōu)點是其簡單性和有效性。由于I2C總線為兩線式總線，它占用的空間非常小，減少了電路板的空間和芯片管腳的數(shù)量，降低了互聯(lián)成本。它支持多主控制(multimastering)，總線中任何能夠進(jìn)行發(fā)送和接收的設(shè)備都可以成為主機。任何主機都能夠控制總線信號的傳輸和時鐘頻率。在任何時間點上只能有一個器件作為主機，其他器件作為從機。正是由于I2C總線具有上述諸多優(yōu)點，具備I2C接口的器件在儀器設(shè)計中已被廣泛采用，比較常見的如：日歷芯片、存儲芯片、模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及數(shù)模轉(zhuǎn)換器等。
    不幸的是大多數(shù)CPU都擅長操作并口，而并不具備直接操作I2C總線接口的能力。在系統(tǒng)設(shè)計時，為了與具有I2C總線接口的芯片連接，經(jīng)常采用的方法是：利用CPU的2條通用輸入輸出(GPIO)線作為I2C總線使用，用軟件模擬的方法，產(chǎn)生I2C總線需要的控制時序。該方法雖然可以達(dá)到同I2C器件連接的目的，卻不可避免地帶來軟件編制復(fù)雜、占用CPU處理時間多的弊端。為了在不增加編程難度、不大量占用CPU處理時間的前提下使不具備I2C總線的CPU也能夠充分享受I2C總線的優(yōu)點，本文設(shè)計了一種基于CPLD的8位并行接口轉(zhuǎn)I2C總線接口的控制模塊，通過該模塊，具有并口的CPU可以通過對并口的讀寫完成對I2C總線的控制。

1 I2C總線的基本時序
    I2C總線是由數(shù)據(jù)線SDA和時鐘線SCL構(gòu)成，靠它們在連接于I2C總線的各個設(shè)備之間傳送信息。I2C總線在傳送數(shù)據(jù)過程中共有4種類型的信號，分別是：開始信號、結(jié)束信號、應(yīng)答信號和數(shù)據(jù)傳輸信號。
    開始信號：主機控制SDA信號線在SCL線的高電平期間發(fā)生由高電平到低電平的跳變，通知從機開始數(shù)據(jù)傳輸。
    結(jié)束信號：主機控制SDA信號線在SCL線的高電平期間發(fā)生由低電平到高電平的跳變，通知從機本次數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束。
    應(yīng)答信號：接收數(shù)據(jù)的芯片(主機或者從機)在完整接收到8位數(shù)據(jù)后，向發(fā)送數(shù)據(jù)的芯片發(fā)出低電平信號，通知發(fā)送的數(shù)據(jù)已被接收。發(fā)送數(shù)據(jù)的芯片應(yīng)根據(jù)應(yīng)答信號的電平高低判斷數(shù)據(jù)是否被接收芯片接收。
    數(shù)據(jù)傳輸信號：發(fā)送數(shù)據(jù)的芯片在SCL脈沖控制下在SDA上串行輸出數(shù)據(jù)信號，SDA只能在SCL為低電平期間改變狀態(tài)，在SCL為高電平期間應(yīng)保持穩(wěn)定。
    I2C總線上的數(shù)據(jù)傳輸主要有4種模式，分別是：字節(jié)寫、頁面寫、當(dāng)前地址讀、隨機地址讀和順序讀。
    字節(jié)寫：對給定的芯片的確定地址單元寫入一個字節(jié)的數(shù)據(jù)。
    頁面寫：對給定的芯片的確定地址單元所在頁面連續(xù)寫入全部的數(shù)據(jù)。
    當(dāng)前地址讀：讀出當(dāng)前地址單元中的一個字節(jié)數(shù)據(jù)。
    隨機地址讀：從給定的芯片的確定地址單元中讀出一個字節(jié)數(shù)據(jù)。
    順序讀：從給定的地址后連續(xù)讀出n個字節(jié)的數(shù)據(jù)。
    I2C總線各種信號及數(shù)據(jù)傳輸模式示意圖如圖1所示。

