基于Verilog HDL的I2C總線分析器

　　1 引言

　　在醫(yī)療保健、臨床醫(yī)學(xué)和醫(yī)療救護(hù)中，血氧、心電、血壓、呼吸、腦電波等生理信號(hào)都是非常重要的指標(biāo)。針對(duì)臨床應(yīng)用，已經(jīng)報(bào)道了將血氧、血壓等檢測(cè)應(yīng)用于咽喉、食管等體內(nèi)循環(huán) [1]，提高了準(zhǔn)確性和及時(shí)性[2]，這種方法正處在研究階段，I 2C總線分析儀可以擴(kuò)展醫(yī)療監(jiān)測(cè)儀實(shí)現(xiàn)包括體外循環(huán)的多種方法同時(shí)檢測(cè)和比較?，F(xiàn)在醫(yī)療儀器短缺，一臺(tái)帶 I 2C擴(kuò)展接口的監(jiān)測(cè)儀可實(shí)現(xiàn)多人同時(shí)使用，資源得到有效利用。可見，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確記錄各項(xiàng)人體基本體征參數(shù)，同時(shí)具有便攜式特點(diǎn)的醫(yī)療監(jiān)測(cè)儀對(duì)健康監(jiān)護(hù)、檢測(cè)技術(shù)和醫(yī)學(xué)研究具有重大意義。如何擴(kuò)展醫(yī)療檢測(cè)儀的功能成為熱點(diǎn)問題。

　　目前擴(kuò)展檢測(cè)儀接口的方法很多，多通道是最常用的方法，具有數(shù)據(jù)通道相對(duì)獨(dú)立，有很強(qiáng)的抗干擾能力和設(shè)計(jì)復(fù)雜度優(yōu)勢(shì)，但體積較大，資源浪費(fèi)多，不適合便攜式處理。I 2C總線是一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)同步串行數(shù)據(jù)通訊總線，被廣泛應(yīng)用在消費(fèi)類電子和嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品中 [3]，例如：數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、EEPROM、傳感器等等。相比現(xiàn)今流行的并口、SPI、USB等接口，雖然 I 2C有相對(duì)較低的帶寬 [4]，但功能多樣化，廣泛應(yīng)用于信號(hào)處理器的控制接口設(shè)計(jì)。而且血氧飽和度有效信號(hào)基頻在 1Hz左右，血壓、呼吸、腦電波等生理信號(hào)的基頻幾十赫茲范圍內(nèi)。多種信號(hào)同時(shí)采集完全可以實(shí)現(xiàn)。同時(shí)應(yīng)用I2C總線還有以下優(yōu)點(diǎn)：一是各部分電路之間的連接變得非常簡單，省去控制系統(tǒng)中的許多輸入/輸出接口，可靠性好；二是由于 I 2C總線具有多種工作模式，利用軟件可以十分方便進(jìn)行調(diào)整和測(cè)試，增加功能；三是 I 2C總線具有良好的擴(kuò)展性，支持多主機(jī)通訊 [5]。本文描述了采用 Verilog HDL語言設(shè)計(jì)一種 I 2C總線分析器的硬件電路結(jié)構(gòu)和它們主要特點(diǎn)，采用此設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)多種傳感器信號(hào)采集，方便實(shí)現(xiàn)與微處理器的接口設(shè)計(jì)，可重用性好，可以作為 IP核使用。

　　2 I2C總線標(biāo)準(zhǔn)模式

　　I2C總線是一種僅用到兩線的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)同步串行數(shù)據(jù)通訊總線。兩個(gè)總線：串行數(shù)據(jù)（SDA）線和串行時(shí)（SCL）線，對(duì)于嵌入式系統(tǒng)有限的 IO接口資源是非常重要的。I 2C總線支持從機(jī)、主機(jī)和多主機(jī)。每個(gè)I 2C器件有唯一的識(shí)別地址（7位或 10位的地址）。串行的 8位雙向數(shù)據(jù)傳輸傳輸有三種模式：標(biāo)準(zhǔn)模式（100kbits/s）、快模式（400kbits/s）、高速模式（3.4Mbits/s）。

