基于FPGA的I2C SLAVE模式總線的設計

    2014-03-05 21:03 來源:電子信息網 作者:鈴鐺

    由于在嵌入式系統開發中越來越多的應用到FPGA,而一些嵌入式CPU,比如STM32 為了降低成本,減小封裝尺寸,沒有外接專門的CPU 讀寫總線,而只提供了一些如SPI 和I2C 的接口。而且在應用中經常有數據要配置到FPGA 中,如FPGA 中的應用配置寄存器,和配置表項等,都需要CPU 配置。這些數據的數據量不大,速度也不要求很高,很適合用I2C 總線來配置。

    I2C 總線是Philips 公司設計的一種控制和配置內部IC 雙向兩線的串行總線。主要特點是接口信號線較少,但是其數據的傳送速率不是很高,其高速模式下為3.4Mb/s.應用于配置FPGA 比較適合。在通常的應用中嵌入式CPU 作為MASTER 模式的主器件,FPGA 作為SLAVE 模式的從器件。通過使用I2C 總線,減少了CPU 和FPGA 的連線,而且嵌入式CPU 一般有內含I2C總線控制器,使得CPU 和FPGA 間的通訊硬件電路簡化。

    1 I2C SLAVE 模式整體結構的分析設計

    I2C 總線要求兩條信號線,一條串行數據線 SDA,一條串行時鐘線 SCL.通過串行方式傳送數據。它是一個多主器件的總線,如果兩個或更多主器件同時傳輸數據,可以沖突檢測和仲裁。為簡化設計和滿足應用要求,該設計實現一個標準I2C總線的子集。完成1 字節的單次讀寫和連續讀寫功能。所以這就要求應用中的I2C 總線上只能有一個主器件,而FPGA 邏輯則只能當成從器件。I2C 總線的兩條信號線都是開漏的,必須外接上拉電阻,以保證總線空閑時,總線都處于高電平。I2C的讀寫時序圖如圖1.

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    從圖1 中可以看出,總線的起始條件為在SCL 為高電平時,SDA 拉低產生一個下降沿。而總線的停止條件為在SCL 為高電平時,SDA 釋放由上拉電阻產生一個上升沿。在快速模式下,SCL 時鐘頻率最大值為400KHz,SCL 時鐘的低電平周期最小為1.3μs,SCL 時鐘的高電平周期最小為0.6μs.在輸入端,輸入濾波器必須抑制的毛刺脈寬最大值為50ns.由于SCL是由主器件CPU 的內置I2C 模塊產生的,所以SCL 的時序肯定符合要求。而FPGA 要采樣SCL 和SDA 信號,那么FPGA 的采樣時鐘頻率至少要為SCL 頻率的2 倍以上。

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    總線 FPGA

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