    利用CPLD設(shè)計一種模塊，如果能夠?qū)PU發(fā)出的并行數(shù)據(jù)按上述I2C總線數(shù)據(jù)傳輸模式自動轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)輸出，同時將接收到的I2C總線串行數(shù)據(jù)自動轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)供CPU讀取，則不具備I2C總線接口的CPU也能通過對并口的操作輕松實現(xiàn)與I2C總線連接并同其他具備I2C總線接口的芯片交換數(shù)據(jù)。為此本文設(shè)計了一種基于CPLD的工作于I2C總線主機模式的并口轉(zhuǎn)I2C總線模塊。利用該模塊CPU可以很容易地實現(xiàn)與I2C總線的接口。

2 I2C總線接口模塊的CPLD實現(xiàn)
    上面簡要介紹了I2C總線的信號以及I2C總線的數(shù)據(jù)傳輸模式，如果要使接口模塊正常工作，CPU必須首先要通知模塊執(zhí)行什么操作，而后再把需要的數(shù)據(jù)依次送入模塊中，考慮到I2C總線的速率可以在0～3．4 Mbit／s之間，為了適應(yīng)不同外設(shè)的需要，模塊還應(yīng)在CPU的控制下自由調(diào)整數(shù)據(jù)傳送速率。因此，CPU應(yīng)能夠向模塊發(fā)送數(shù)據(jù)傳送速率控制數(shù)據(jù)、I2C總線工作模式控制數(shù)據(jù)、信息交換數(shù)據(jù)，同時還能從模塊
中讀取工作狀態(tài)數(shù)據(jù)、模塊接收數(shù)據(jù)。據(jù)此設(shè)計出基于CPLD的I2C總線接口模塊如圖2所示。

