基于FPGA的多路I2C總線設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要： 介紹了一種基于FPGA的多路I2C總線設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。主要包括系統(tǒng)處理器、局部總線、FPGA邏輯模塊、負(fù)載設(shè)備幾部分，實(shí)現(xiàn)了從處理器局部總線到I2C協(xié)議的轉(zhuǎn)換及其多路擴(kuò)展，使系統(tǒng)具有多個(gè)I2C總線通道，且每一路I2C總線上能掛載多個(gè)不同的主設(shè)備或從設(shè)備。該系統(tǒng)中各路I2C總線相互獨(dú)立工作，沒(méi)有干擾和影響。
關(guān)鍵詞： I²C；可編程邏輯門(mén)陣列；狀態(tài)機(jī)

　I²C（Inter-Integrated Circuit）總線是由Philips公司開(kāi)發(fā)的用于IC器件之間連接的二線制總線，其為雙向、兩線、串行、多主控接口標(biāo)準(zhǔn)，具有總線仲裁機(jī)制，非常適合器件之間近距離、非經(jīng)常性的數(shù)據(jù)通信。由于其具有接口線少、控制方式簡(jiǎn)化、器件封裝形式小、通信速率較高等優(yōu)點(diǎn)，I2C總線的應(yīng)用非常廣泛[1]。
在工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)中需要有多路I2C總線控制器來(lái)完成溫度、電壓、濕度等各個(gè)方面的監(jiān)控功能。但是，目前很多系統(tǒng)沒(méi)有或者只有很少通道的I2C總線接口，使其應(yīng)用受到了限制。
基于上述技術(shù)現(xiàn)狀，本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA（Field Programmable Gate Array）實(shí)現(xiàn)一種多路I²C總線的系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)。
系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
FPGA作為ASIC專用集成電路領(lǐng)域中的一種半定制電路，可以解決定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門(mén)電路數(shù)有限的缺點(diǎn)，具有設(shè)計(jì)周期短、開(kāi)發(fā)費(fèi)用低、保密性強(qiáng)、體積小、重量輕、可靠性高等特點(diǎn)[2]。
　　本系統(tǒng)主要由系統(tǒng)處理器、局部總線、FPGA邏輯模塊、負(fù)載設(shè)備幾部分組成。其中系統(tǒng)處理器采用Freescale公司的MPC8245[3]。
具有多路I2C總線的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

處理器利用局部總線，通過(guò)地址線、數(shù)據(jù)線、讀寫(xiě)信號(hào)線和片選信號(hào)線與FPGA邏輯模塊進(jìn)行通信，在FPGA內(nèi)部完成I²C總線控制器的功能，實(shí)現(xiàn)從處理器局部總線到I2C協(xié)議的轉(zhuǎn)換和多路擴(kuò)展，其中每個(gè)I2C總線控制器掛載多個(gè)不同的設(shè)備，可以是主設(shè)備或從設(shè)備。
FPGA邏輯模塊設(shè)計(jì)
多路I²C總線的系統(tǒng)控制中，F(xiàn)PGA邏輯模塊的設(shè)計(jì)是核心。該模塊主要由三部分組成：頂層控制模塊、處理器接口模塊、多路I2C總線控制器模塊。模塊化的設(shè)計(jì)便于移植和軟件重用。其中FPGA芯片采用XILINX公司的SPARTAN3A系列的芯片，開(kāi)發(fā)平臺(tái)為ISE10.1。
頂層控制模塊
頂層控制模塊主要實(shí)現(xiàn)處理器接口模塊與多路I²C總線控制器模塊之間的連接與通信，實(shí)現(xiàn)整個(gè)輸入輸出接口到各個(gè)功能模塊之間的映射。三者之間的邏輯關(guān)系如圖2所示。