　　I2C總線數(shù)據(jù)傳輸以字節(jié)為單位，按照高位在前順序傳輸。數(shù)據(jù)傳輸首先以 I 2C主機(jī)發(fā)出開始條件和從機(jī)地址，讀寫控制字。從機(jī)必須對(duì)地址完成識(shí)別，之后傳輸由器件規(guī)則和協(xié)議定義的一系列讀或?qū)懙臄?shù)據(jù)。字節(jié)傳輸要有響應(yīng)信號(hào)，確認(rèn)后再發(fā)下一個(gè)字節(jié)，當(dāng)通訊結(jié)束后，主機(jī)產(chǎn)生停止?fàn)顟B(tài)。

　　接收端采用SCL信號(hào)同步采樣讀取數(shù)據(jù)信息。I 2C協(xié)議規(guī)定數(shù)據(jù)變化只發(fā)生在 SCL信號(hào)為低電平期間，高電平期間要保持?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)的穩(wěn)定性。SCL信號(hào)線高電平期間，SDA信號(hào)由高電平變?yōu)榈碗娖绞情_始條件，反之為停止條件。

　　3 硬件設(shè)計(jì)

　　I2C總線分析器為醫(yī)療檢測(cè)儀或其它嵌入式系統(tǒng)提供很好的外設(shè)擴(kuò)展。在不同工作模式下提供系統(tǒng)更多的功能。

　　在被動(dòng)模式下，分析器探測(cè)總線上數(shù)據(jù)，傳輸數(shù)據(jù)或做算法處理。這里將采集到的數(shù)據(jù)直接通過 LCD顯示，不占用微處理器資源；在主機(jī)模式下，分析器掌控總線，完成對(duì)外設(shè)的操作，如配置傳感器，采集傳感器信號(hào)；在從機(jī)模式下，分析器作為 I 2C器件使用，在被總線上主機(jī)識(shí)別后，接收或發(fā)送用戶信息。

　　圖 1顯示了 I 2C總線分析器的硬件框圖。采用 Verilog HDL語言描述，主要實(shí)現(xiàn)工作模式識(shí)別和I2C總線控制邏輯。采用層次化設(shè)計(jì)方法。硬件驗(yàn)證在 FPGA上實(shí)現(xiàn)。

　　3．1 控制信息模塊和 I 2C狀態(tài)機(jī)

　　這是 I 2C總線分析器和外部控制系統(tǒng)交換控制邏輯和狀態(tài)信息的接口，決定著整個(gè)系統(tǒng)的功能。 I2C控制信息模塊和狀態(tài)模塊產(chǎn)生總線上開始和結(jié)束狀態(tài)請(qǐng)求，檢測(cè)和報(bào)告總線信息（起始、停止、總線響應(yīng)），產(chǎn)生 SCL脈沖信號(hào)，傳輸數(shù)據(jù)到SDA，控制兩個(gè)FIFO（讀和寫存儲(chǔ)器）。在模塊中定義兩個(gè)寄存器（系統(tǒng)控制寄存器 SYS_CONTROL和系統(tǒng)狀態(tài)寄存器SYS_STAT）。

　　在控制寄存器中，最高位是初始化標(biāo)識(shí)位，使系統(tǒng)進(jìn)入等待狀態(tài)；第 7位用于控制 I 2C總線產(chǎn)生起始狀態(tài)；第 6位用于控制總線產(chǎn)生停止?fàn)顟B(tài)；第 5位控制讀、寫 FIFO存儲(chǔ)器，低電平定義使用FIFO讀存儲(chǔ)器，高電平定義使用 FIFO寫存儲(chǔ)器；第 3、4位用于總線工作模式選擇；第 2位用于主、從模式選擇；最后一位作為總線傳輸響應(yīng)。

　　狀態(tài)寄存器反映工作狀態(tài)。功能描述如下：最高位選擇主、從機(jī)模式，第 7位標(biāo)識(shí)總線狀態(tài)，第 6、3位標(biāo)識(shí) FIFO存儲(chǔ)器狀態(tài)，第 5位標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)通訊方向，第 4位為中斷位，最后兩位標(biāo)識(shí)工作模式檢測(cè)模式，共 8位。

　　3．2狀態(tài)的產(chǎn)生和探測(cè)模塊

　　根據(jù)協(xié)議，主機(jī)在 SCL高電平期間，在 SDA線上產(chǎn)生由 0到 1或由 1到 0的變化，前者代表開始條件，后者代表了停止條件。設(shè)計(jì)基于分頻器完成，由控制信息模塊可以產(chǎn)生所需 SCL信號(hào)，由 SCL信號(hào)倍頻信號(hào)控制在 SCL信號(hào)高電平時(shí)產(chǎn)生 SDA信號(hào)。

