基于FPGA的多路I2C总线设计与实现

摘 要： 介绍了一种基于FPGA的多路I2C总线设计与实现。主要包括系统处理器、局部总线、FPGA逻辑模块、负载设备几部分，实现了从处理器局部总线到I2C协议的转换及其多路扩展，使系统具有多个I2C总线通道，且每一路I2C总线上能挂载多个不同的主设备或从设备。该系统中各路I2C总线相互独立工作，没有干扰和影响。
关键词： I²C；可编程逻辑门阵列；状态机

　I²C（Inter-Integrated Circuit）总线是由Philips公司开发的用于IC器件之间连接的二线制总线，其为双向、两线、串行、多主控接口标准，具有总线仲裁机制，非常适合器件之间近距离、非经常性的数据通信。由于其具有接口线少、控制方式简化、器件封装形式小、通信速率较高等优点，I2C总线的应用非常广泛[1]。
在工业监控系统中需要有多路I2C总线控制器来完成温度、电压、湿度等各个方面的监控功能。但是，目前很多系统没有或者只有很少通道的I2C总线接口，使其应用受到了限制。
基于上述技术现状，本文通过现场可编程门阵列FPGA（Field Programmable Gate Array）实现一种多路I²C总线的系统控制设计。
系统硬件设计
FPGA作为ASIC专用集成电路领域中的一种半定制电路，可以解决定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点，具有设计周期短、开发费用低、保密性强、体积小、重量轻、可靠性高等特点[2]。
　　本系统主要由系统处理器、局部总线、FPGA逻辑模块、负载设备几部分组成。其中系统处理器采用Freescale公司的MPC8245[3]。
具有多路I2C总线的系统硬件设计框图如图1所示。

处理器利用局部总线，通过地址线、数据线、读写信号线和片选信号线与FPGA逻辑模块进行通信，在FPGA内部完成I²C总线控制器的功能，实现从处理器局部总线到I2C协议的转换和多路扩展，其中每个I2C总线控制器挂载多个不同的设备，可以是主设备或从设备。
FPGA逻辑模块设计
多路I²C总线的系统控制中，FPGA逻辑模块的设计是核心。该模块主要由三部分组成：顶层控制模块、处理器接口模块、多路I2C总线控制器模块。模块化的设计便于移植和软件重用。其中FPGA芯片采用XILINX公司的SPARTAN3A系列的芯片，开发平台为ISE10.1。
顶层控制模块
顶层控制模块主要实现处理器接口模块与多路I²C总线控制器模块之间的连接与通信，实现整个输入输出接口到各个功能模块之间的映射。三者之间的逻辑关系如图2所示。

处理器接口模块
MPC8245处理器接口模块主要完成MPC8245处理器与FPGA的接口功能，并实现与FPGA内部的多路I2C总线控制器数据传输的握手协议和数据交换。在MPC8245处理器接口模块中，每个I2C控制器对应有4个8位的寄存器，即数据寄存器、地址寄存器、控制寄存器和状态寄存器。
（1）数据寄存器根据读/写信号区分，分为发送数据缓冲寄存器和接收数据缓冲寄存器，共享一个地址，数据长度为8位。
（2）地址寄存器用来保存当前地址。当该路I2C控制器作为从节点通信时，地址寄存器中保存的是自己的地址，这个地址在总线上是唯一的。从节点接收到包头后，将其中的地址与自己的地址比较，如果一致，则响应主节点，开始传输。
（3）控制寄存器用来控制I2C总线控制器的数据传输，按照设置产生各个协议命令、响应动作及工作模式。
（4）状态寄存器显示当前总线的状态。通过状态寄存器中不同的状态指示，实现与MPC8245处理器的握手协议。
MPC8245处理器利用地址线、数据线、片选信号和读写信号来与MPC8245处理器接口模块N路I2C总线控制器相关的N×4个寄存器交换数据、读取状态、作为从设备时响应的地址和控制各路I2C总线的控制器。
I²C总线控制器模块
I²C总线控制器模块主要实现并行的I²C通信控制，每一路I²C总线控制器通过FPGA的I/O管脚连接到外部实现各自独立的I²C总线，具有主工作模式和从工作模式两种工作状态。
I²C总线控制器主要有两个状态机：主控制状态机和时钟生成状态机。
主控制状态机是整个I²C总线控制器的核心。时钟生成状态机只在I²C总线控制器作为主设备时的模式下工作，是I²C总线通信时的时钟。当I2C总线控制器作为从设备通信时，主控制状态机时钟由FPGA所实现的I²C总线上所挂载的I²C主设备提供，整个I2C总线通信时的时钟为外部主设备提供的时钟。
I²C总线控制器状态机设计
（1）主控制状态机
主控制状态机状态转移图如图3所示。

