基于FPGA的I2C控制模块设计

I2C_WRITE_WDATA.v模块实现I2C写时序，I2C_Controller (I2C控制器)例化了I2C_WRITE_WDATA.v模块，同时增加了I2C数据线SDA的三态缓冲电路。I2C_HDMI_Config.v 是顶层模块，该模块例化了I2C_Controller模块，对系统时钟进行了分频，并控制寄存器的配置。

1 I2C写操作的Verilog实现

I2C_WRITE_WDATA.v是一个I2C写数据模块，用于通过I2C总线向从设备ADV7513写入数据。

该模块接口定义如下：

该模块实现了一个状态机，其功能是向从设备写入多个字节数据。它按照I2C协议生成起始条件、发送从设备地址(包括读/写位)、发送数据字节以及产生停止条件。同时，它还会检测从设备的应答信号，并在传输完成后给出结束信号。具体过程如下图：

为了能更好的理解这个状态机的控制逻辑，下面画出I2C传输某个寄存器的过程波形如下：

2 I2C的三态门电路Verilog实现

I2C_Controller.v里面例化了一个I2C_WRITE_WDATA.v模块：

该模块将I2C_WRITE_WDATA.v模块的SDAI 和SDAO 之间增加了一个三态门电路：

在I2C_WRITE_WDATA模块中，SDAO是输出信号，用于控制数据线的输出状态。当需要输出高电平时，SDAO设置为1，使得I2C_SDAT为高阻，由上拉电阻拉高;当需要输出低电平时，SDAO设置为0，将I2C_SDAT拉低。同时，I2C_WRITE_WDATA模块还接收SDAI(即I2C_SDAT)作为输入，用于读取总线上的实际状态(例如检测ACK信号)。

3 I2C配置寄存器的Verilog设计

这是一个HDMI的寄存器配置模块，它使用了一个查找表(LUT)来存储配置数据，然后通过I2C控制器(实现了I2C协议)对HDMI transmitter的寄存器逐个进行写入配置。

时钟分频

一般FPGA开发板板载系统时钟是50MHz， 但是I2C 的时钟不能太高，从手册上看， 最大不能超过400KHz，所以设计代码的时候需要分频。

Verilog代码里面将50MHz时钟分频为20KHz时钟：

配置寄存器

寄存器配置的值通过查找表(LUT)来存储， 代码里面主要配置了31个寄存器，其他的没有配置的就表示使用的是默认的配置，有关于ADV7513的寄存器查找请参考2 ADV7513寄存器配置章节。

寄存器数据的配置采用一个三状态的状态机去控制：

状态机完整代码如下：

这个状态机确保了HDMI配置数据的可靠传输，具备完整的错误处理和重试机制，是HDMI初始化过程中的核心控制逻辑。

I2C设备地址

ADV7513的PD引脚接2K电阻到地：

参考ADV7513_Hardware_User's_Guide_R0.pdf文档可知其I2C读、写地址是0x72/0x73：

HDMI_TX_INT信号

HDMI_TX_INT信号低电平有效，具体描述可以参考ADV7513_Hardware_User's_Guide_R0.pdf的第17页：

在DE10-Nano的开发板电路中，

该引脚默认被拉高到3.3V，当触发中断事件发生时，由软件控制该信号发生电平变化。

I2C_HDMI_Config.v文件里面设置若HDMI_TX_INT信号为低电平，则重新配置寄存器：