處理器接口模塊
MPC8245處理器接口模塊主要完成MPC8245處理器與FPGA的接口功能，并實(shí)現(xiàn)與FPGA內(nèi)部的多路I2C總線控制器數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈帐謪f(xié)議和數(shù)據(jù)交換。在MPC8245處理器接口模塊中，每個(gè)I2C控制器對(duì)應(yīng)有4個(gè)8位的寄存器，即數(shù)據(jù)寄存器、地址寄存器、控制寄存器和狀態(tài)寄存器。
（1）數(shù)據(jù)寄存器根據(jù)讀/寫(xiě)信號(hào)區(qū)分，分為發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖寄存器和接收數(shù)據(jù)緩沖寄存器，共享一個(gè)地址，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為8位。
（2）地址寄存器用來(lái)保存當(dāng)前地址。當(dāng)該路I2C控制器作為從節(jié)點(diǎn)通信時(shí)，地址寄存器中保存的是自己的地址，這個(gè)地址在總線上是唯一的。從節(jié)點(diǎn)接收到包頭后，將其中的地址與自己的地址比較，如果一致，則響應(yīng)主節(jié)點(diǎn)，開(kāi)始傳輸。
（3）控制寄存器用來(lái)控制I2C總線控制器的數(shù)據(jù)傳輸，按照設(shè)置產(chǎn)生各個(gè)協(xié)議命令、響應(yīng)動(dòng)作及工作模式。
（4）狀態(tài)寄存器顯示當(dāng)前總線的狀態(tài)。通過(guò)狀態(tài)寄存器中不同的狀態(tài)指示，實(shí)現(xiàn)與MPC8245處理器的握手協(xié)議。
MPC8245處理器利用地址線、數(shù)據(jù)線、片選信號(hào)和讀寫(xiě)信號(hào)來(lái)與MPC8245處理器接口模塊N路I2C總線控制器相關(guān)的N×4個(gè)寄存器交換數(shù)據(jù)、讀取狀態(tài)、作為從設(shè)備時(shí)響應(yīng)的地址和控制各路I2C總線的控制器。
I²C總線控制器模塊
I²C總線控制器模塊主要實(shí)現(xiàn)并行的I²C通信控制，每一路I²C總線控制器通過(guò)FPGA的I/O管腳連接到外部實(shí)現(xiàn)各自獨(dú)立的I2C總線，具有主工作模式和從工作模式兩種工作狀態(tài)。
I2C總線控制器主要有兩個(gè)狀態(tài)機(jī)：主控制狀態(tài)機(jī)和時(shí)鐘生成狀態(tài)機(jī)。
主控制狀態(tài)機(jī)是整個(gè)I²C總線控制器的核心。時(shí)鐘生成狀態(tài)機(jī)只在I²C總線控制器作為主設(shè)備時(shí)的模式下工作，是I²C總線通信時(shí)的時(shí)鐘。當(dāng)I2C總線控制器作為從設(shè)備通信時(shí)，主控制狀態(tài)機(jī)時(shí)鐘由FPGA所實(shí)現(xiàn)的I²C總線上所掛載的I²C主設(shè)備提供，整個(gè)I2C總線通信時(shí)的時(shí)鐘為外部主設(shè)備提供的時(shí)鐘。
I²C總線控制器狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)
（1）主控制狀態(tài)機(jī)
主控制狀態(tài)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖3所示。

IDLE狀態(tài)：當(dāng)I2C上電或者復(fù)位后，主控制狀態(tài)機(jī)就處于此狀態(tài)。
HEADER狀態(tài)：在此狀態(tài)，系統(tǒng)根據(jù)控制寄存器位MSTA值，發(fā)送或者接收包頭，滿足條件后，轉(zhuǎn)移到ACK_HEADER狀態(tài)；I2C總線控制器中的HEADER移位寄存器與地址寄存器中存放的I²C總線控制器作為從設(shè)備時(shí)響應(yīng)的地址進(jìn)行比較，如果匹配，則表明該路I2C總線控制器為被主設(shè)備尋址的從設(shè)備，模式立刻切換到從設(shè)備模式，同時(shí)狀態(tài)寄存器中的MAAS位被置位，數(shù)據(jù)線SDA將會(huì)按照TXAK中的設(shè)置應(yīng)答當(dāng)前主設(shè)備。
ACK_HEADER狀態(tài)：當(dāng)該路I2C總線控制器作為主設(shè)備時(shí)，如果沒(méi)有收到從設(shè)備發(fā)送的ACK，則發(fā)送結(jié)束信號(hào)，返回到IDLE狀態(tài)；如果收到ACK，則確定仲裁沒(méi)有丟失，根據(jù)控制寄存器位TX值轉(zhuǎn)到XMIT_DATA或者RCV_DATA狀態(tài)；當(dāng)該路I2C總線控制器作為從設(shè)備時(shí)，如果地址匹配，則發(fā)送ACK，根據(jù)主設(shè)備發(fā)送的第一個(gè)字節(jié)中的最后一位的值轉(zhuǎn)到XMIT_DATA或者RCV_DATA狀態(tài)。
XMIT_DATA狀態(tài)：在此狀態(tài)時(shí)，移位寄存器將數(shù)據(jù)移到SDA線上。發(fā)送一個(gè)字節(jié)完成后，轉(zhuǎn)移到WAIT_ACK狀態(tài)。
WAIT_ACK狀態(tài)：在此狀態(tài)時(shí)，如果收到ACK，則返回到XMIT_DATA狀態(tài)；如果仲裁丟失，則轉(zhuǎn)到IDLE狀態(tài)；如果沒(méi)有收到ACK，則發(fā)送結(jié)束信號(hào)，轉(zhuǎn)移到IDLE狀態(tài)。
RCV_DATA狀態(tài)：在此狀態(tài)時(shí)，如果檢測(cè)到重新啟動(dòng)信號(hào)，則返回HEADER狀態(tài)；否則，移位寄存器從SDA線上移入數(shù)據(jù)，以供MPC8245處理器的驅(qū)動(dòng)程序讀取，移入一個(gè)字節(jié)后，轉(zhuǎn)到ACK_DATA狀態(tài)，控制寄存器中的TXAK位被輸出到數(shù)據(jù)線SDA。
ACK_DATA狀態(tài)：I2C控制器發(fā)送ACK，返回到RCV_DATA狀態(tài)。
（2）時(shí)鐘狀態(tài)機(jī)
整個(gè)狀態(tài)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖4所示。

