IIC總線通訊接口器件的CPLD實現(xiàn)

摘要：介紹了采用ALTERA公司的可編程器件EPF10K10LC84-3實現(xiàn)IIC總線的通訊接口的基本原理，并給出了部分的VHDL語言描述。該通訊接口與專用的接口芯片相比，具有使用靈活、系統(tǒng)配置方便的特點。 關(guān)鍵詞：IIC總線 CPLD VHDL ISP IIC總線是PHILIPS公司開發(fā)的一種簡單、雙向、二線制、同步串行總線。它只需兩根線（串行時鐘線和串行數(shù)據(jù)線）即可在連接于總線上的器件之間傳送信息。該總線是高性能串行總線，具備多主機系統(tǒng)所需要的裁決和高低速設(shè)備同步等功能，應(yīng)用極為廣泛。 目前市場上雖然有專用IIC總線接口芯片，但是地址可選范圍小、性能指標固定、功能單一、使用不方便。根據(jù)IIC總線的電氣特性及其通訊協(xié)議，采用ALTERA公司的FLEX10K系列ISP器件EPF10K10LC84-3可以方便地實現(xiàn)IIC總線的通訊接口，且具有高速、易調(diào)試、可以靈活地實現(xiàn)地在線配置等優(yōu)點，同時大大地減少了系統(tǒng)的開發(fā)周期。 1 IIC總線的數(shù)據(jù)傳輸規(guī)范 IIC總線主從機之間的一次數(shù)據(jù)傳送稱為一幀，由啟動信號、地址碼、若干數(shù)據(jù)字節(jié)、應(yīng)答位以及停止信號等組成。通訊啟動時，主動發(fā)送一個啟動信號（當(dāng)SCL線上是高電平時，SDA線上產(chǎn)生一個下降沿）、從機的地址碼（8位）和讀寫信號；通訊停止時，主機發(fā)送一個停止信號（當(dāng)SCL線上是高電平時，SDA線上產(chǎn)生一個上升沿）。在數(shù)據(jù)傳送過程中，當(dāng)SCL線上是高電平時，必須保證SDA線上的數(shù)據(jù)穩(wěn)定；傳送一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，必須由接收機發(fā)一個應(yīng)答信號?？偩€的傳輸碼速率為100kbps（標準）～400kbps（高速）。采用+5V電源供電時，輸入電平規(guī)定為：VILmax=1.5V，VIHmin=3V；采用寬電源電壓時，電平規(guī)定為：VILmax=1.5VDD，VIHmin=3VDD。 IIC總線的通訊過程如圖1所示。 2 ISP的邏輯實現(xiàn) 基于IIC總線的數(shù)據(jù)傳輸規(guī)范，為完成IIC總線的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收，采用ISP器件實現(xiàn)通訊接口的邏輯功能框圖如圖2所示。通過頻選、控制、可控時鐘可獲得100kHz、200kHz、300kHz、400kHz的時鐘頻率。器件退出總線競爭后，時鐘線置高電平。 2.1 通訊的啟動與停止 在主機方式下，接收數(shù)據(jù)時，ISP器件必須通過啟動信號生成器送出一個啟動信號，然后發(fā)送從機的地址信號和讀寫信號。只有這樣，才能在總線上發(fā)送數(shù)據(jù)。該過程由控制寄存器啟動。VHDL描述如下： PROCESS（WR，CS） ——WR IS CPU WRITE SIGNAL ——CS IS THIS CHIP"S SELECT SIGNAL ADDRS：="0"； IF（Ctrreg(0)="1"AND Ctrreg(3)="1" AND SCL1="1"）THEN ——Ctrreg 為控制寄存器 CLK1COUNT：="0"； SDA1：="1"； IF（CLK1 EVENT AND CLK="0"）THEN IF(CLK1COUNT="3")THEN SDA1:="1"; ADDRS:="1"; Ctrreg(3):="0"; CSTA:="1"; ELSE CLK1COUNT:=CLK1COUNT+1; END IF; END IF; END IF; IF(ADDRS="1"AND SCL1 "EVENT AND SCL1="1")THEN %26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;——將數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù) %26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;%26;#183;——及WR信號移位發(fā)出（略） END IF； END PROCESS； 當(dāng)一次通訊結(jié)束時，主機要發(fā)送停止信號。