基于CPLD的系統(tǒng)中I2C總線的設(shè)計(jì)說(shuō)明

1、 . . . 基于CPLD的系統(tǒng)中I2C總線的設(shè)計(jì) 文章 昆 邱 揚(yáng) 浩文章類型：設(shè)計(jì)應(yīng)用 文章加入時(shí)間：2004年3月12日1:28文章出處：電子技術(shù)應(yīng)用   摘要：在介紹總線協(xié)議的基礎(chǔ)上，討論了基于的系統(tǒng)中總線的設(shè)計(jì)技術(shù)，并結(jié)合工程實(shí)例設(shè)計(jì)了總線核，給出了部分源代碼和仿真結(jié)果。   關(guān)鍵詞：總線 核 總線是公司推出的新一代串行總線，其應(yīng)用日漸廣泛。目前許多單片機(jī)都帶有總線接口，能方便地實(shí)現(xiàn)總線設(shè)計(jì)；對(duì)沒(méi)有總線的微控制器（），可以采用兩條口線進(jìn)行模擬。在以單片機(jī)為的系統(tǒng)中很容易實(shí)現(xiàn)總線的模擬擴(kuò)展，有現(xiàn)成的通用軟件包可以使用。對(duì)有些基

2、于的系統(tǒng)，要與帶有總線接口的外圍器件連接，實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)復(fù)雜一些。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中的總線接口，可以另外引入單片機(jī)，也可以采用或者器件（公司推出的專用總線擴(kuò)展器）進(jìn)行擴(kuò)展，但這樣會(huì)增加系統(tǒng)成本，使系統(tǒng)冗余復(fù)雜。像、等一些大公司有專用的基于器件的總線核，但這些核的通用性不強(qiáng)，需要的外圍控制信號(hào)較多，占用系統(tǒng)很大的資源，因此直接采用這種核不可取。鑒于此，依照總線協(xié)議的時(shí)序要求，在基于的系統(tǒng)中開發(fā)了自己的總線核。對(duì)于一些帶有總線接口的外圍器件較少、對(duì)總線功能要求較簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，自主開發(fā)核顯得既經(jīng)濟(jì)又方便。 總線的協(xié)議總線僅僅依靠?jī)筛B線就實(shí)現(xiàn)了完善的全雙工同步數(shù)據(jù)傳送：一根為串行數(shù)據(jù)線（），一根為串行時(shí)鐘線（

3、）。該總線協(xié)議有嚴(yán)格的時(shí)序要求。總線工作時(shí)，由時(shí)鐘控制線傳送時(shí)鐘脈沖，由串行數(shù)據(jù)線傳送數(shù)據(jù)?？偩€傳送的每幀數(shù)據(jù)均為一個(gè)字節(jié)（ ），但啟動(dòng)總線后，傳送的字節(jié)個(gè)數(shù)沒(méi)有限制，只要求每傳送一個(gè)字節(jié)后，對(duì)方回應(yīng)一個(gè)應(yīng)答位（ ）。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)首先發(fā)送數(shù)據(jù)的最高位（）?？偩€協(xié)議規(guī)定，啟動(dòng)總線后第一個(gè)字節(jié)的高位是從器件的尋址地址，第位為方向位（“”表示主器件對(duì)從器件的寫操作；“”表示主器件對(duì)從器件的讀操作），其余的字節(jié)為操作的數(shù)據(jù)?？偩€每次傳送開始時(shí)有起始信號(hào)，結(jié)束時(shí)有停止信號(hào)。在總線傳送完一個(gè)或幾個(gè)字節(jié)后，可以使線的電平變低，從而使傳送暫停。圖列出了總線上典型信號(hào)的時(shí)序，圖表示總線上一次完整的數(shù)據(jù)傳送過(guò)程。依

4、據(jù)總線的傳輸協(xié)議，總線工作時(shí)的具體時(shí)序如下：起始信號(hào)（）：在時(shí)鐘為高電平期間，數(shù)據(jù)線出現(xiàn)由高電平向低電平的變化，用于啟動(dòng)總線，準(zhǔn)備開始傳送數(shù)據(jù)；停止信號(hào)（）：在時(shí)鐘為高電平期間，數(shù)據(jù)線出現(xiàn)由低電平向高電平的變化，用于停止總線上的數(shù)據(jù)傳送；應(yīng)答信號(hào)（）：總線的第個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)應(yīng)答位，若線上顯示低電平則為總線“應(yīng)答”（），若線上顯示高電平則為“非應(yīng)答”（）；數(shù)據(jù)位傳送：總線起始信號(hào)或應(yīng)答信號(hào)之后的第個(gè)時(shí)鐘脈沖對(duì)應(yīng)一個(gè)字節(jié)的位數(shù)據(jù)傳送。在脈沖高電平期間，數(shù)據(jù)串行傳送；在脈沖低電平期間，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，允許總線上數(shù)據(jù)電平變化。 應(yīng)用實(shí)例 實(shí)例模型介紹現(xiàn)舉某應(yīng)用實(shí)例，要求對(duì)顯示器的視頻信號(hào)進(jìn)行采集、處理和再顯示，