SCL_IDLE狀態(tài)：當(dāng)上電復(fù)位后，狀態(tài)機(jī)就處于該狀態(tài)。當(dāng)I2C控制器為主節(jié)點(diǎn)并且總線空閑時(shí)，收到開(kāi)始標(biāo)志后，轉(zhuǎn)移到START狀態(tài)。
START狀態(tài)：當(dāng)在此狀態(tài)時(shí)，根據(jù)I2C協(xié)議，需要保持一定的時(shí)間，當(dāng)持續(xù)時(shí)間滿足要求時(shí)，轉(zhuǎn)移到SCL_LOW_EDGE狀態(tài)，否則保持在START狀態(tài)。
SCL_LOW_EDGE狀態(tài)：當(dāng)在此狀態(tài)時(shí)，在下一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘時(shí)，轉(zhuǎn)移到SCL_LOW狀態(tài)。
SCL_LOW狀態(tài)：在此狀態(tài)時(shí)，根據(jù)控制信號(hào)，設(shè)置SDA的輸出，根據(jù)I2C協(xié)議，需要保持一定的時(shí)間，當(dāng)保持時(shí)間滿足要求時(shí)，轉(zhuǎn)移到SCL_HIGH_EDGE狀態(tài)，否則保持在該狀態(tài)；如果仲裁丟失且已經(jīng)傳輸了7個(gè)字節(jié)，則轉(zhuǎn)移到SCL_IDLE狀態(tài)。
SCL_HIGH_EDGE狀態(tài)：在此狀態(tài)時(shí)，完成一定的操作，持續(xù)一個(gè)時(shí)鐘周期后，轉(zhuǎn)移到SCL_HIGH狀態(tài)。如果SCL輸入為0或者狀態(tài)寄存器中的位MCF=1，則一直停留在該狀態(tài)。
SCL_HIGH狀態(tài)：在此狀態(tài)時(shí)，如果有重復(fù)起始信號(hào)，則SCL高電平持續(xù)一半時(shí)間，轉(zhuǎn)移到START狀態(tài)；如果有結(jié)束信號(hào)，則SCL高電平持續(xù)一半時(shí)間，轉(zhuǎn)移到STOP_WAIT狀態(tài)；根據(jù)I²C協(xié)議，需要保持一定的時(shí)間，當(dāng)持續(xù)時(shí)間滿足要求時(shí)，轉(zhuǎn)移到SCL_LOW_EDGE狀態(tài)，否則保持在當(dāng)前狀態(tài)。
STOP_WAIT狀態(tài)：在此狀態(tài)時(shí)，根據(jù)I²C協(xié)議，需要保持一定的時(shí)間，當(dāng)持續(xù)時(shí)間滿足要求時(shí)，轉(zhuǎn)移到SCL_IDLE狀態(tài)。
系統(tǒng)工作流程
多路I²C總線的系統(tǒng)在系統(tǒng)上電后，處理器通過(guò)FPGA與FPGA相連接的I²C設(shè)備通信。
（1）當(dāng)處理器作為主設(shè)備與FPGA所實(shí)現(xiàn)的I²C總線上所掛的從設(shè)備進(jìn)行通信時(shí)，處理器主體通過(guò)對(duì)FPGA內(nèi)部的該路I²C總線控制器對(duì)應(yīng)的寄存器進(jìn)行操作，根據(jù)I2C總線通信協(xié)議，產(chǎn)生起始信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)，并查詢狀態(tài)位，對(duì)該路I²C總線上的從設(shè)備進(jìn)行發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)的操作，在數(shù)據(jù)交換完成后，產(chǎn)生停止信號(hào)，完成整個(gè)通信。
（2）當(dāng)處理器主體作為從設(shè)備與FPGA所實(shí)現(xiàn)的I²C總線上所掛的主設(shè)備進(jìn)行通信時(shí)，F(xiàn)PGA所實(shí)現(xiàn)的I2C總線上所掛的主設(shè)備產(chǎn)生起始信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)，處理器主體通過(guò)對(duì)FPGA內(nèi)的該路I²C總線控制器對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)寄存器進(jìn)行操作，發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)。當(dāng)通信完成后，F(xiàn)PGA所實(shí)現(xiàn)的I2C總線上所掛的主設(shè)備產(chǎn)生停止信號(hào)，完成整個(gè)通信。
通過(guò)可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)的多路I2C總線上每一路可以掛多個(gè)設(shè)備，可以是從設(shè)備，也可以是主設(shè)備，具體能掛的設(shè)備數(shù)量受總線電容的限制。
本設(shè)計(jì)利用可編程邏輯器件，完成對(duì)處理器主體I²C總線的擴(kuò)展，使該處理器能夠有多個(gè)I²C總線通道，每一路I²C總線上可以掛載多個(gè)不同的設(shè)備，可以是主設(shè)備，也可以是從設(shè)備，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合的要求。在可編程邏輯器件內(nèi)，每個(gè)I2C總線控制器僅使用4個(gè)寄存器，大大降低了控制的復(fù)雜度，無(wú)需占用較多的CPU資源，系統(tǒng)穩(wěn)定，執(zhí)行效率高。