IIC通信协议详解 & PCF8591应用(Verilog实现FPGA) |
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IIC通信协议详解 & PCF8591应用(Verilog实现FPGA)
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IIC通信协议详解 & PCF8591应用(Verilog实现/FPGA)
该文章结合PCF8591 8-bit AD/DA 模数/数模转换器来详细介绍IIC通信协议，尽量做到条理清晰，通俗易懂。该文图片均从PCF8591手册中截取，一定程度上引导读者学习阅读data sheet。 之后可能会更新如何将IIC的Verilog实现变为一个IP核，并在pynq-Z2板子上使用。 1. PCF8591引脚
在I2C总线系统中，每个PCF8591设备都通过发送一个有效地址来激活。地址由固定部分和可编程部分组成。可编程部分必须根据地址引脚A0、A1和A2进行设置。在I2C总线协议中，地址必须始终作为起始条件后的第一个字节发送。地址字节的最后一位是读/写位，它设置了后续数据传输的方向。 在市面上我们所购买到的PCF8591 模数/数模转换器已经被集成到了PCB板上，根据博主的调研，其PCB的原理图绘制如上图所示。 其中A0，A1，A2均接GND，所以在进行DA转换时，发送的写地址位应为8‘h90；在进行AD转换时，先发送的写地址位应为8’h90，再发送读地址位为8‘h91。 2.2 控制位发送到PCF8591设备的第二个字节将被存储在其控制寄存器中，并用于控制设备功能。 控制寄存器的高四位用于启用模拟输出，并将模拟输入编程为单端或差分输入。低四位选择由高四位定义的一个模拟输入通道。 如果设置了自动递增标志，每次A/D转换后通道号将自动递增。 如下图所示，假设我们要进行D/A转换，即将数字信号输入转换为模拟信号输出： 我们要允许模拟输出，即把control byte第6位（从0开始，从右往左数）设为1；此时不需要模拟信号输入，所以将第5位和第4位均设为0；第1位和第0位为选择的模拟输出通道，在这里我们选择channel 0通道输出，则第1位和第0位为00；不需要自动递增，则将第2位设为0。综上所述，我们需要发送的control byte为8‘b0100_0000，即8’h40。 假设我们要进行A/D转换，即将模拟信号输入转换为数字信号输出： 我们要关闭模拟输出，即把control byte第6位（从0开始，从右往左数）设为0；此时需要模拟信号输入，选择每个信号均为单通道输入，所以将第5位和第4位均设为0；第1位和第0位为选择的模拟输入通道，在这里我们选择channel 0通道输出，则第1位和第0位为00；不需要自动递增，则将第2位设为0。综上所述，我们需要发送的control byte为8‘b0000_0000，即8’h00。
发送到PCF8591设备的第三个字节存储在DAC数据寄存器中，并使用芯片内的D/A转换器将其转换为相应的模拟电压。 D/A转换序列的波形如下图所示。在PCF8591的D/A转换中，我们需要先发送写地址位8’h90，再发送控制位8‘h40，最后再发送想要转换的数字信号数据。
A/D转换器采用逐次逼近转换技术。在发送有效的读取模式地址到PCF8591设备后，始终会启动A/D转换周期。 A/D转换周期在应答时钟脉冲的下降沿触发，并在传输上一次转换的结果时执行，详情参见下图所示。 一旦触发了转换周期，所选通道的输入电压样本将存储在芯片上，并转换为相应的8位二进制代码。 转换结果存储在ADC数据寄存器中，并等待传输。如果设置了自动递增标志，则选择下一个通道。 A/D转换序列的波形如下图所示。
在有了上面的基本认识后，我们开始详细介绍IIC通信协议中SDA和SCL的波形。 在开始D/A转换时，即IIC通信中主设备向从设备发送信号，我们需要模拟主设备的SDA和SCL信号。 在该例子中主设备可以为包括FPGA在内的任意设备，而从设备为PCF8591，其他从设备也可以类比。 3.1 空闲状态如下图所示，在总线空闲时，数据线（SDA）和时钟线（SCL）都保持高电平。 3.2 开始状态（START condition）如下图所示，当D/A转换开始时，时钟线（SCL）仍为高电平，数据线（SDA）从高电平跳变到低电平，这被定义为起始条件。 从设备在检测到起始条件后，会等待主设备发送地址和读/写位，以确定是否需要参与到通信过程中。
如2.1部分及2.2部分所说，在PCF8591的D/A转换中，我们需要先发送写地址位8’h90，再发送控制位8‘h40，最后再发送想要转换的数字信号数据。 归根结底，我们向从机发送地址位、控制位和数字信号数据其实都是在向从机写入数据，并且每个数据都是8-bit，所以在这三个阶段时钟线（SCL）和数据线（SDA）所遵循的规则是一样的。