5、整個(gè)系統(tǒng)采用器件進(jìn)行控制。信號(hào)采集采用公司的專用視頻采集芯片，該芯片在使用前需要依據(jù)實(shí)際的功能指標(biāo)進(jìn)行初始化。初始化過(guò)程依靠的和兩引腳進(jìn)行。在系統(tǒng)中用器件,公司的,實(shí)現(xiàn)初始化：按照總線協(xié)議向的個(gè)部寄存器（）寫入組固定的位數(shù)據(jù)；第寄存器為只讀型同步檢測(cè)寄存器，僅用于檢測(cè)幾個(gè)關(guān)鍵的數(shù)據(jù)設(shè)置。可見該總線模型如下：?jiǎn)沃鞑僮?，只?shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的寫和讀操作（亦可只有寫操作，只是硬件調(diào)試的時(shí)候會(huì)麻煩些），寫地址連續(xù)，沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)和仲裁，是很簡(jiǎn)單的總線系統(tǒng)。由此設(shè)計(jì)了如圖所示的核。其中，為復(fù)位信號(hào)，為系統(tǒng)時(shí)鐘。為了軟件仿真方便，把雙向數(shù)據(jù)線用分離的兩條線模擬：為數(shù)據(jù)輸出，為的應(yīng)答信號(hào)。軟件仿真成功后，只要把設(shè)置為雙向，

6、稍微修改一下程序就可以向器件下載，進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。對(duì)部地址連續(xù)的寄存器進(jìn)行初始化，總線上傳輸?shù)臅r(shí)序信號(hào)依次為：開始信號(hào)（）；從器件地址和寫操作位（）；部寄存器基地址（ ）；寫入基地址的數(shù)據(jù)（）；寫入下一地址（ ）的數(shù)據(jù)（）；寫入地址（ ）的數(shù)據(jù)（）；寫入地址（ ）的數(shù)據(jù)（）；停止信號(hào)（）。針對(duì)，如果電路中的引腳接電源，則“”； “”，是依據(jù)實(shí)際需要寫入的初始化數(shù)據(jù)。 核程序的編寫整個(gè)程序用語(yǔ)言編制，輸出時(shí)鐘的設(shè)計(jì)是基于輸入時(shí)鐘的分頻的。程序由三個(gè)狀態(tài)組成：開始（）、轉(zhuǎn)換（）和應(yīng)答（）。狀態(tài)定義如下： 下面給出部分進(jìn)程的源代碼以供參考。開始信號(hào)的產(chǎn)生 “” 比較寄存器的開始值設(shè)置（由用戶決定） 開

7、始條件“” 為時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù) “” 產(chǎn)生的下降沿 “” 歸，保證只產(chǎn)生一次開始信號(hào) “” 等所有的初始化數(shù)據(jù)傳輸完畢后即產(chǎn)生停止信號(hào)，過(guò)程與上面相類似，在此省略。 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程采用移位傳輸，傳輸位之后即進(jìn)入應(yīng)答狀態(tài)。 “” 為脈沖計(jì)數(shù)，由實(shí)際的時(shí)鐘頻率決定的值“” 為數(shù)據(jù)移位個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)為移位寄存器 “” 為應(yīng)答標(biāo)志位 圖4 數(shù)據(jù)傳輸仿真波形 圖5 SDA非應(yīng)答時(shí)的仿真波形    數(shù)據(jù)輸入一般情況下，總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)要由外部或其它專門的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)來(lái)存儲(chǔ)，但在數(shù)據(jù)相對(duì)固定且數(shù)據(jù)量不是很大的情況下，可以將初始化的數(shù)據(jù)寫在程序中，這樣可減少頻繁的數(shù)據(jù)交換，簡(jiǎn)化操作。

8、的初始化數(shù)據(jù)就屬于這種情況，可以通過(guò)檢測(cè)應(yīng)答信號(hào)來(lái)改變輸入的值。程序如下： 數(shù)據(jù)輸入 為應(yīng)答計(jì)數(shù)，每應(yīng)答一次，輸入改變一次 “” “” “” “” “” “” “” “” “” “” “” 仿真結(jié)果把自主開發(fā)的核置于 開發(fā)環(huán)境下，選用器件，經(jīng)過(guò)編譯、調(diào)試與仿真，證明該程序符合設(shè)計(jì)要求。圖是模擬產(chǎn)生開始信號(hào)并傳輸兩組二進(jìn)制數(shù)據(jù)“”和“”（十進(jìn)制表示為和）的仿真波形。圖是傳輸數(shù)據(jù)“”后沒(méi)有應(yīng)答時(shí)的仿真結(jié)果，此時(shí)總線處于暫停狀態(tài)。仿真完成后，通過(guò)編程電纜將文件下載到實(shí)際電路的中，然后對(duì)進(jìn)行初始化，結(jié)果工作正常，這進(jìn)一步驗(yàn)證了采用該自主開發(fā)的核完全可滿足總線的時(shí)序要求，能實(shí)現(xiàn)總線的功能。 圖4 數(shù)據(jù)傳輸仿真波形 圖5 SDA非應(yīng)答時(shí)的仿真波形    數(shù)據(jù)輸入一般情況下，總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)要由外部或其它專門的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)來(lái)存儲(chǔ)，但在數(shù)據(jù)相對(duì)固定且數(shù)據(jù)量不是很大的情況下，可以將初始化的數(shù)據(jù)寫在程序中，這樣可減少頻繁的數(shù)據(jù)交換，簡(jiǎn)化操作。的初始化數(shù)據(jù)就屬于這種情況，可以通過(guò)檢測(cè)應(yīng)答信號(hào)來(lái)改變輸入的值。程序如下： 數(shù)據(jù)輸入 為應(yīng)答計(jì)數(shù)，每應(yīng)答一次，輸入改變一次 “” “” “” “” “” “” “” “” “” “” “” 仿真結(jié)果把自主開發(fā)的核置于 開發(fā)環(huán)境下，選用器件，經(jīng)過(guò)編譯、調(diào)試與仿真，證明該程序符合設(shè)計(jì)要求。圖是模擬產(chǎn)生開始信號(hào)并傳輸兩組二