??? 摘? 要: 介紹了采用ALTERA公司的可編程器件EPF10K10LC84-3實現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、系統配置方便的特點。?
??? 關鍵詞: IIC總線? CPLD? VHDL? ISP
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??? IIC總線是PHILIPS公司開發的一種簡單、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據線)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，具備多主機系統所需要的裁決和高低速設備同步等功能,應用極為廣泛。?
??? 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IIC總線的電氣特性及其通訊協議,采用ALTERA公司的FLEX10K系列ISP器件EPF10K10LC84-3可以方便地實現IIC總線的通訊接口,且具有高速、易調試、可以靈活地實現在線配置等優點,同時大大地減少了系統的開發周期。?
1 IIC總線的數據傳輸規范?
??? IIC總線主從機之間的一次數據傳送稱為一幀,由啟動信號、地址碼、若干數據字節、應答位以及停止信號等組成。通訊啟動時,主機發送一個啟動信號(當SCL線上是高電平時,SDA線上產生一個下降沿)、從機的地址碼(8位)和讀寫信號;通訊停止時,主機發送一個停止信號(當SCL線上是高電平時,SDA線上產生一個上升沿)。在數據傳送過程中,當SCL線上是高電平時,必須保證SDA線上的數據穩定;傳送一個字節的數據,必須由接收機發一個應答信號。總線的傳輸碼速率為100kbps(標準)～400kbps(高速)。采用+5V電源供電時,輸入電平規定為:VILmax=1.5V,VIHmin=3V;采用寬電源電壓時,電平規定為: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?
??? 基于IIC總線的數據傳輸規范,為完成IIC總線的數據發送與接收,采用ISP器件實現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。?
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2.1 通訊的啟動與停止?
??? 在主機方式下,接收數據時,ISP器件必須通過啟動信號生成器送出一個啟動信號,然后發送從機的地址信號和讀寫信號。只有這樣,才能在總線上發送數據。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:=‘0’;?
??????? 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?
??? ??? ……………………——將數據寄存器中的數據?
??????? ……………………——及WR信號移位發出(略)?
??? END IF;?
??? END PROCESS; ?
??? 當一次通訊結束時,主機要發送停止信號。該過程同樣由控制寄存器控制;當控制字的第二位為‘1’時,ISP器件產生停止信號。VHDL描述與啟動類似。?
2.2 發送數據?
??? 在主機方式下,完成啟動和地址信號發送后即開始發送數據。發送數據時并串轉換器在SCL的下降沿移位,保證SCL高電平時SDA上的數據穩定。發送的進程由WR信號和從機的應答信號啟動。?
??? 當ISP器件在總線競爭失敗時,由處理器將ISP器件轉為從機工作方式,處理器向地址檢測電路送該器件在系統中的地址。只有在接收到的地址信息與該器件所設的地址相同時,才發出應答信號,開始通訊。每發送一個字節即將SDA拉高,等待接收機的應答信號,準備下一個數據。?
2.3 接收數據?
??? 在主機方式下,完成通訊啟動和地址信號發送后便開始準備接收數據。每接收一個字節后要發出應答信號,產生一個負脈沖作為中斷請求信號輸出給處理器。若此時系統忙,則拉低SCL電平迫使發送機進入等待狀態。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(SCL1’EVENT? AND? SCL1=‘0’)THEN?
??????? ……——接收數據,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’;?
??????????? FULL1:=‘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器件在發送數據的同時接收總線上的數據,將該數據與已發送的數據進行比較,若不相同則置位狀態發生器的SLAVE,表示該主機退出競爭。通過處理器給控制寄存器發送控制字可以讓ISP器件轉入從機工作方式。這時啟動地址檢測,禁止SCL的發送。在一次通訊結束后,將狀態生成器的END置位,此時處理器可以再次將ISP器件設置為主機方式。?
2.5 控制寄存器與狀態生成器?
??? 控制寄存器主要是定義ISP器件的工作狀態,其各位的定義為:?
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??? BUSY:若該位為‘1’,主機作為接收機時,不發應答信號;?
??? 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(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。?
??? 狀態生成器可以生成工作狀態信號(中斷、IIC總線競爭、從機方式時通訊開始與結束)供處理器查詢處理。?
3 參數配置?
??? 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描述的構造體中指明配置的參數即可實現配置,非常方便。?
??? 本設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語言進行設計,具有良好的可移植性,可用于其它ISP廠家的產品中。通過ByteBlast下載線可以在線改變其功能,體現了ISP器件的優越性。?
參考文獻?
1 DATA HANDBOOK IIC—BUS Compatible. ICs PHISLIPS，1989?
2 曾繁泰，陳美金. VHDL程序設計.北京:清華大學出版社,2000.8