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基于CPLD的系统中I2C总线的设计

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

摘要:在介绍I2C总线协议的基础上,讨论了基于CPLD的系统中I2C总线的设计技术,并结合工程实例设计了I2C总线IP核,给出了部分源代码和仿真结果。

    关键词:I2C总线 IP核 CPLD

I2C总线是PHILIPS公司推出的新一代串行总线,其应用日渐广泛1~2。目前许多单片机都带有I2C总线接口,能方便地实现I2C总线设计;对没有I2C总线的微控制器(MCU),可以采用两条I/O口线进行模拟。在以单片机为MCU的系统中很容易实现I2C总线的模拟扩展,有现成的通用软件包可以使用2~3。

对有些基于CPLD的系统,要与带有I2C总线接口的外围器件连接,实现起来相对复杂一些。为实现系统中的I2C总线接口,可以另外引入单片机,也可以采用PCF8584或者PCA9564器件(PHILIPS公司推出的专用I2C总线扩展器)进行扩展,但这样会增加系统成本,使系统冗余复杂。像ALTERA、XILINX等一些大公司有专用的基于CPLD器件的I2C总线IP核,但这些IP核的通用性不强,需要的外围控制信号较多,占用系统很大的资源,因此直接采用这种IP核不可取。

鉴于此,依照I2C总线协议的时序要求,在基于CPLD的系统中开发了自己的I2C总线IP核。对于一些带有I2C总线接口的外围器件较少、对I2C总线功能要求较简单的CPLD系统,自主开发IP核显得既经济又方便。
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1 I2C总线的协议

I2C总线仅仅依靠两根连线就实现了完善的全双工同步数据传送:一根为串行数据线(SDA),一根为串行时钟线(SCL)。该总线协议有严格的时序要求。总线工作时,由时钟控制线SCL传送时钟脉冲,由串行数据线SDA传送数据。总线传送的每帧数据均为一个字节(8 bit),但启动I2C总线后,传送的字节个数没有限制,只要求每传送一个字节后,对方回应一个应答位(Acknowledge Bit)。发送数据时首先发送数据的最高位(MSB)。

I2C总线协议规定,启动总线后第一个字节的高7位是从器件的寻址地址,第8位为方向位(“0”表示主器件对从器件的写操作;“1”表示主器件对从器件的读操作),其余的字节为操作的数据。总线每次传送开始时有起始信号,结束时有停止信号。在总线传送完一个或几个字节后,可以使SCL线的电平变低,从而使传送暂停。

图1列出了I2C总线上典型信号的时序,图2表示I2C总线上一次完整的数据传送过程。

依据I2C总线的传输协议,总线工作时的具体时序如下:

起始信号(S):在时钟SCL为高电平期间,数据线SDA出现由高电平向低电平的变化,用于启动I2C总线,准备开始传送数据;

停止信号(P):在时钟SCL为高电平期间,数据线SDA出现由低电平向高电平的变化,用于停止I2C总线上的数据传送;

应答信号(A):I2C总线的第9个脉冲对应应答位,若SDA线上显示低电平则为总线“应答”(A),若SDA线上显示高电平则为“非应答”(/A);

数据位传送:I2C总线起始信号或应答信号之后的第1~8个时钟脉冲对应一个字节的8位数据传送。在脉冲高电平期间,数据串行传送;在脉冲低电平期间,数据准备,允许总线上数据电平变化。

2 应用实例

2.1 实例模型介绍

现举某应用实例,要求对显示器的视频信号进行采集、处理和再显示,整个系统采用CPLD器件进行控制。信号采集采用A/D公司的专用视频采集芯片AD9883,该芯片在使用前需要依据实际的功能指标进行初始化。基于CPLD的系统中I2C总线的设计初始化过程依靠AD9883的SDA和SCL两引脚进行。在系统中用CPLD器件,ALTERA公司的EPM3256A,实现初始化:按照I2C总线协议向AD9883的19个内部寄存器(01H~13H)写入19组固定的8位数据;第14H寄存器为只读型同步检测寄存器,仅用于检测几个关键的数据设置。

可见该I2C总线模型如下:单主操作,只实现简单的写和读操作(亦可只有写操作,只是硬件调试的时候会麻烦些),

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