I2C器件接口IP核的CPLD设计

    摘要：根据单片机I2C串行扩展的特点，在EDA软件MaxplusII的环境下，利用AHDL语言，建立IP核。此设计利用状态机实现，在给出设计的同时详细说明IP核的建立过程，并下载到芯片通过硬件试验验证。

    关键词：可编程逻辑器件 I2C串行扩展 IP核

由于CPLD数字设计结构化的趋势，将出现针对CPLD不同层次的IP(Intellectual Property)核。各个IP核可重复利用，可大大提高设计能力和效率。国外各大公司都推出了专门的IP核，我国也迫切需要发展自己的IP核。本文针对I2C的主方式串行扩展通信的特点，详细给出设计过程和结果。

1 IP核简介

　　IP核是指：将一些在数字电路中常用但比较复杂的功能块，如FIR滤波器、SDRAM控制器、PCI接口等等设计成可修改参数的模块，让其它用户可以直接调用这些模块，以避免重复劳动。随着CPLD/FPGA的规模越来越大，设计越来越复杂，使用IP核是一个发展趋势。许多公司推荐使用现成的或经过测试的宏功能模块、IP核，用来增强已有的HDL的设计方法。当在进行复杂系统设计的时侯，这些宏功能模块、IP核无疑将大大地减少设计风险及缩短开发周期。使用这些宏功能模块、IP核，就会将更多的时间和精力放在改善及提高系统级的产品方面，而不需要重新开发现成的宏功能模块、IP核。我国IP核库的建设已相当迫切，它是集成电路产业发展的一个重要目标。

图1 I2C传输原理图

2 I2C串行通信特点简介

　　Philips公司推出的I2C软、硬件协议十分巧妙，在单主方式的I2C总线系统中，总线上只有一个单片机，其余都是带I2C总线的外围器件。由于总线上只有一个单片机成为主节点，单片系统永远占据了总线，不会出现竞争，主节点不必有自己的节点地址。只要每个外围器件有自己的器件地址，两根I/O口线SCL(时钟线)和SDA(数据线)就可以虚拟I2C总线接口。I2C总线上的数据传送如图 1所示。总线上传送的每一帧数据均为1个字节。启动总线后，要求每传送1个字节后，对方回应一个应答位。在发送时，首先发送最高位。每次传送开始有起始信号，结束时有停止信号。在总线传送完1个字节后，可以通过对时钟线的控制，使传送暂停，这时可在应答信号后使SCL变低电平，控制总线暂停。 当主节点要求总线暂停时亦可采用同样的方法。图1是CPLD向外围I2C器件发送01010011 和01001001这两个数据的情况。

3 在MaxplusII环境下I2C串行扩展IP核的建立

　　MaxplusII是美国Altera公司用于CPLD的EDA软件，内部有许多常用的宏单元，如计数器、四则运算、各类逻辑门乃至ROM、RAM等。这些宏单元内具体的参数都可以由用户来自行设定，这就是上面提到的IP核形式。它避免了重复劳动，提高了效率。以下将要设计的是下位机的IP核。

　　MaxplusII的AHDL（Altera Hard ware Description Language）是Altera公司开发的完全集成于MaxplusII中的一种模块化高级语言，特别适合于描述复杂的组合逻辑、组运算、状态机和真值表。本文利用AHDL，直接生成IP核。

　　设计的最终目标是生成如图 2所示的Symbol。通过输入数据来达到控制SDA和SCL的目的，将信号按要求的时序传送给I2C器件。

　　设计思路是利用状态机实现时序。主要包括输入数据锁存、起始、数据传输、停止等状态机。通过状态机，在每一状态下确定下一状态SDA和SCL是高电平或者低电平，通过这种方式实现了I2C所需要的每一种时序。由于使用的是AHDL，这种状态机实现起来非常方便，程序简洁明了。由于篇幅限制，仅介绍数据传输的状态机。状态图如图3所示。

　　以下程序中，Cmd_reg2为发送允许暂存位；Sh_reg[]为数据锁存，通过左移，最高位数据Sh_reg7为当前将发送数据，存入SDA_tmp 。通过图 3对照程序，可以看到发送一个利用状态机数据位的详细过程。程序清单如下：

IF Cmd_reg2 THEN --若"发送允许"，则将Sh_reg7作为当前发送位

SDA_tmp = Sh_reg7;

ELSE

SDA_tmp = VCC;

END IF;

St.clk = SysClk;

St.ena = BaudGen;

CASE St IS --控制传输8位数据的状态机

WHEN t0 =>

IF Cmd_reg2 OR Cmd_reg3 THEN

SDA = SDA_tmp; --开始传送数据

SCL = GND;

St = t1;

ELSE

St = t0;

END IF;

WHEN t1 =>

SCL = VCC;

SDA = SDA_tmp;

St = t1a;

WHEN t1a =>

SCL = VCC;

SDA = SDA_tmp;

St = t2;

WHEN t2 =>

Sh_reg[7..1] = Sh_reg[6..0]; --数据左移，取高位

Sh_reg[0] = GND;

Sh_reg[].ena = EXU;

SCL = GND;

SDA = SDA_tmp;

IF Bit[] == 7 THEN --若8位传完，则发应答位；否则继续

St = t3;

ELSE

St = t0;

END IF;

WHEN t3 => --发应答位

SDA =GND;

St = t4;

WHEN t4 =>

SDA = GND;

SCL = VCC;

St = t4a;

WHEN t4a =>

SDA = GND;

SCL = VCC;

St = t5;

WHEN t5 =>

SCL = GND;

St = t6;

WHEN t6 =>

SDA = GND;

FINISHED = VCC;

St = t0;

END CASE;

Bit[] = Bit[] + 1; ――--传输完一位，已传输位数加一

　　图 4为仿真结果。起始信号给出以后，传输2个8位数据：每个数据后跟一个应答位，在输送完第一个数据要求的情况下，暂停一段时间，再输送第二个数据；2个数据输完以后，主机发出停止输送要求，即给出停止信号。这些信号，在SDA和SCL上完全符合I2C的时序要求。要使总线传输速率达到改进后的规范，即400 kb/s，因为根据以上叙述，每发送1位数据需要4个时钟周期，所以所给的时钟为1600 kHz。图4中Execute为执行信号，即它为高电平时，输入数据DIN[7..0]有效；EXU为发送使能信号，只有当它为高电平时，方可输送串行数据到外围器件；Start为开始控制信号，用于发生起始信号；STOP用于告知总线数据传输结束，发生停止信号。

图4 仿真结果

　　仿真以后，通过编程电缆将生成的pof文件用ISP(在系统编程)方式下载到FPGA板EPM7128SLC84-6，I/O口SDA和SCL挂上拉电阻，外接两片I2C器件SAA1064(LED显示I2C串入并出芯片)进行测试，结果CPLD利用该I2C的IP核，工作正常，可以按照要求显示。