    該設(shè)計由7個單元組成，它們分別是：用于調(diào)整I2C總線數(shù)據(jù)傳輸速率的Clock單元；用于實現(xiàn)同CPU并行接口的PcPort單元：用于產(chǎn)生I2C總線工作時序的I2CStep單元；用于產(chǎn)生數(shù)據(jù)傳輸時序的BitTiming單元；用于產(chǎn)生I2C總線使能信號的En12C單元：用于產(chǎn)生I2C總線接口模塊工作狀態(tài)指示的Status單元：以及用于產(chǎn)生I2C接口時鐘信號SDL和數(shù)據(jù)串行輸入輸出信號SDA的I2CPORT單元。
2．1 Clock單元
    整個接口模塊以CPU的系統(tǒng)時鐘作為主時鐘信號，模塊傳輸數(shù)據(jù)的速率受該時鐘頻率的控制，時鐘頻率高則模塊傳輸數(shù)據(jù)的速率也高，反之亦然?？紤]到各種具有I2C總線接口的芯片的工作速率差別較大(從幾十kB／s到幾MB／s)，該接口模塊的工作速率必須能夠靈活調(diào)整，以適應(yīng)不同外設(shè)芯片的接口需要。
    Clock單元實際上就是一個分頻器，它在輸出頻率控制碼CKSEL[7..0]的控制下產(chǎn)生對PCCLK分頻后合適的時鐘信號供I2C接口使用。
2．2 I2CStep單元
    通過對圖1中I2C總線各種工作模式的分析，可知不同的工作模式都是按特定的工作流程串行輸入、輸出數(shù)據(jù)的，例如字節(jié)寫模式的工作流程為：發(fā)送開始信號、串行輸出被叫芯片的片選地址、發(fā)送寫信號、等待被叫芯片響應(yīng)、串行輸出被叫芯片存儲單元的地址、等待被叫芯片響應(yīng)、串行輸出寫入的數(shù)據(jù)、等待被叫芯片響應(yīng)、發(fā)送結(jié)束信號結(jié)束本次操作。
    為了使接口模塊正確工作，模塊在接收到來自CPU的工作模式控制信號I2CMD[2．．0]后，根據(jù)工作模式的不同產(chǎn)生接口模塊工作流程。當(dāng)前流程結(jié)束后由Status單元產(chǎn)生IncStep信號，控制工作流程指向下一階段。該模塊的功能類似一個計數(shù)器，它在I2CMD[2．．0]和I2CStep的共同作用下，產(chǎn)生長度不等的工作流程信號Step[6．．0]。
2．3 BitTiming單元
    在I2C總線工作流程的不同階段，I2C接口模塊需要按一定的時序完成不同的工作，通過對總線數(shù)據(jù)傳輸模式的分析可知，在一個數(shù)據(jù)傳輸模式的所有工作流程中，輸入、輸出8位數(shù)據(jù)的工作流程用時最長，需要25個工作時序周期，為了滿足所有工作流程的需要，工作時序Bit-Timing單元被設(shè)計成最長可產(chǎn)生31個時鐘周期的工作時序。
    該單元在IncStep=‘1’時復(fù)位工作時序；在EnTiming信號有效后的每個SysCLK的上升沿使工作時序信號EnTiming加1，用于控制I2CPORT單元按給定的時序串行輸入、輸出數(shù)據(jù)信息。
2．4 Status單元
    在I2C總線工作過程中，CPU需要隨時了解I2C接口模塊的發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器是否為空、接收數(shù)據(jù)寄存器是否準(zhǔn)備數(shù)據(jù)好、從機響應(yīng)信號是否正確、當(dāng)前工作流程是否完成等工作狀態(tài)，只有在發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器為空時，CPU才可以向接口模塊寫入待傳輸數(shù)據(jù)；只有在接收數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后，CPU才可以從接口模塊讀入正確的接收數(shù)據(jù)；從機響應(yīng)信號不正確時，CPU應(yīng)立即發(fā)出結(jié)束信號結(jié)束本次操作；當(dāng)前工作流程未完成前不能進(jìn)行下一流程。這些狀態(tài)信號全部由Status單元產(chǎn)生。
    在該單元中，共有4種輸出信號，它們分別是：用于指示發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器是否為空的TxSTS狀態(tài)，該狀態(tài)在CPU寫入數(shù)據(jù)后置‘1’，數(shù)據(jù)被發(fā)送后清‘0’；用于指示接收數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好狀態(tài)的RxSTS信號，該信號在模塊接收到完整的數(shù)據(jù)后置‘1’，數(shù)據(jù)被CPU讀走后清‘0’；用于指示模塊工作狀態(tài)的ACKSTS信號，該信號在模塊工作正常(接收到從機響應(yīng)信號)時自動置‘1’，工作不正常時自動清‘0’；用于使工作流程指向下一階段的IncStep信號，該信號在當(dāng)前工作流程完成后由模塊自動產(chǎn)生，用于使模塊的工作流程指向下一階段。
2．5 EnI2C單元
    在I2C總線接口模塊中，BitTiming單元何時開始產(chǎn)生工作時序，需要時序信號控制，I2CPORT單元何時向I2C總線輸出信息、何時從I2C總線上讀入信息也需要時序信號控制。這些控制時序的產(chǎn)生由EnI2C單元完成。
    EnI2C單元在I2CMD[2．．0]、Step[6..0]、TxSTS、RxSTS等信號的控制下，從預(yù)先存儲于單元內(nèi)部的一組I2C工作時序信息中讀出當(dāng)前的時序信息輸出，控制BitTiming和I2CPORT單元工作。
    模塊中，預(yù)先存儲的I2C工作時序信息實現(xiàn)如下：


