基于Nios II的AT24C02接口电路设计

0 引 言
    在实际的应用中，为了保护现场，经常需要将系统断电之前的工作状态与重要运行数据保存在非易失存贮器中，以便在下次开机时，能恢复到原来的工作状态。针对这种保存的数据量不大和存储速度要求不高的特点，可采用“NiosⅡ+AT24C02"设计方案进行设计。本文在讨论了I2C通信协议的基础上，利用FPGA技术，设计了NiosⅡ与AT24C02”之间进行通信的接口电路。本接口电路能产生基于I2C通信协议的读写操作时序，成功实现了对AT24C02的读写功能。由于所有的时序，都是由硬件产生，因此，本设计具有控制简单、成本低廉等特点。

1 AT24C02A芯片简介
    AT24C02A芯片，是由ATMEL公司生产的基于I2C总线型的串行电可擦除的可编程存储器(EEPROM)，内部含有2Kbit的存储单元，是通过二根线(SDL与SCL)与外部I2C控制器交换数据。
    AT24C02A芯片的主要特性如下：
    低电压和标准电压操作
    -2．7(VCC=2．7V至5．5V)
    -1．8(VCC=1．8V至5．5V)
    片内存储容量为256×8 bit(2K)
    2线串行接口
    施密特触发器，过滤输入的噪声抑制
    双向数据传输协议
    100 kHz(1．8V、2．5V、2．7V)和400 kHz(5V)兼容性
    写保护引脚的硬件数据保护。

2 I2C通信协议
2．1 I2C通信协议简介
    AT24C02A器件采用成本低廉的I2C(Inter integrat-ed Circuit)总线通信协议，即利用串行数据线(SDA)和串行时钟线(SCL)成功实现了主模块与从模块之间数据通信，图1为I2C通信协议的时序图。由图可知，完成一次数据的传输必须要经历启动、数据传输与停止三个基本的过程：当串行时钟线(SCL)为高电平时，串行数据线(SDA)从高电平变成低电平，“启动”I2C通信；当串行时钟线(SCL)为高电平时，串行数据线(SDA)从低电平变成高电平，“停止”I2C通信；在数据的传输过程中，串行数据线(SDA)上的数据的改变，只能在串行时钟线(SCL)为低电平期间完成。

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2．2 AT24C02A器件读写时序
    图2为写(读)AT24C02A器件中指定地址存储单元的数据帧格式，图2(a)为写操作的帧格式，(b)为读操作帧格式。要想把一个字节数据发送到器件中(或从器件中读取一个字节数据)除了给出具体的地址信息之外，还要给出该器件的控制信息：首先由控制器发出“启动”信号，启动I2C总线的通信，然后发送一个控制字节，前7位为器件的片选地址，最后1位为读写控制位，“0”表示写，“1”表示读。当传完控制字节之后，挂在I2C总线的所有的器件比较控制字节片选地址(前7位)是否与自已的物理地址一致，如一致，则发一个应答信号。控制器接收到应答信号之后，再发器件内部存储单元地址和其他的信息。

3 AT24C02A读写控制接口设计
3．1 寄存器组定义
    为了实现NiosⅡI能与外部设备进行交换数据，首先要在AT24C08读写控制接口中定义寄存器，包括数据寄存器、状态寄存器和控制寄存器。表4-1AT24C02A读写控制器内部寄存器定义的情况：State_Re为此接口电路的状态寄存器，最低位有效，用来表示接口电路的状态，“1”表示接口处于“忙”状态中，此时表示接口正处于读写外部设备(AT24C02A)中，不能对此控制接口进行操作，只到接口处于“0”状态时为止；Address_Re为数据寄存器，用于存放NiosⅡ要访问AT24C02A器件内部单元的地址数据；Control_Re为控制寄存器，控制着接口电路启动或停止，“1”为启动，“0”停止；Data_Re为数据寄存器，用于存放传输的数据；Con_r／w_Re为控制寄存器，控制数据的传输方向，高电平为读(输入)，低电平为写(输出)。

3．2 逻辑功能模块设计
    在接口电路中，除了定义接口电路的寄存器组之外，还要利用硬件描述语言来描述接口电路要实现的功能，即逻辑功能模块的设计。接口电路要完成的主要功能是，用接口电路产生如图3所示的时序，成功读写外部存储器件。在本设计中，采用了有限状态机来实现这一功能，图4为本设计的各个状态之间转换状态图：当NiosⅡ要交换数据时，首先要读State_Re的值，并判定电路是否为“空闲”状态，只有状态机处在空闲状态，才允许进行一次读写操作，并修改状态寄存器的值为“忙”状态；当完成一次读写操作时，修改状态寄存器的值为“闲”状态。

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4 在NiosⅡIDE环境中软件设计
    打开NiosⅡEDS，并点击new菜单建立工程文件，在IDE环境中完成接口电路驱动程序编写。驱动程序主要的任务，是判断接口电路所处的状态，当接口电路处于“闲”状态时，设置好接口电路中的寄存器中的值，并启动一次读写操作。图5为驱动程序的算法流程图。

5 测试结果
    为了验证设计的正确性，对以上设计进行测试。在测试的过程中，可以利用嵌入式逻辑分析仪(SigalTapⅡLogic Analyzer)来分析信号时序，打开工程文件，点击File菜单，为本设计新建一个矢量波形文件(Vectorwaveform File)，把要测试的信号添加到此文件中来，并设置好相关参数，保存并编译系统，然后把系统的配制文件下载到EP1C6Q240C8可编程器件中等待调试，最后，在：NiosⅡ的ID E中，把驱动程序下载到可编程器件中，并在QuartusⅡ软件中打开矢量波形文件，观察被测信号的时序，图5为接口电路把数据为“11111111”写到地址为“10101010”单元中的时序图。从图可以看出，启动时序、数据传输时序和停止时序都满足I2C通信协议要求，验证了本接口电路的正确性。

6 结束语
    本文在讨论了I2C通信协议的基础上，重点介绍了AT24C02A读写接口电路设计方法，包括接口电路的寄存器定义、逻辑功能模块设计和驱动程序的编写，并利用嵌入式逻辑分析仪(SigalTapⅡLogic Analyzer)对本接口电路进行测试，测试结果表明，本设计满足设计要求，并在实际电路中得到应用。