在IIC通信协议中，发送数据过程中，SCL信号为低电平时SDA信号可以发生变化，而在SCL为高电平时，SDA信号有效，应保持不变，所以SDA信号1bit、1bit地传输数据时，SCL信号也对应地由低变高再由低边高。 ！！！！！！！！！！！！！！！！！！！以下开始为重点！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！ 如上图所示，承接开始状态时SDA从高电平跳转为低电平，向从机发送数据，写状态开始。 在开始状态SDA变为低电平后，SCL需要至少经过 t H D ; S T A t_{HD;\ STA} tHD; STA μ s \mu s μs，即4.7 μ s \mu s μs后才能下拉为低电平。并且SCL低电平的时间至少要持续 t L O W t_{LOW} tLOW μ s \mu s μs，即4.7 μ s \mu s μs才能再度变为高电平，在这期间，SDA开始传输数据，即这段时间内SDA信号可以发生变化。在 t L o w t_{Low} tLow μ s \mu s μs过去后，SCL变为高电平，此时SDA信号有效（即SDA所表示的0、1数据被写入从机对应的寄存器中），SCL高电平的时间至少维持 t H I G H t_{HIGH} tHIGH μ s \mu s μs，即4.0 μ s \mu s μs。在此期间SDA信号不能发生改变，否则会导致信号传输错误。在 t H I G H t_{HIGH} tHIGH μ s \mu s μs过去后，SCL又变为低电平，此时进入下 1 bit的传输，重复1~4步骤的内容，循环8次，直到传输完8-bit的数据为止（每循环一次代表传输1bit）。在传输完8-bit的数据后，从机会返回一个Acknowledge信号（ACK信号，即应答信号），此时主机应该释放SDA信号线（特别注意，SDA信号线是inout类型，可以由外部传输数据进来，也可以由内部传输信号出去），以便从机控制SDA信号线传输ACK信号（应答信号），即该阶段的SDA信号线表示的是ACK信号。如果ACK信号为低电平时（因为SDA信号线在默认状态下会被拉为高电平，所以将下拉为低电平作为有效信号），说明传输成功，可以继续进行下一个8-bit数据的传输或是结束传输，转为终止状态（STOP condition）；如果ACK信号为高电平时，说明传输失败，转为空闲状态。在接收ACK信号时，SCL信号和在发送1 bit的数据时一样，先经过 t L O W t_{LOW} tLOW μ s \mu s μs变为高电平，再经过 t H I G H t_{HIGH} tHIGH μ s \mu s μs后变为低电平，此时ACK信号接收完成。 3.4 终止状态（STOP）在终止状态时SCL信号先变成高电平，在至少经过 t S U ; S T O t_{SU;\ STO} tSU; STO μ s \mu s μs，即4.0 μ s \mu s μs后SDA才能变为高电平，至此D/A转换结束，IIC通信协议结束。 3.5 D/A转换代码（Verilog实现） module DAC_I2C ( input clk_in, //系统时钟 input rst_n_in, //系统复位，低有效 output reg dac_done, //DAC采样完成标志 input [7:0] dac_data, //DAC采样数据 output scl_out, //I2C总线SCL inout sda_out //I2C总线SDA ); parameter CNT_NUM = 15; localparam IDLE = 3'd0; localparam MAIN = 3'd1; localparam START = 3'd2; localparam WRITE = 3'd3; localparam STOP = 3'd4; //根据PCF8591的datasheet，I2C的频率最高为100KHz， //我们准备使用4个节拍完成1bit数据的传输，所以需要400KHz的时钟触发完成该设计 //使用计数器分频产生400KHz时钟信号clk_400khz //其中CNT_NUM控制分配器的分频，例如如果FPGA的时钟为50MHz，则CNT_NUM = 125，因为400K*125 = 50MHz reg clk_400khz; reg [9:0] cnt_400khz; always@(posedge clk_in or negedge rst_n_in) begin if(!rst_n_in) begin cnt_400khz = CNT_NUM-1) begin cnt_400khz = CNT_NUM-1) begin cnt_400khz |
现在详细解释一下，在一个发送8-bit数据时，SDA和SCL的信号变化（数据由高位到低位传输）。【本文地址】