　　在從機(jī)狀態(tài)下，因?yàn)槠鹗?、停止條件是由 SDA在 SCL高電平期間改變來產(chǎn)生，所以設(shè)計(jì)中考慮用 SCL頻率的 30、25或 16倍頻來探測(cè)（高速模式下 56MHz可以由 PLL產(chǎn)生）。考慮在不同模式下采用不同倍頻系數(shù)，雖然增加了設(shè)計(jì)復(fù)雜度和硬件的消耗，但從機(jī)能更精確地探測(cè)到起始和停止條件，提高系統(tǒng)性能。

　　3．3信息收集模塊

　　系統(tǒng)作為從機(jī)，用系統(tǒng)時(shí)鐘檢測(cè) SCL信號(hào)，確定主機(jī)的工作模式，并反映到狀態(tài)寄存器。總線分析器由狀態(tài)位產(chǎn)生相應(yīng)采樣時(shí)鐘，在起始條件后采樣主機(jī)發(fā)送的 7位從機(jī)地址、數(shù)據(jù)方向位（R/W）以及響應(yīng)信息。

　　3．4器件地址模塊

　　根據(jù)協(xié)議，每個(gè) I2C器件都有獨(dú)立地址。本設(shè)計(jì)有自定義 7位地址。如果信息收集模塊中采樣到地址與本地址一致，則作為從機(jī)操作。

　　3．5 FIFO讀、寫存儲(chǔ)器

　　本設(shè)計(jì)中集成了兩個(gè) 16×8的 FIFO，分別作為讀、寫存儲(chǔ)器完成外部系統(tǒng)和 I2C總線數(shù)據(jù)傳輸。通過狀態(tài)標(biāo)志來控制產(chǎn)生中斷，完成握手協(xié)議。如當(dāng)接收 FIFO（讀存儲(chǔ)器）寫滿時(shí)，而外部系統(tǒng)端沒有及時(shí)讀走數(shù)據(jù)，如果繼續(xù)從 I2C總線讀取數(shù)據(jù)，就會(huì)丟失數(shù)據(jù)。通過 FULL標(biāo)志，控制 I2C總線不產(chǎn)生響應(yīng)，使之處于等待狀態(tài)，直到系統(tǒng)讀走數(shù)據(jù)。 FIFO硬件設(shè)計(jì)通過調(diào)用可編程器件內(nèi)部存儲(chǔ)器單元實(shí)現(xiàn)。

　　3．7 主系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)

　　這是 I2C總線分析器的核心單元，需要完成在被動(dòng)模式、主機(jī)模式和從機(jī)模式下狀態(tài)轉(zhuǎn)換和控制，根據(jù)控制寄存器中控制字，采用有限狀態(tài)機(jī)嵌套設(shè)計(jì)完成。狀態(tài)機(jī)編碼采用獨(dú)熱編碼，有利于提高傳輸速度并節(jié)省面積。

　　I2C總線分析器狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖 2所示，整個(gè)過程受控制字和狀態(tài)寄存器調(diào)節(jié)。圖中主要描述了作為主機(jī)模式下狀態(tài)變換，從機(jī)模式下，在準(zhǔn)備階段需要加上 I2C總線識(shí)別、器件地址識(shí)別，其它過程與主機(jī)相似，這里不詳細(xì)描述。

　　下面以控制 VGA視頻采集芯片 TMS8083為例說明：通過寫 0x80h到控制寄存器來初始化系統(tǒng)；接著寫入 0x92h作準(zhǔn)備工作，進(jìn)入主機(jī)狀態(tài)、采用標(biāo)準(zhǔn)模式傳輸數(shù)據(jù)、對(duì)總線進(jìn)行寫數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)傳輸響應(yīng)位：0；系統(tǒng)將要發(fā)送到總線的數(shù)據(jù)先寫入 FIFO寫存儲(chǔ)器。 VGA采集系統(tǒng)采用 1024×768 at 60Hz → fpix=65.0MHz，N=1344模式，芯片地址和狀態(tài)控制寄存器配置如下： 0x80h（器件地址和寫狀態(tài)標(biāo)識(shí)）、0x00h（子地址）、0x40h、0x05h、0xeah、0xffh、0x90h、0xe1h、0x00h、0x03h、0x01h；將以上數(shù)據(jù)寫入 FIFO后，向控制寄存器寫入 0xd2h實(shí)現(xiàn)總線上起始條件；隨后進(jìn)入數(shù)據(jù)的傳輸階段；數(shù)據(jù)傳輸完成，寫 0xb2h到控制寄存器在總線上產(chǎn)生停止條件。

