基于STEP FPGA的PCF8591的ADC（I2C）功能驅(qū)動(dòng)

PCF8591是集成了4路ADC和1路DAC的芯片，使用I2C總線通信。
I2C總線是由Philips公司開發(fā)的一種簡單、雙向二線制同步串行總線。它只需要兩根線即可在連接于總線上的器件之間傳送信息。主器件用于啟動(dòng)總線傳送數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生時(shí)鐘以開放傳送的器件，此時(shí)任何被尋址的器件均被認(rèn)為是從器件。如果主機(jī)要發(fā)送數(shù)據(jù)給從器件，則主機(jī)首先尋址從器件，然后主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)至從器件，最后由主機(jī)終止數(shù)據(jù)傳送；如果主機(jī)要接收從器件的數(shù)據(jù)，首先由主器件尋址從器件，然后主機(jī)接收從器件發(fā)送的數(shù)據(jù)，最后由主機(jī)終止接收過程。這里不做過多的講解，硬件連接如下：

本設(shè)計(jì)的硬件連接如下

本設(shè)計(jì)中FPGA作為I2C主設(shè)備，PCF8591作為I2C從設(shè)備，從設(shè)備的地址由固定地址和可編程地址組成，我們的外設(shè)底板已將可編程地址A0、A1、A2接地，所以7位地址為7'h48，加上最低位的讀寫控制，所以給PCF8591寫數(shù)據(jù)時(shí)的尋址地址為8'h90，對(duì)PCF8591讀數(shù)據(jù)時(shí)的尋址地址為8'h91。如下

PCF8591集成了很多功能，當(dāng)需要不同的功能時(shí)要對(duì)PCF8591做相應(yīng)的配置，配置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在名為CONTROL BYTE的寄存器中，下圖展示了寄存器中部分bit的功能，詳細(xì)請(qǐng)參考PCF8591的datasheet，本設(shè)計(jì)中我們只使用通道1的ADC功能，配置數(shù)據(jù)為8'h01。

本設(shè)計(jì)中我們需要兩次通信，

• 第一次為配置數(shù)據(jù)，具體為：開始–寫尋址–讀響應(yīng)–寫配置數(shù)據(jù)–讀響應(yīng)–結(jié)束
• 第二次為讀ADC數(shù)據(jù)，具體為：開始–讀尋址–讀響應(yīng)–[讀ADC數(shù)據(jù)–寫響應(yīng)–]循環(huán)讀

第二次的時(shí)序如下圖：
通過上面的介紹大家應(yīng)該對(duì)如何驅(qū)動(dòng)PCF8591進(jìn)行ADC采樣有了整體的概念，還有一些細(xì)節(jié)就是I2C通信的時(shí)序明細(xì)，如下圖

