IIC总线通讯接口器件的CPLD实现

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摘要：介绍了采用ALTERA公司的可编程器件EPF10K10LC84-3实现IIC总线的通讯接口的基本原理，并给出了部分的VHDL语言描述。该通讯接口与专用的接口芯片相比，具有使用灵活、系统配置方便的特点。

    关键词：IIC总线 CPLD VHDL ISP

IIC总线是PHILIPS公司开发的一种简单、双向、二线制、同步串行总线。它只需两根线（串行时钟线和串行数据线）即可在连接于总线上的器件之间传送信息。该总线是高性能串行总线，具备多主机系统所需要的裁决和高低速设备同步等功能，应用极为广泛。

目前市场上虽然有专用IIC总线接口芯片，但是地址可选范围小、性能指标固定、功能单一、使用不方便。根据IIC总线的电气特性及其通讯协议，采用ALTERA公司的FLEX10K系列ISP器件EPF10K10LC84-3可以方便地实现IIC总线的通讯接口，且具有高速、易调试、可以灵活地实现地在线配置等优点，同时大大地减少了系统的开发周期。

1 IIC总线的数据传输规范

IIC总线主从机之间的一次数据传送称为一帧，由启动信号、地址码、若干数据字节、应答位以及停止信号等组成。通讯启动时，主动发送一个启动信号（当SCL线上是高电平时，SDA线上产生一个下降沿）、从机的地址码（8位）和读写信号；通讯停止时，主机发送一个停止信号（当SCL线上是高电平时，SDA线上产生一个上升沿）。在数据传送过程中，当SCL线上是高电平时，必须保证SDA线上的数据稳定；传送一个字节的数据，必须由接收机发一个应答信号。总线的传输码速率为100kbps（标准）～400kbps（高速）。采用+5V电源供电时，输入电平规定为：VILmax=1.5V，VIHmin=3V；采用宽电源电压时，电平规定为：VILmax=1.5VDD，VIHmin=3VDD。

IIC总线的通讯过程如图1所示。
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2 ISP的逻辑实现

基于IIC总线的数据传输规范，为完成IIC总线的数据发送与接收，采用ISP器件实现通讯接口的逻辑功能框图如图2所示。通过频选、控制、可控时钟可获得100kHz、200kHz、300kHz、400kHz的时钟频率。器件退出总线竞争后，时钟线置高电平。

2.1 通讯的启动与停止

在主机方式下，接收数据时，ISP器件必须通过启动信号生成器送出一个启动信号，然后发送从机的地址信号和读写信号。只有这样，才能在总线上发送数据。该过程由控制寄存器启动。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 为控制寄存器

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

························——将数据寄存器中的数据

························——及WR信号移位发出（略）

END IF；

END PROCESS；

当一次通讯结束时，主机要发送停止信号。该过程同样同控制寄存器控制；当控制字第二位为'1'时，ISP器件产生停止信号。VHDL描述与启动类似。

2.2 发送数据

在主机方式下，完成启动和地址信号发送后即开始发送数据。发送数据时并串转换器在SCL的下降沿移位，保证SCL高电平时SDA上的数据稳定。发送的进程由WR信号和从机的应答信号启动。
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   当ISP器件在总线竞争失败时，由处理器将ISP器件转为从机工作方式，处理器向地址检测电路送该器件在系统中的地址。只有在接收到的地址信息与该器件所设的地址相同时，才发出应答信号，开始通讯。每发送一个字节即将SDA拉高，等待接收机的应答信号，准备下一个数据。

2.3 接收数据

在主机方式下，完成通讯启动和地址信号发送后便开始准备接收数据。每接收一个字节后要发出应答信号，产生一个负脉冲作为中断请求信号输出给处理器。若此时系统忙，则拉低SCL电平迫使发送机进入等待状态。从机方式下的接收与主机方式下一样。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

……——接收数据，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 总线仲裁

在通讯过程中，ISP器件在发送数据的同时接收总线上的数据，将该数据与已送的数据进行比较，若不相同则置位状态发生器的SLAVE，表示该主机退出竞争。通过处理给控制寄存器发送控制字可以让ISP器件转入从机工作方式。这时启动地址检测，禁止SCL的发送。在一次通讯结束后，将状态生成器的END置位，此时处理器可以再次将ISP器件设置为主机方式。

2.5 控制寄存器与状态生成器

控制寄存器主要是定义ISP器件的工作状态，其各位的定义为：

BUSY

CLKEN

CLKS2

CLKS1

STA

STP

M/S

BUSY：若该位为'1'，主机作为接收机时，不发应答信号；

STA：启动信号位；

STP：停止信号位；

M/S：主从机位，用于选择芯片工作状态（主机还是从机）；

CLKS1、CLKS2：频选控制位；

CLKEN：SCL使能位，该位为1时SCL置高电平。

状态生成器可以生成工作状态信号（中断、IIC总线竞争、从机方式时通讯开始与结束）供处理器查询处理。

3 参数配置

该器件可以配置为从100kbps（标准）到400kbps（高速）的任何传送速度，以满足不同的需要。只需在VHDL（描述的结构体中指明配置的参数即可实现配置，非常方便。

本设计只使用一片可编程芯片即可完成IIC总线接口的芯片功能。由于采用VHDL-93语言进行设计，具有良好的可移植性，可用于其它ISP厂家的产品中。通过ByteBlast下载线可以在线改变其功能，体现了ISP器件的优越性。