　　另外，采用移位寄存器完成數(shù)據(jù)接收和發(fā)送模塊設(shè)計(jì)，最后，由頂層完成各模塊時(shí)序控制，重點(diǎn)在于時(shí)鐘信號(hào)管理，以達(dá)到同步目的。

　　4 驗(yàn)證

　　采用 Verilog HDL語言完成設(shè)計(jì)輸入，用仿真工具在硬件編程前驗(yàn)證設(shè)計(jì)，綜合下載編程后用邏輯分析儀檢驗(yàn)硬件功能。QuartusII工具提供了完成設(shè)計(jì)開發(fā)平臺(tái)

　　4．1

　　仿真 I2C總線分析器主要有主機(jī)寫操作、讀操作和作為從機(jī)寫操作、讀操作功能。采用 Verilog HDL語言建立測(cè)試平臺(tái)，聯(lián)合 ModelSim完成功能和時(shí)序驗(yàn)證。

　　圖 3波形驗(yàn)證了主機(jī)向從機(jī)發(fā)送地址和寫數(shù)據(jù)的過程：發(fā)送 7位地址 0x40h和寫控制字0，即0x80h、8位數(shù)據(jù) 0xa8h。在 I 2C總線上，首先產(chǎn)生起始條件，接著發(fā)送從機(jī)地址和寫控制信號(hào)，采樣響應(yīng)信號(hào)后再發(fā)送數(shù)據(jù)，響應(yīng)后產(chǎn)生停止條件。由下圖的波形分析，主機(jī)能正確的發(fā)送地址和數(shù)據(jù)，應(yīng)對(duì)從機(jī)響應(yīng)。

　　下面測(cè)試作為從機(jī)接收數(shù)據(jù)，檢測(cè)I 2C總線信息，探測(cè)起始條件，接收從機(jī)地址和R/W，地址不同無響應(yīng)，地址相同產(chǎn)生響應(yīng)信號(hào)，并開始接收數(shù)據(jù)。I 2C總線分析器的地址定義為0x50h。仿真波形如圖 4所示。由上圖的波形說明設(shè)計(jì)能夠很好完成作為從機(jī)的功能。

　　4．2 硬件驗(yàn)證

　　采用 Altera Cyclone器件 EP1C12驗(yàn)證硬件。通過下載編程，調(diào)用 SignalTapII Logic Analyzer工具，實(shí)時(shí)觀察設(shè)計(jì)的內(nèi)部信號(hào)波形。

　　圖 5顯示了由邏輯分析儀得到的結(jié)果。I 2C總線分析器作為主機(jī)很明顯能夠驅(qū)動(dòng)總線，向從機(jī)發(fā)送從機(jī)地址、命令和數(shù)據(jù)，符合對(duì) TMS8083應(yīng)用中傳輸數(shù)據(jù)描述，能進(jìn)行正確通訊。

　　5 總結(jié)

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：提出了一種新的應(yīng)用于醫(yī)療監(jiān)護(hù)儀擴(kuò)展接口的 I 2C總線分析器，具有低功耗、便攜式特點(diǎn)。能夠很好地連接微控制器及其外圍設(shè)備，滿足具有可擴(kuò)展功能的需求，適合于開發(fā)便攜式設(shè)備。在開發(fā)具有可擴(kuò)展功能的便攜醫(yī)療監(jiān)護(hù)儀嵌入式項(xiàng)目中僅需要設(shè)計(jì)相應(yīng)系統(tǒng)軟件庫，即可將 I 2C總線接口擴(kuò)展到桌面系統(tǒng)應(yīng)用中。I 2C總線在少的硬件資源消耗下將為項(xiàng)目帶來更多的拓展空間。同時(shí)經(jīng)過綜合后僅占用 EP1C12器件的6%邏輯單元，可以進(jìn)一步提出了新的基于 NIOSII開發(fā)便攜醫(yī)療監(jiān)護(hù)儀思想，必將大大縮小體積，提高系統(tǒng)可靠性。