// --------------------------------------------------------------------
// >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> COPYRIGHT NOTICE <<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<
// --------------------------------------------------------------------
// Module: ADC_I2C
// 
// Author: Step
// 
// Description: ADC_I2C
// 
// --------------------------------------------------------------------
// Code Revision History :
// --------------------------------------------------------------------
// Version: |Mod. Date:   |Changes Made:
// V1.1     |2016/10/30   |Initial ver
// --------------------------------------------------------------------
module ADC_I2C(
	input				clk_in,		//系統(tǒng)時(shí)鐘
	input				rst_n_in,	//系統(tǒng)復(fù)位，低有效
	output				scl_out,	//I2C總線SCL
	inout				sda_out,	//I2C總線SDA
	output	reg			adc_done,	//ADC采樣完成標(biāo)志
	output	reg	[7:0]	adc_data	//ADC采樣數(shù)據(jù)
	)
	; 	
	parameter	CNT_NUM	=	15; 	
	localparam	IDLE	=	3'd0;
	localparam	MAIN	=	3'd1;
	localparam	START	=	3'd2;
	localparam	WRITE	=	3'd3;
	localparam	READ	=	3'd4;
	localparam	STOP	=	3'd5; 	//根據(jù)PCF8591的datasheet，I2C的頻率最高為100KHz，
	//我們準(zhǔn)備使用4個(gè)節(jié)拍完成1bit數(shù)據(jù)的傳輸，所以需要400KHz的時(shí)鐘觸發(fā)完成該設(shè)計(jì)
	//使用計(jì)數(shù)器分頻產(chǎn)生400KHz時(shí)鐘信號(hào)clk_400khz
	reg					clk_400khz;
	reg		[9:0]		cnt_400khz;
	always@(posedge clk_in or negedge rst_n_in) begin
		if(!rst_n_in) begin
			cnt_400khz <= 10'd0;
			clk_400khz <= 1'b0;
		end else if(cnt_400khz >= CNT_NUM-1) begin
			cnt_400khz <= 10'd0;
			clk_400khz <= ~clk_400khz;
		end else begin
			cnt_400khz <= cnt_400khz + 1'b1;
		end
	end 	reg		[7:0]		adc_data_r;
	reg					scl_out_r;
	reg					sda_out_r;
	reg		[2:0]		cnt;
	reg		[3:0]		cnt_main;
	reg		[7:0]		data_wr;
	reg		[2:0]		cnt_start;
	reg		[2:0]		cnt_write;
	reg		[4:0]		cnt_read;
	reg		[2:0]		cnt_stop;
	reg		[2:0] 		state; 	
	always@(posedge clk_400khz or negedge rst_n_in) begin
		if(!rst_n_in) begin	//如果按鍵復(fù)位，將相關(guān)數(shù)據(jù)初始化
			scl_out_r <= 1'd1;
			sda_out_r <= 1'd1;
			cnt <= 1'b0;
			cnt_main <= 4'd0;
			cnt_start <= 3'd0;
			cnt_write <= 3'd0;
			cnt_read <= 5'd0;
			cnt_stop <= 1'd0;
			adc_done <= 1'b0;
			adc_data <= 1'b0;
			state <= IDLE;
		end else begin
			case(state)
				IDLE:begin	//軟件自復(fù)位，主要用于程序跑飛后的處理
						scl_out_r <= 1'd1;
						sda_out_r <= 1'd1;
						cnt <= 1'b0;
						cnt_main <= 4'd0;
						cnt_start <= 3'd0;
						cnt_write <= 3'd0;
						cnt_read <= 5'd0;
						cnt_stop <= 1'd0;
						adc_done <= 1'b0;
						state <= MAIN;
					end
				MAIN:begin
						if(cnt_main >= 4'd6) cnt_main <= 4'd6;  //對(duì)MAIN中的子狀態(tài)執(zhí)行控制cnt_main
						else cnt_main <= cnt_main + 1'b1;
						case(cnt_main)
							4'd0:	begin state <= START; 
							end	//I2C通信時(shí)序中的START
