《基于FPGA的IIC设计》

《基于FPGA 的 IIC设计》

设计背景：                    

IIC 简单来说，就是一种串行通信协议，IIC 的通信协议和通信接口在很多工程中有广泛的应用，如数据采集领域的串行 AD,图像处理领域的摄像头配置，工业控制领域的 X 射线管配置等等。除此之外，由于 IIC 协议占用的 IO 资源特别少，连接方便，所以工程中也常选用 IIC 接口做为不同芯片间的通信协议。

设计原理:                         

IIC 电路原理图如下：

24LC64 各引脚定义：

1、A0,A1,A2 为 24LC64 的片选信号，由于 IIC 总线可以挂载多个 IIC 接口器件，所以每个器件都应该有自己的“身份标识”，通过对 A0,A1,A2 输入不同的高低电平，就可以设置该 EEPROM 的片选信号。

2、WP 为读写使能信号，当 WP 悬空或者接地，EEPROM 可读可写，当 WP 接电源，EEPROM 只能读不能写。

3、SCL 为 IIC 接口的时钟线。

4、SDA 为 IIC 接口的数据线。

IIC 接口的读写时序：

IIC 接口读写时序分为随机读写（单字节读写）和页面读写（多字节读写），先分析随机读写（Byte Write/Read）时序。Byte Write 时序如下：

时序解读：如果我们要向 EEPROM 写入一个字节，那么必须经过以下步骤：

1. 发送启动信号

2. 发送控制字

3. 接收并检测 EEPROM 发来的应答信号 ACK

4. 发送高字节地址位

5. 接收并检测 EEPROM 发来的应答信号 ACK

6. 发送低字节地址位

7. 接收并检测 EEPROM 发来的应答信号 ACK

8. 发送 8bit 有效数据

9. 接收并检测 EEPROM 发来的应答信号 ACK

10.发送停止信号

Byte Read 时序如下：

时序解读：如果我们要从 EEPROM 读出一个字节，那么必须经过以下步骤：

1. 发送启动信号

2. 发送控制字 1010_A2A1A0_0

3. 接收并检测 EEPROM 发来的应答信号 ACK

4. 发送高字节地址位

5. 接收并检测 EEPROM 发来的应答信号 ACK

6. 发送低字节地址位

7. 接收并检测 EEPROM 发来的应答信号 ACK

8. 发送启动信号

9. 发送控制字 1010_A2A1A0_1

10. 接收并检测 EEPROM 发来的应答信号 ACK

11. 读取一个字节数据

12. 发送 NO ACK 信号

13. 发送停止信号

接下来则需要分析各步骤具体意义：

1.启动信号

在 SCL 保持高电平期间，如果 SDA 出现由高到低的跳变沿，代表启动信号

2. 控制字

我们的控制字为 1010_0000,其中 1010 为 EEPROM 的型号标识，为一组固定的序列，紧接着 A2,A1,A0 就是我们的片选信号，最后一位为读写控制位，低电平代表写，高电平代表读，我们这里首先需要对 EEPROM 写入地址位，所以我们最后一位为 0。

3. 高/低位地址

由于 24LC64 有 64Kbit 的存储空间，所以我们需要 13 位的地址位宽才能寻址所有的存储空间，由于 IIC 协议规定只能以字节形式写入，所以必须将 13 位的地址扩展为 16 位的地址，分为高八位和低八位，多出来的前三位填充任意数据即可，对我们的寻址地址没有影响。

3. 停止信号

4. 应答信号 ACK

应答信号是由数据接收方发出的，当 SCL 为高电平期间，如果监测到 SDA 为低电平，说明有应答信号。

5. 非应答信号 NO ACK

非应答信号也是由数据接收方发出的，当 SCL 为高电平期间，如果 SDA 为高电平，说明有非应答信号。

说明：由于 IIC 总线协议启动和停止信号都是在 SCL 高电平期间发生跳变，这就决定了我们其他数据的改变只能发生在 SCL 低电平期间，在 SCL 为高电平期间，数据必须保持稳定。即在 SCL 低电平改变数据，在 SCL 高电平采集数据。相比于单字节读写，页面读写只是增加了几个状态，具体时序如下，这里和后面的设计代码不做详细论述。

Page Write 时序如下：

Page Read 时序如下：

设计架构图:                      

本设计用两个按键控制 EEPROM 读写，当写按键按下时，向EEPROM 某一固定地址写入一个字节数据，当读按键按下时，将该地址数据读出，并显示到数码管，LED 灯是一个标志信号，LED 亮说明数据写入完毕。设计架构如下：

设计代码:                         

iic_wr 模块代码：负责进行 IIC 数据的读写

seg7_lut 模块代码，负责数码管显示

IIC 顶层模块代码：

tb 顶层测试模块代码：

仿真图:                         

随机读写，仿真写时序：

随机读写，仿真读时序:

在仿真时，需要将检测应答的状态跳过，直接向下一状态跳转，观察读写时序，当读写按键按下时，都会产生对应的动作。

责任编辑：lq