基于VHDL硬件的I2C接口并行擴(kuò)展及接口設(shè)計(jì)

1　前 言

I2C總線接口器件在視頻處理、移動(dòng)通信等領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)非常普遍。另外，通用的I2C總線接口器件，如帶I2C總線的RAM，ROM，A/D，D/A，LCD驅(qū)動(dòng)器等，也越來(lái)越多地應(yīng)用于計(jì)算機(jī)及自動(dòng)控制系統(tǒng)中。隨著I2C接口器件越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，8051系列單片機(jī)與他之間的通信越來(lái)越頻繁。

8051系列單片機(jī)與I2C總線接口器件通信時(shí)，8051的通用口與I2C總線器件的SCL，SDA連接。根據(jù)I2C 總線數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，8051必須對(duì)其兩個(gè)通用口進(jìn)行頻繁的置位、清零。根據(jù)基于51指令系統(tǒng)編制的匯編程序，傳送一位數(shù)據(jù)，需要9個(gè)機(jī)器周期，而對(duì)于 8051，一個(gè)機(jī)器周期要耗費(fèi)6個(gè)時(shí)鐘周期，即用54個(gè)時(shí)鐘周期才能傳送一位數(shù)據(jù)。如此則極大地占用了CPU的工作時(shí)間，降低了系統(tǒng)的工作效率，導(dǎo)致I2C器件的優(yōu)勢(shì)難以顯現(xiàn)。因此，有必要設(shè)計(jì)8051與I2C總線的專(zhuān)用接口電路。該接口電路能夠?qū)2C總線上的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)收發(fā)，而CPU只需要通過(guò)并口訪問(wèn)該接口電路中的有關(guān)寄存器就可以實(shí)現(xiàn)與I2C器件的數(shù)據(jù)交換，從而使整個(gè)系統(tǒng)的性能得到提高。本設(shè)計(jì)用VHDL硬件描述語(yǔ)言為工具，用ALTERA公司的 MAXPLUSⅡ軟件進(jìn)行編譯仿真，下載芯片為EPM7128SLC84-15。

2　設(shè)計(jì)目標(biāo)和要求

為了提高數(shù)據(jù)傳送的速度，設(shè)計(jì)一個(gè)I2C接口電路。8051不直接與I2C器件交換數(shù)據(jù)，而是通過(guò)并口與該I2C接口電路交換數(shù)據(jù)，I2C總線上的數(shù)據(jù)傳送也通過(guò)該I2C接口電路來(lái)完成。從而通過(guò)CPU的外部存儲(chǔ)器讀寫(xiě)指令就可實(shí)現(xiàn)與I2C器件的數(shù)據(jù)交換，使對(duì)串口的操作用并口的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

在I2C接口電路內(nèi)部有一個(gè)控制寄存器CI0和一個(gè)數(shù)據(jù)寄存器CI1，即I2C接口電路占用兩個(gè)地址。通過(guò)寫(xiě)控制寄存器CI0的內(nèi)容實(shí)現(xiàn)對(duì)I2C接口電路的編程，讀寫(xiě)數(shù)據(jù)寄存器CI1的內(nèi)容實(shí)現(xiàn)與I2C器件的數(shù)據(jù)交換。在CI0中的內(nèi)容定義了8051對(duì)I2C器件進(jìn)行操作的類(lèi)型（讀或?qū)懀┖虸2C器件內(nèi)地址的字節(jié)數(shù)等信息，使I2C接口電路能夠識(shí)別從8051傳來(lái)的數(shù)據(jù)是地址還是數(shù)據(jù)、8051將要發(fā)送數(shù)據(jù)還是接收數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度等。

如果8051要發(fā)送數(shù)據(jù)給I2C器件，則根據(jù)I2C總線協(xié)議，在數(shù)據(jù)CI1接收到第一個(gè)數(shù)據(jù)后啟動(dòng)I2C總線，然后將CI1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換后逐位發(fā)出，發(fā)出完畢后設(shè)置一個(gè)標(biāo)志位，使8051知道可以發(fā)送下一個(gè)總線后首先寫(xiě)I2C器件內(nèi)地址，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換后將接收到的數(shù)據(jù)裝入CI1中，再設(shè)置標(biāo)志位，使8051知道可以讀出數(shù)據(jù)。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)要求，I2C接口芯片的引腳如圖1所示。其中clk可以使用獨(dú)立的時(shí)鐘，使I2C總線的位傳送速度遠(yuǎn)高于8051的位操作，從而可使I2C總線的數(shù)據(jù)傳送接近并口的數(shù)據(jù)速率;a0是地址信號(hào)輸入，a0=0時(shí)進(jìn)行CI0寫(xiě)操作，當(dāng)a0=1時(shí)進(jìn)行CI1讀/寫(xiě)操作;bz為標(biāo)志輸出位，bz=0時(shí)，8051需要等待，bz=1時(shí)8051可以對(duì)CI1操作。