							4'd1:	begin data_wr <= 8'h90; 
							state <= WRITE; 
							end	//A0,A1,A2都接了GND，寫地址為8'h90
							4'd2:	begin data_wr <= 8'h00; 
							state <= WRITE; 
							end	//control byte為8'h00，采用4通道ADC中的通道0
							4'd3:	begin state <= STOP; 
							end	//I2C通信時(shí)序中的START
							4'd4:	begin state <= START; 
							end	//I2C通信時(shí)序中的STOP
							4'd5:	begin data_wr <= 8'h91; 
							state <= WRITE; 
							end	//A0 A1 A2都接了GND，讀地址為8'h91
							4'd6:	begin state <= READ; 
							adc_done <= 1'b0; 
							end	//讀取ADC的采樣數(shù)據(jù)
							4'd7:	begin state <= STOP; 
							adc_done <= 1'b1; 
							end	//I2C通信時(shí)序中的STOP，讀取完成標(biāo)志
							4'd8:	begin state <= MAIN; 
							end	//預(yù)留狀態(tài)，不執(zhí)行
							default: state <= IDLE;	//如果程序失控，進(jìn)入IDLE自復(fù)位狀態(tài)
						endcase
					end
				START:begin	//I2C通信時(shí)序中的起始START
						if(cnt_start >= 3'd5) cnt_start <= 1'b0;	
						//對(duì)START中的子狀態(tài)執(zhí)行控制cnt_start
						else cnt_start <= cnt_start + 1'b1;
						case(cnt_start)
							3'd0:	begin sda_out_r <= 1'b1; 
							scl_out_r <= 1'b1; 
							end	//將SCL和SDA拉高，保持4.7us以上
							3'd1:	begin sda_out_r <= 1'b1; 
							scl_out_r <= 1'b1; 
							end	//clk_400khz每個(gè)周期2.5us，需要兩個(gè)周期
							3'd2:	begin sda_out_r <= 1'b0; 
							end	//SDA拉低到SCL拉低，保持4.0us以上
							3'd3:	begin sda_out_r <= 1'b0; 
							end	//clk_400khz每個(gè)周期2.5us，需要兩個(gè)周期
							3'd4:	begin scl_out_r <= 1'b0; 
							end	//SCL拉低，保持4.7us以上
							3'd5:	begin scl_out_r <= 1'b0; 
							state <= MAIN; 
							end	//clk_400khz每個(gè)周期2.5us，需要兩個(gè)周期，返回MAIN
							default: state <= IDLE;	//如果程序失控，進(jìn)入IDLE自復(fù)位狀態(tài)
						endcase
					end
				WRITE:begin	//I2C通信時(shí)序中的寫操作WRITE和相應(yīng)判斷操作ACK
						if(cnt <= 3'd6) begin	//共需要發(fā)送8bit的數(shù)據(jù)，這里控制循環(huán)的次數(shù)
							if(cnt_write >= 3'd3) begin cnt_write <= 1'b0; 
							cnt <= cnt + 1'b1; end
							else begin cnt_write <= cnt_write + 1'b1; 
							cnt <= cnt; end
						end else begin
							if(cnt_write >= 3'd7) begin cnt_write <= 1'b0; 
							cnt <= 1'b0; end	//兩個(gè)變量都恢復(fù)初值
							else begin cnt_write <= cnt_write + 1'b1; 
							cnt <= cnt; end
						end
						case(cnt_write)
							//按照I2C的時(shí)序傳輸數(shù)據(jù)
							3'd0:	begin scl_out_r <= 1'b0; 
							sda_out_r <= data_wr[7-cnt]; 
							end	//SCL拉低，并控制SDA輸出對(duì)應(yīng)的位
							3'd1:	begin scl_out_r <= 1'b1; 
							end	//SCL拉高，保持4.0us以上
							3'd2:	begin scl_out_r <= 1'b1; 
							end	//clk_400khz每個(gè)周期2.5us，需要兩個(gè)周期
							3'd3:	begin scl_out_r <= 1'b0; 
							end	//SCL拉低，準(zhǔn)備發(fā)送下1bit的數(shù)據(jù)
							//獲取從設(shè)備的響應(yīng)信號(hào)并判斷
							3'd4:	begin sda_out_r <= 1'bz; 
							end	//釋放SDA線，準(zhǔn)備接收從設(shè)備的響應(yīng)信號(hào)
							3'd5:	begin scl_out_r <= 1'b1; 
							end	//SCL拉高，保持4.0us以上