該過程同樣同控制寄存器控制；當(dāng)控制字第二位為"1"時，ISP器件產(chǎn)生停止信號。VHDL描述與啟動類似。 2.2 發(fā)送數(shù)據(jù) 在主機方式下，完成啟動和地址信號發(fā)送后即開始發(fā)送數(shù)據(jù)。發(fā)送數(shù)據(jù)時并串轉(zhuǎn)換器在SCL的下降沿移位，保證SCL高電平時SDA上的數(shù)據(jù)穩(wěn)定。發(fā)送的進程由WR信號和從機的應(yīng)答信號啟動。 當(dāng)ISP器件在總線競爭失敗時，由處理器將ISP器件轉(zhuǎn)為從機工作方式，處理器向地址檢測電路送該器件在系統(tǒng)中的地址。只有在接收到的地址信息與該器件所設(shè)的地址相同時，才發(fā)出應(yīng)答信號，開始通訊。每發(fā)送一個字節(jié)即將SDA拉高，等待接收機的應(yīng)答信號，準備下一個數(shù)據(jù)。 2.3 接收數(shù)據(jù) 在主機方式下，完成通訊啟動和地址信號發(fā)送后便開始準備接收數(shù)據(jù)。每接收一個字節(jié)后要發(fā)出應(yīng)答信號，產(chǎn)生一個負脈沖作為中斷請求信號輸出給處理器。若此時系統(tǒng)忙，則拉低SCL電平迫使發(fā)送機進入等待狀態(tài)。從機方式下的接收與主機方式下一樣。VHDL描述如下： PROCESS（SDA1） SACK：="0"； FULL1：="0"； STP：="0"； INTQ：="1"； IF（CSTA="1" AND ADDOK="1"）THEN IF（SCL"1"EVENT AND SCL1="0"）THEN ……——接收數(shù)據(jù)，串入并出移位（略） FULL1：="1"； END IF； END IF； IF（FULL1="1"）THEN IF（RD"EVENT AND RD="1"AND SCL1"EVENT AND SCL1="0 AND BUSY="0"）THEN SDA1：="0"； FULL：="0"； INTQ：="0"； ELSE SDA1：="1"； IF（CLK1"EVENT AND CLK="0" AND FULL1="0"）THEN IF（CLK1COUNT"20"）THEN INTQ：="1"； CLK1COUNT:="0"； ELSE CLK1COUNT：=CLK1COUNT+1； END IF； END IF； IF（SLAVE="1" AND SCL="1" AND SDA "EVENT AND SDA="1"）THEN STP：="1"； CSTA：="0"； END IF； END IF； END PROCESS； 2.4 總線仲裁 在通訊過程中，ISP器件在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時接收總線上的數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)與已送的數(shù)據(jù)進行比較，若不相同則置位狀態(tài)發(fā)生器的SLAVE，表示該主機退出競爭。通過處理給控制寄存器發(fā)送控制字可以讓ISP器件轉(zhuǎn)入從機工作方式。這時啟動地址檢測，禁止SCL的發(fā)送。在一次通訊結(jié)束后，將狀態(tài)生成器的END置位，此時處理器可以再次將ISP器件設(shè)置為主機方式。 2.5 控制寄存器與狀態(tài)生成器 控制寄存器主要是定義ISP器件的工作狀態(tài)，其各位的定義為： BUSY 　 CLKEN CLKS2 CLKS1 STA STP M/S BUSY：若該位為"1"，主機作為接收機時，不發(fā)應(yīng)答信號； STA：啟動信號位； STP：停止信號位； M/S：主從機位，用于選擇芯片工作狀態(tài)（主機還是從機）； CLKS1、CLKS2：頻選控制位； CLKEN：SCL使能位，該位為1時SCL置高電平。 狀態(tài)生成器可以生成工作狀態(tài)信號（中斷、IIC總線競爭、從機方式時通訊開始與結(jié)束）供處理器查詢處理。 3 參數(shù)配置 該器件可以配置為從100kbps（標準）到400kbps（高速）的任何傳送速度，以滿足不同的需要。只需在VHDL（描述的結(jié)構(gòu)體中指明配置的參數(shù)即可實現(xiàn)配置，非常方便。 本設(shè)計只使用一片可編程芯片即可完成IIC總線接口的芯片功能。由于采用VHDL-93語言進行設(shè)計，具有良好的可移植性，可用于其它ISP廠家的產(chǎn)品中。通過ByteBlast下載線可以在線改變其功能，體現(xiàn)了ISP器件的優(yōu)越性。