IDLE状态：当I2C上电或者复位后，主控制状态机就处于此状态。
HEADER状态：在此状态，系统根据控制寄存器位MSTA值，发送或者接收包头，满足条件后，转移到ACK_HEADER状态；I2C总线控制器中的HEADER移位寄存器与地址寄存器中存放的I²C总线控制器作为从设备时响应的地址进行比较，如果匹配，则表明该路I2C总线控制器为被主设备寻址的从设备，模式立刻切换到从设备模式，同时状态寄存器中的MAAS位被置位，数据线SDA将会按照TXAK中的设置应答当前主设备。
ACK_HEADER状态：当该路I2C总线控制器作为主设备时，如果没有收到从设备发送的ACK，则发送结束信号，返回到IDLE状态；如果收到ACK，则确定仲裁没有丢失，根据控制寄存器位TX值转到XMIT_DATA或者RCV_DATA状态；当该路I2C总线控制器作为从设备时，如果地址匹配，则发送ACK，根据主设备发送的第一个字节中的最后一位的值转到XMIT_DATA或者RCV_DATA状态。
XMIT_DATA状态：在此状态时，移位寄存器将数据移到SDA线上。发送一个字节完成后，转移到WAIT_ACK状态。
WAIT_ACK状态：在此状态时，如果收到ACK，则返回到XMIT_DATA状态；如果仲裁丢失，则转到IDLE状态；如果没有收到ACK，则发送结束信号，转移到IDLE状态。
RCV_DATA状态：在此状态时，如果检测到重新启动信号，则返回HEADER状态；否则，移位寄存器从SDA线上移入数据，以供MPC8245处理器的驱动程序读取，移入一个字节后，转到ACK_DATA状态，控制寄存器中的TXAK位被输出到数据线SDA。
ACK_DATA状态：I2C控制器发送ACK，返回到RCV_DATA状态。
（2）时钟状态机
整个状态机状态转换如图4所示。

SCL_IDLE状态：当上电复位后，状态机就处于该状态。当I2C控制器为主节点并且总线空闲时，收到开始标志后，转移到START状态。
START状态：当在此状态时，根据I2C协议，需要保持一定的时间，当持续时间满足要求时，转移到SCL_LOW_EDGE状态，否则保持在START状态。
SCL_LOW_EDGE状态：当在此状态时，在下一个系统时钟时，转移到SCL_LOW状态。
SCL_LOW状态：在此状态时，根据控制信号，设置SDA的输出，根据I2C协议，需要保持一定的时间，当保持时间满足要求时，转移到SCL_HIGH_EDGE状态，否则保持在该状态；如果仲裁丢失且已经传输了7个字节，则转移到SCL_IDLE状态。
SCL_HIGH_EDGE状态：在此状态时，完成一定的操作，持续一个时钟周期后，转移到SCL_HIGH状态。如果SCL输入为0或者状态寄存器中的位MCF=1，则一直停留在该状态。
SCL_HIGH状态：在此状态时，如果有重复起始信号，则SCL高电平持续一半时间，转移到START状态；如果有结束信号，则SCL高电平持续一半时间，转移到STOP_WAIT状态；根据I²C协议，需要保持一定的时间，当持续时间满足要求时，转移到SCL_LOW_EDGE状态，否则保持在当前状态。
STOP_WAIT状态：在此状态时，根据I²C协议，需要保持一定的时间，当持续时间满足要求时，转移到SCL_IDLE状态。
系统工作流程
多路I²C总线的系统在系统上电后，处理器通过FPGA与FPGA相连接的I²C设备通信。
（1）当处理器作为主设备与FPGA所实现的I²C总线上所挂的从设备进行通信时，处理器主体通过对FPGA内部的该路I²C总线控制器对应的寄存器进行操作，根据I2C总线通信协议，产生起始信号和时钟信号，并查询状态位，对该路I²C总线上的从设备进行发送或者接收数据的操作，在数据交换完成后，产生停止信号，完成整个通信。
（2）当处理器主体作为从设备与FPGA所实现的I²C总线上所挂的主设备进行通信时，FPGA所实现的I2C总线上所挂的主设备产生起始信号和时钟信号，处理器主体通过对FPGA内的该路I²C总线控制器对应的数据寄存器进行操作，发送或者接收数据。当通信完成后，FPGA所实现的I2C总线上所挂的主设备产生停止信号，完成整个通信。
通过可编程逻辑器件实现的多路I2C总线上每一路可以挂多个设备，可以是从设备，也可以是主设备，具体能挂的设备数量受总线电容的限制。
本设计利用可编程逻辑器件，完成对处理器主体I²C总线的扩展，使该处理器能够有多个I²C总线通道，每一路I²C总线上可以挂载多个不同的设备，可以是主设备，也可以是从设备，满足不同应用场合的要求。在可编程逻辑器件内，每个I2C总线控制器仅使用4个寄存器，大大降低了控制的复杂度，无需占用较多的CPU资源，系统稳定，执行效率高。
参考文献
[1] The I2C-Bus Specification Versiom 2.1. Philips Semiconductors，January 2000.
[2] CILETTI M D. Verilog-HDL 高级数字设计[M].北京：电子工业出版社，2005.
[3] Freescale Semiconductor.MPC8245 Integrated Processor Reference Manual.http://.cn/.