基于CPLD的系统中I2C总线的设计

基于CPLD的系统中I2C总线的设计
 
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。
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。