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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(jī)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(biāo)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(jī)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(jī)的地址碼（8位）和讀寫信號；通訊停止時，主機(jī)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(jī)發(fā)一個應(yīng)答信號�？偩�的傳輸碼速率為100kbps（標(biāo)準(zhǔn)）～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。
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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(jī)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(jī)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
························——將數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)
························——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(jī)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(jī)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(jìn)程由WR信號和從機(jī)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(jī)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(jī)的應(yīng)答信號，準(zhǔn)備下一個數(shù)據(jù)。
2.3 接收數(shù)據(jù)
在主機(jī)方式下，完成通訊啟動和地址信號發(fā)送后便開始準(zhǔn)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(fù)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(jī)進(jìn)入等待狀態(tài)。從機(jī)方式下的接收與主機(jī)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(jìn)行比較，若不相同則置位狀態(tài)發(fā)生器的SLAVE，表示該主機(jī)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(jī)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(jī)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/SBUSY：若該位為'1'，主機(jī)作為接收機(jī)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(jī)位，用于選擇芯片工作狀態(tài)（主機(jī)還是從機(jī)）；
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(jī)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(biāo)準(zhǔn)）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(jìn)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。
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