NiosII的I2C控制IP及其在成像系统中的应用

摘要：详细介绍一种I2C控制IP的工作原理及其可编程寄存器，给出该IP在CMOS数字成像中的应用实例。该实例基于可编程片上系统(SOPC)技术设计，在NioslI IDE中通过编写程序来实现系统功能，并通过QuartusII软件自带的SignaITapII进行验证。结果表明，在CMOS成像领域选用该IP核，系统能充分利用SOPC技术的优势，具有扩展性好、控制灵活、开发周期短等特点。
关键词：SOPC；I2C控制IP；CMOS

1 IP的硬件结构及寄存器
1．1 IP硬件结构
    IP内部结构如图1所示。主要由波特率时钟寄存器、寄存器组控制器、并行I／O接口、I2C可编程接口、I2C接口引擎5个模块组成。波特率时钟产生器用来产生I2C IP工作的基本时钟频率；寄存器组控制器用来对寄存器进行设置，设置数据通过并行I／O接口传送到该模块中；并行I／0接口模块用来处理可编程接口模块传送过来的命令；I2C可编程接口模块用来设置IP各个寄存器的地址；I2C接口引擎模块执行I2C总线上数据的传输。

1．2 寄存器结构
    I2C控制IP主要由6个寄存器构成，如表1所列。通过对寄存器的读写可以方便地控制I2C总线数据的传输，从而实现NioslI处理器与设备之间的通信。数据寄存器用来存放I2C总线上要传送的数据；波特率产生模块，波特率时钟寄存器和时钟寄存器共同决定I2C总线上SCL的频率。SCL的计算公式为。其中System_clk是系统时钟；Value是时钟寄存器的值；divider是波特率时钟寄存器的值所对应的分频数(寄存器的值与分频数相差为1，如寄存器设置为O，则分频数为1；寄存器设置为1，则分频数值为2)。本地地址寄存器、控制寄存器、状态寄存器的详细介绍略——编者注。

2 I2C控制IP在成像系统中的应用
    在成像系统中，CMOS传感器应用非常普遍。这些传感器大多数都自带I2C串行通信接口，本文以MT9M011为例介绍I2C控制IP在成像系统中的应用。MT9M011传感器根据读写位数可分为两种方式：16位数据读写方式和8位数据读写方式。这里选用曝光寄存器，采用16位读写方式进行操作，时序如图2所示。

    从设备地址(写模式)与从设备地址(读模式)高7位为从器件地址，第8位是读写控制位(R／W)，它控制数据的传输方向。
    向曝光寄存器Ox09写入数据：主器件启动传输，然后发送它所要寻址的从设备地址(写模式)。MT9M011监视总线，当其地址与传送的从器件地址相符时，响应一位应答信号，接着主器件发送曝光寄存器地址，MT9M011再次应答，在向曝光寄存器中写入16位数据后主器件停止写数据。每传送8位数据，从器件MT9M011都会产生一位应答信号。
    从曝光寄存器0x09读出数据：开始部分与写数据时序是相同的，当主器件发送完从设备地址(写模式)和寄存器地址后，需要重新启动，并发送从设备地址(读模式)，然后才能从寄存器中读出数据。每读完1字节数据，主器件都会产生1位应答信号。当16位数据被读出后，主器件发送1位非应答信号，传输结束。

3 IP应用实例
3．1 硬件设计
    本文使用I2C控制IP对图像传感器MT9M01l寄存器进行并行配置。硬件设计基于SOPC技术，将系统组件库提供的32位Nios II软核处理器、SDRAM接口模块、TIMER定时器模块(提供SignaltapII中对信号进行采样的频率)、PI0模块以及I2C控制IP(配置为主设备)集成在一块FPGA内。QuartusII顶层原理略——编者注。
3．2 软件设计
    软件的编写有两种方式：一种是对I2C控制IP应用程序编程接口(API)函数的操作；另一种是利用Altera提供的读写函数对寄存器进行操作。为了提高系统运行的速度，采用第二种方法。系统软件部分是在NiosII IDE中，通过编写C代码完成的。
    对CMOS寄存器的并行配置程序主要包括以下两个部分：
    ①IP初始化设置：包括设置波特率、设置本地址寄存器、设置时钟寄存器值。
    ②选择CMOS1，对其寄存器进行读写；选择CMOS2，对其寄存器进行读写。寄存器选择曝光寄存器。
    关键代码如下：
   
    
    
    函数checkBus查询状态寄存器的BB来判断I2C总线忙／闲状态，checkProgres函数查询状态寄存器的PIN来判断总线数据是否传输完成。为了便于观察读出的数据和写入的数据是否一致，通常将程序包含在while语句中。

4 实验验证
    将硬件系统生成的下载文件烧写到FPGA芯片上并运行C代码程序，用QuartusII自带的SignaItapII逻辑分析仪对I2C总线上的数据进行观察。图3为所得到的波形，信号由上至下分别为CMOS2／CMOS1上的I2C总线信号m_sclk_2、m_sda_2、m_sclk_1、m_sda_1。前半部分给CMOS1写入0x06、0X07，然后读出；后半部分对CMOS2写入相同的数并读出。此波形满足MT9M011图像传感器时序读写要求。

5 系统扩展
    在需要多路CMOS配置的应用中，使用该I2C控制IP可以很容易地实现多路并行CMOS寄存器配置。例如，8路并行CMOS配置系统：在电路板上焊接8片CMOS传感器芯片，通过对分配器3路信号的控制将使能并行加载到8块CMOS芯片，3路控制信号和使能信号通过对SOPC系统的PIO接口模块的控制来实现，配置数据的传输则在I2C控制IP的控制下完成。电路板结构简单，系统容易实现。

结语
    本文所介绍的I2C IP可作为自定义组件加载到SOPC系统中，使系统的设计更为灵活，功能扩展上具有较大的潜力。在采用CMOS图像传感器的成像系统中，I2C接口应用普遍，本文通过给出该IP应用实例，说明了该IP的使用具有广阔的前景和较高的应用价值。