    
2．6 12CPORT單元
    本單元是整個設(shè)計的核心，用于完成數(shù)據(jù)的I2C總線輸出以及I2C總線輸入數(shù)據(jù)的讀入。同時產(chǎn)生接口模塊的各種工作狀態(tài)。
    該單元的工作過程為：在SysCLK的下降沿分別讀入工作使能信號和工作時序信號，如果此時EnIdle=‘1’則強制I2C總線進(jìn)入空閑模式；如果EnStart=‘1’，則使I2C總線輸出開始信號；如果EnWrite=‘1’，則使I2C總線輸出8位數(shù)據(jù)信號；如果EnInACK=‘1’，則從I2C總線讀入從機響應(yīng)信號；如果EnRead=‘1’，則從I2C總線讀入8位數(shù)據(jù)；如果EnOutACK=‘1’。則使I2C總線輸出主機響應(yīng)信號；如果EnStop=‘1’，則使I2C總線輸出結(jié)束信號；在整個工作過程中，模塊會自動根據(jù)工作情況，設(shè)置各種狀態(tài)控制信號。
    圖3是用QuartusII9．0對該單元仿真的時序圖。

2．7 PcPort單元的實現(xiàn)
    該單元是模塊與CPU的接口，CPU通過該單元向接口模塊寫入工作模式控制信息、需要發(fā)送的數(shù)據(jù)以及I2C工作速度控制信息；同時通過該單元讀入從機響應(yīng)信息、從機輸出數(shù)據(jù)、發(fā)送接收寄存器狀態(tài)等信息。

3 應(yīng)用實例
    該模塊工作于主模式，主要應(yīng)用于沒有I2C專用接口的CPU通過并口方便地與具有I2C接口的外設(shè)連接并交換信息。
    圖4給出了CPU通過該模塊與X24C04E2PROM接口的例子。

    在圖中，PC104 CPU通過數(shù)據(jù)總線、地址總線、讀、寫信號線與I2C接口模塊相連，I2C接口模塊則通過SDL、SDA與X24C04相連，PC104CPU輸出的并行數(shù)據(jù)，經(jīng)過I2C接口模塊轉(zhuǎn)換后變成符合I2C總線模式要求的串行數(shù)據(jù)輸出到X24C04，X24C04輸出的串行數(shù)據(jù)經(jīng)過I2C接口模塊轉(zhuǎn)換后，變成并行數(shù)據(jù)供PC104CPU讀取。使用該模塊后CPU操作I2C總線就像操作并口一樣方便。該電路的控制軟件流程如圖5所示。

    通過上述應(yīng)用實例可以看出，本文設(shè)計的接口模塊只能工作于主機模式，并且在整個系統(tǒng)中只能有一個主機工作。在從機因處理其他工作而暫不能響應(yīng)主機時，模塊沒有設(shè)計等待功能，只能發(fā)送總線結(jié)束信號結(jié)束當(dāng)前操作，待從機空閑時再重新開始通信。

4 結(jié)論
    本設(shè)計的創(chuàng)新點在于：通過CPLD實現(xiàn)并口到I2C總線接口的轉(zhuǎn)換，可以使不具備I2C總線接口的CPU通過并口方便地控制I2C總線設(shè)備，使用該模塊可以簡化控制軟件的編程，加快系統(tǒng)設(shè)計的實現(xiàn)，在I2C總線操作過程中，轉(zhuǎn)換模塊自動發(fā)出開始信號、結(jié)束信號，不需要CPU干預(yù)。
    本文設(shè)計的I2C接口模塊只能工作于主模式，只能應(yīng)用于主機系統(tǒng)；在模塊的設(shè)計中，沒有考慮多主機的情況，對多主機的總線競爭沒有設(shè)計仲裁功能；模塊的頁面讀寫數(shù)據(jù)數(shù)不能超過32個字節(jié)，在32個字節(jié)之內(nèi)，CPU可以通過主動設(shè)置工作模式為“110”而終止當(dāng)前操作，達(dá)到連續(xù)讀寫小于32個字節(jié)數(shù)據(jù)的目的，超過32個字節(jié)的連續(xù)數(shù)據(jù)讀寫操作將使模塊工作錯誤。