I2C接口芯片在系統(tǒng)中的情況如圖2所示。這里8051對(duì)I2C接口芯片操作使用了查詢方式，也可以改用中斷方式。

3　并行接口設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

3.1　接口設(shè)計(jì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

該芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。系統(tǒng)由控制寄存器CI0，數(shù)據(jù)寄存器CI1，并串轉(zhuǎn)換，串并轉(zhuǎn)換，移位寄存器以及I2C控制模塊6部分構(gòu)成。

3.2　方式控制字

8051向控制寄存器CI0寫(xiě)控制字，實(shí)現(xiàn)對(duì)I2C接口的編程控制。CI0的控制字格式如下所示：

A2，A1，A0位：對(duì)與8051相連的I2C器件組的片選（器件地址）。對(duì)應(yīng)不同值時(shí)選擇不同的器件通信。

R/W：用來(lái)控制8051對(duì)I2C器件的讀寫(xiě)操作。1表示8051對(duì)I2C器件讀數(shù)據(jù);0表示8051對(duì)I2C器件寫(xiě)數(shù)據(jù)。

M1M0：當(dāng)S=1時(shí)的4種工作方式：

①I(mǎi)2C總線未連接，要進(jìn)行寫(xiě)操作。

②I2C總線未連接，要進(jìn)行讀操作。

③I2C總線已連接，換一個(gè)I2C器件或換新地址，要進(jìn)行寫(xiě)操作。

④I2C總線已連接，換一個(gè)I2C器件或換新地址，要進(jìn)行讀操作。

S：工作控制位。當(dāng)S=0時(shí)，關(guān)閉I2C總線，其他情況S=1。

DZS：指明8051對(duì)I2C器件讀寫(xiě)的地址數(shù)。具體為：

0：8051對(duì)I2C器件內(nèi)單字節(jié)地址讀寫(xiě)。

1：8051對(duì)I2C器件內(nèi)雙字節(jié)地址讀寫(xiě)。

3.3　I2C模塊對(duì)I2C傳輸協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)I2C數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，時(shí)鐘為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)線由高電平向低電平跳變，啟動(dòng)I2C數(shù)據(jù)傳輸。然后每到來(lái)一個(gè)時(shí)鐘脈沖，傳送一位串行數(shù)據(jù)，第8個(gè)脈沖到來(lái)后，已完成一個(gè)字節(jié)的傳輸，第9個(gè)脈沖時(shí)，發(fā)送應(yīng)答信號(hào)。寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)，I2C器件收到數(shù)據(jù)，發(fā)送應(yīng)答信號(hào);讀數(shù)據(jù)時(shí)，8051收到數(shù)據(jù)，發(fā)送應(yīng)答信號(hào)。數(shù)據(jù)傳送過(guò)程中，時(shí)鐘為高電平期間，數(shù)據(jù)線上的內(nèi)容保持不變。數(shù)據(jù)傳送完畢，應(yīng)答結(jié)束后，需要用停止信號(hào)停止數(shù)據(jù)傳輸，時(shí)鐘高電平時(shí)，數(shù)據(jù)線由低電平向高電　　55平跳變來(lái)實(shí)現(xiàn)此停止信號(hào)。

I2C模塊實(shí)現(xiàn)I2C數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。start信號(hào)為1時(shí)，啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸;write信號(hào)為1時(shí)，向I2C器件寫(xiě)數(shù)據(jù)，read信號(hào)為1時(shí)，向I2C器件讀數(shù)據(jù)。

讀寫(xiě)過(guò)程中，輸出標(biāo)志位flag、計(jì)數(shù)器dcnt，控制en的兩位矢量，從而控制并串轉(zhuǎn)換寄存器和串并轉(zhuǎn)換寄存器的并入、移位、保持、清零操作。停止信號(hào)為1時(shí)，結(jié)束數(shù)據(jù)傳輸。

3.4　接口芯片的工作原理與控制過(guò)程

8051向控制寄存器CI0寫(xiě)控制字，實(shí)現(xiàn)對(duì)I2C接口的編程控制;向數(shù)據(jù)寄存器CI1寫(xiě)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)I2C接口的數(shù)據(jù)傳輸。

當(dāng)bz=1時(shí)，8051才對(duì)數(shù)據(jù)寄存器讀寫(xiě)，而每次讀寫(xiě)后接口電路自動(dòng)將bz置0，在接口電路完成有關(guān)操作等待8051的讀寫(xiě)時(shí)將bz置1。

（1）I2C總線未連接，要進(jìn)行寫(xiě)操作。8051的操作：

①寫(xiě)控制字W1;②當(dāng)bz=1時(shí)寫(xiě)器件內(nèi)地址第1字節(jié);③當(dāng)bz=1時(shí)寫(xiě)器件內(nèi)地址第2字節(jié)…;④當(dāng)bz=1時(shí)寫(xiě)第1字節(jié)…。