							3'd6:	begin if(sda_out) state <= IDLE; 
							else state <= state; 
							end	//獲取從設(shè)備的響應(yīng)信號(hào)并判斷
							3'd7:	begin scl_out_r <= 1'b0; 
							state <= MAIN; 
							end	//SCL拉低，返回MAIN狀態(tài)
							default: state <= IDLE;	//如果程序失控，進(jìn)入IDLE自復(fù)位狀態(tài)
						endcase
					end
				READ:begin	//I2C通信時(shí)序中的讀操作READ和返回ACK的操作
						if(cnt <= 3'd6) begin	//共需要接收8bit的數(shù)據(jù)，這里控制循環(huán)的次數(shù)
							if(cnt_read >= 3'd3) begin cnt_read <= 1'b0; 
							cnt <= cnt + 1'b1; end
							else begin cnt_read <= cnt_read + 1'b1; 
							cnt <= cnt; 
							end
						end else begin
							if(cnt_read >= 3'd7) begin cnt_read <= 1'b0; 
							cnt <= 1'b0; 
							end	//兩個(gè)變量都恢復(fù)初值
							else begin cnt_read <= cnt_read + 1'b1; 
							cnt <= cnt; 
							end
						end
						case(cnt_read)
							//按照I2C的時(shí)序接收數(shù)據(jù)
							3'd0:	begin scl_out_r <= 1'b0; 
							sda_out_r <= 1'bz; 
							end	//SCL拉低，釋放SDA線，準(zhǔn)備接收從設(shè)備數(shù)據(jù)
							3'd1:	begin scl_out_r <= 1'b1; 
							end	//SCL拉高，保持4.0us以上
							3'd2:	begin adc_data_r[7-cnt] <= sda_out; 
							end	//讀取從設(shè)備返回的數(shù)據(jù)
							3'd3:	begin scl_out_r <= 1'b0; 
							end	//SCL拉低，準(zhǔn)備接收下1bit的數(shù)據(jù)
							//向從設(shè)備發(fā)送響應(yīng)信號(hào)
							3'd4:	begin sda_out_r <= 1'b0; a
							dc_done <= 1'b1; 
							adc_data <= adc_data_r; 
							end	//發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，將前面接收的數(shù)據(jù)鎖存
							3'd5:	begin scl_out_r <= 1'b1; 
							end	//SCL拉高，保持4.0us以上
							3'd6:	begin scl_out_r <= 1'b1; 
							adc_done <= 1'b0; 
							end	//SCL拉高，保持4.0us以上
							3'd7:	begin scl_out_r <= 1'b0; 
							state <= MAIN; 
							end	//SCL拉低，返回MAIN狀態(tài)
							default: state <= IDLE;	//如果程序失控，進(jìn)入IDLE自復(fù)位狀態(tài)
						endcase
					end
				STOP:begin	//I2C通信時(shí)序中的結(jié)束STOP
						if(cnt_stop >= 3'd5) cnt_stop <= 1'b0;	//對(duì)STOP中的子狀態(tài)執(zhí)行控制cnt_stop
						else cnt_stop <= cnt_stop + 1'b1;
						case(cnt_stop)
							3'd0:	begin sda_out_r <= 1'b0; 
							end	//SDA拉低，準(zhǔn)備STOP
							3'd1:	begin sda_out_r <= 1'b0; 
							end	//SDA拉低，準(zhǔn)備STOP
							3'd2:	begin scl_out_r <= 1'b1; 
							end	//SCL提前SDA拉高4.0us
							3'd3:	begin scl_out_r <= 1'b1; 
							end	//SCL提前SDA拉高4.0us
							3'd4:	begin sda_out_r <= 1'b1; 
							end	//SDA拉高
							3'd5:	begin sda_out_r <= 1'b1; 
							state <= MAIN; 
							end	//完成STOP操作，返回MAIN狀態(tài)
							default: state <= IDLE;	//如果程序失控，進(jìn)入IDLE自復(fù)位狀態(tài)
						endcase
					end
				default:;
			endcase
		end
	end 	
	assign	scl_out = scl_out_r;	//對(duì)SCL端口賦值
	assign	sda_out = sda_out_r;	//對(duì)SDA端口賦值 
	endmodule

本節(jié)主要為大家講解了使用I2C驅(qū)動(dòng)PCF8591的ADC功能的原理及軟件設(shè)計(jì)，需要大家掌握的同時(shí)自己創(chuàng)建工程，通過整個(gè)設(shè)計(jì)流程，生成FPGA配置文件加載測(cè)試。