基于CPLD器件实现I2C总线通讯接口

电源

I2C（IIC）总线是PHILIPS公司开发的一种简单、双向、二线制、同步串行总线。它只需两根线（串行时钟线和串行数据线）即可在连接于总线上的器件之间传送信息。该总线是高性能串行总线，具备多主机系统所需要的裁决和高低速设备同步等功能，应用极为广泛。目前市场上虽然有专用IIC总线接口芯片，但是地址可选范围小、性能指标固定、功能单一、使用不方便。根据IIC总线的电气特性及其通讯协议，采用ALTERA公司的FLEX10K系列CPLD器件EPF10K10LC84-3可以方便地实现I2C（IIC）总线的通讯接口，且具有高速、易调试、可以灵活地实现地在线配置等优点，同时大大地减少了系统的开发周期。
1 IIC总线的数据传输规范

I2C（IIC）总线主从机之间的一次数据传送称为一帧，由启动信号、地址码、若干数据字节、应答位以及停止信号等组成。通讯启动时，主动发送一个启动信号（当SCL线上是高电平时，SDA线上产生一个下降沿）、从机的地址码（8位）和读写信号；通讯停止时，主机发送一个停止信号（当SCL线上是高电平时，SDA线上产生一个上升沿）。在数据传送过程中，当SCL线上是高电平时，必须保证SDA线上的数据稳定；传送一个字节的数据，必须由接收机发一个应答信号。总线的传输码速率为100kbps（标准）～400kbps（高速）。采用+5V电源供电时，输入电平规定为：VILmax=1.5V，VIHmin=3V；采用宽电源电压时，电平规定为：VILmax=1.5VDD，VIHmin=3VDD。 IIC总线的通讯过程如图1所示。

2 ISP的逻辑实现
基于IIC总线的数据传输规范，为完成IIC总线的数据发送与接收，采用ISP器件实现通讯接口的逻辑功能框图如图2所示。通过频选、控制、可控时钟可获得100kHz、200kHz、300kHz、400kHz的时钟频率。器件退出总线竞争后，时钟线置高电平。

2.1 通讯的启动与停止
在主机方式下，接收数据时，ISP器件必须通过启动信号生成器送出一个启动信号，然后发送从机的地址信号和读写信号。只有这样，才能在总线上发送数据。该过程由控制寄存器启动。VHDL描述如下： PROCESS（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 为控制寄存器 CLK1COUNT：="0"； SDA1：="1"； IF（CLK1 EVENT AND CLK="0"）THEN IF(CLK1COUNT="3")THEN SDA1:="1"; 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 %26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;——将数据寄存器中的数据 %26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;——及WR信号移位发出（略） END IF； END PROCESS；当一次通讯结束时，主机要发送停止信号。该过程同样同控制寄存器控制；当控制字第二位为"1"时，ISP器件产生停止信号。VHDL描述与启动类似。
2.2 发送数据
在主机方式下，完成启动和地址信号发送后即开始发送数据。发送数据时并串转换器在SCL的下降沿移位，保证SCL高电平时SDA上的数据稳定。发送的进程由WR信号和从机的应答信号启动。当ISP器件在总线竞争失败时，由处理器将ISP器件转为从机工作方式，处理器向地址检测电路送该器件在系统中的地址。只有在接收到的地址信息与该器件所设的地址相同时，才发出应答信号，开始通讯。每发送一个字节即将SDA拉高，等待接收机的应答信号，准备下一个数据。

2.3 接收数据
在主机方式下，完成通讯启动和地址信号发送后便开始准备接收数据。每接收一个字节后要发出应答信号，产生一个负脉冲作为中断请求信号输出给处理器。若此时系统忙，则拉低SCL电平迫使发送机进入等待状态。从机方式下的接收与主机方式下一样。VHDL描述如下： PROCESS（SDA1） SACK：="0"； FULL1：="0"； STP：="0"； INTQ：="1"； IF（CSTA="1" AND ADDOK="1"）THEN IF（SCL"1"EVENT AND SCL1="0"）THEN ……——接收数据，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"； FULL：="0"； INTQ：="0"； ELSE SDA1：="1"； IF（CLK1"EVENT AND CLK="0" AND FULL1="0"）THEN IF（CLK1COUNT"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；
2.4 总线仲裁
在通讯过程中，ISP器件在发送数据的同时接收总线上的数据，将该数据与已送的数据进行比较，若不相同则置位状态发生器的SLAVE，表示该主机退出竞争。通过处理给控制寄存器发送控制字可以让ISP器件转入从机工作方式。这时启动地址检测，禁止SCL的发送。在一次通讯结束后，将状态生成器的END置位，此时处理器可以再次将ISP器件设置为主机方式。
2.5 控制寄存器与状态生成器
控制寄存器主要是定义ISP器件的工作状态，其各位的定义为： BUSY 　 CLKEN CLKS2 CLKS1 STA STP M/S BUSY：若该位为"1"，主机作为接收机时，不发应答信号； STA：启动信号位； STP：停止信号位； M/S：主从机位，用于选择芯片工作状态（主机还是从机）； CLKS1、CLKS2：频选控制位； CLKEN：SCL使能位，该位为1时SCL置高电平。状态生成器可以生成工作状态信号（中断、IIC总线竞争、从机方式时通讯开始与结束）供处理器查询[FS:PAGE]处理。
3 参数配置
该器件可以配置为从100kbps（标准）到400kbps（高速）的任何传送速度，以满足不同的需要。只需在VHDL（描述的结构体中指明配置的参数即可实现配置，非常方便。本设计只使用一片可编程芯片即可完成IIC总线接口的芯片功能。由于采用VHDL-93语言进行设计，具有良好的可移植性，可用于其它ISP厂家的产品中。通过ByteBlast下载线可以在线改变其功能，体现了CPLD中的ISP器件的优越性。

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