I2C的操作：

當(dāng)接收到該控制字W1后操作為：①置bz=1，啟動(dòng)I2C總線;②根據(jù)控制字中的器件地址發(fā)出第1個(gè)字節(jié)（器件選擇、寫(xiě)）;③發(fā)送器件內(nèi)地址，置bz=1;④發(fā)送數(shù)據(jù)內(nèi)容，置bz=1…。

（2）I2C總線未連接，要進(jìn)行讀操作。8051的操作：

①電路寫(xiě)控制字W2;②寫(xiě)器件內(nèi)地址第1字節(jié); ③當(dāng)bz=1時(shí)寫(xiě)器件內(nèi)地址第2字節(jié)…;④當(dāng)bz=1時(shí)讀第1字節(jié)…。

I2C的操作：

當(dāng)接收到該控制字W2后操作為：①置bz=1，啟動(dòng)I2C總線;②根據(jù)控制字中的器件地址以出第1個(gè)字節(jié)（器件選擇、寫(xiě)）;③發(fā)送器件內(nèi)地址;④關(guān)閉I2C總線;⑤啟動(dòng)I2C總線;⑥第2次發(fā)送器件選擇字節(jié)、讀;⑦接收數(shù)據(jù)內(nèi)容，置bz=1…。

（3）I2C總線已連接，換一個(gè)I2C器件或換新地址，要進(jìn)行寫(xiě)操作。

8051的操作：

①寫(xiě)控制字W5;②當(dāng)bz=1時(shí)寫(xiě)器件內(nèi)地址第1字節(jié);③當(dāng)bz=1時(shí)寫(xiě)器件內(nèi)地址第2字節(jié)…;④當(dāng)bz=1時(shí)寫(xiě)第1字節(jié)…。

I2C的操作：

當(dāng)接收到該控制字W5后操作為：①置bz=1，關(guān)閉I2C總線;②啟動(dòng)I2C總線;③根據(jù)控制字中的器件地址發(fā)出第1個(gè)字節(jié)（器件選擇、寫(xiě)）;④發(fā)送器件內(nèi)地址，置bz=1。

（4）I2C總線已連接，換一個(gè)I2C器件或換新地址，要進(jìn)行讀操作。

8051的操作：

①電路寫(xiě)控制字W6;②寫(xiě)器件內(nèi)地址第1字節(jié); ③當(dāng)bz=1時(shí)寫(xiě)器件內(nèi)地址第2字節(jié)…;④當(dāng)bz=1時(shí)讀第1字節(jié)…。

I2C的操作：

當(dāng)接收到該控制字W6后操作為：①置bz=1，關(guān)閉I2C總線;②啟動(dòng)I2C總線;③根據(jù)控制字中的器件地址發(fā)出第1個(gè)字節(jié)（器件選擇、寫(xiě)）;④發(fā)送器件內(nèi)地址;⑤關(guān)閉I2C總線;⑥啟動(dòng)I2C總線;⑦第2次發(fā)送器件選擇字節(jié)、讀;⑧接收數(shù)據(jù)內(nèi)容，置bz=1…。

4　結(jié)　語(yǔ)

擴(kuò)展接口芯片設(shè)計(jì)采用VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，芯片設(shè)計(jì)的全部程序均通過(guò)ALTERA公司的MAXPLUSⅡ軟件編譯，仿真結(jié)果正確。編譯、仿真后的VHDL 程序經(jīng)下載線下載至EPM7128SLC84-15芯片，驗(yàn)證正確。設(shè)計(jì)的接口時(shí)鐘要求6 MHz，可直接和單片機(jī)接口連接。

擴(kuò)展后的接口，傳送一位數(shù)據(jù)只需要4個(gè)時(shí)鐘周期。擴(kuò)展的接口，訪問(wèn)I2C器件的時(shí)鐘可以自行設(shè)定，他們之間的通信不需要等待8051。一旦8051的并行數(shù)據(jù)送出，該接口可立即用自己設(shè)定的速度傳送。從而該接口在8051和I2C器件之間通信時(shí)，數(shù)據(jù)的傳送可達(dá)到并行的速度，這就是本接口擴(kuò)展設(shè)計(jì)的最大優(yōu)點(diǎn)。

由于使用的設(shè)計(jì)軟件是ALTERA公司的MAXPLUSⅡ軟件，下載仿真芯片為EPM7128SLC84該芯片延遲時(shí)間為15 s，延時(shí)時(shí)間過(guò)長(zhǎng);接口的設(shè)計(jì)本身對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)鐘也可進(jìn)一步減少，更進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣??；谝陨蟽牲c(diǎn)，還需要對(duì)本設(shè)計(jì)進(jìn)一步優(yōu)化，以期進(jìn)一步提高性能與速度。