如何使用Modelsim仿真I2C控制器

ModelSim是Model Technology（Mentor Graphics的子公司）的HDL硬件描述语言的仿真软件。该软件可以用来实现对设计的VHDL、Verilog HDL 或是两种语言混合的程序进行仿真。这里的仿真是对设计进行功能仿真（也称之为前仿真），其目的是验证电路功能是否符合设计要求。

本篇主要是对I2C_Controller模块进行功能仿真。test_bench的核心是模拟FPGA给出数据24'h729803，同时也模拟I2C外设来接收该数据并给出应答反馈。

1. 首先用Quartus打开HDMI_block_move工程(HDMI_block_move工程下载链接:https://pan.baidu.com/s/1XxFFj-3UTfB_Er-yz0f_Cg提取码: tera)，然后在该工程路径下新建一个Verilog test bench仿真文件。右击File——New， 选择Verilog HDL File，然后点击OK：

2. 将下面代码拷贝到新建的.v文件当中：

`timescale 1ns/1ps


module tb_I2C_Controller();
 // 输出信号定义
 regCLOCK;
 reg [23:0]I2C_DATA;
 regGO;
 regRESET;


// 双向信号定义（I2C_SDAT需要上拉电阻模拟总线特性）
 wireI2C_SDAT;
 reg sdat_drive; // 用于模拟从机应答的驱动信号


// 输入信号定义
 wireI2C_SCLK;
 wireEND;
 wireACK;


// 上拉电阻模拟（I2C总线默认高电平）
 assignI2C_SDAT=sdat_drive?1'bz :1'b0;


// 例化被测试模块
I2C_Controlleruut (
 .CLOCK(CLOCK),
 .I2C_DATA(I2C_DATA),
 .GO(GO),
 .RESET(RESET),
 .I2C_SDAT(I2C_SDAT),
 .I2C_SCLK(I2C_SCLK),
 .END(END),
 .ACK(ACK)
);


reg [7:0] cnt_I2Cclk;  
// 时钟生成（100MHz，周期10ns）
initial begin
CLOCK=0;
 forever #5CLOCK=~CLOCK;
end


// 主仿真过程
initial begin
// 初始化信号
I2C_DATA=24'h729803; // 待写入的目标数据
GO=0;
RESET=0;
 sdat_drive=1; // 初始释放总线（上拉为高）


// 复位过程
 #20RESET=1; // 20ns后释放复位


// 等待模块进入空闲状态
 #50;


// 启动I2C写入过程
GO=1;
 #10GO=0;   // 提供一个时钟周期的GO脉冲
 cnt_I2Cclk=0;   
// 模拟从机应答（在每个字节传输的第9个时钟周期拉低SDA）
// 监控时钟线，在需要应答时拉低SDA
 forever @(negedgeI2C_SCLK) begin
  cnt_I2Cclk<= cnt_I2Cclk +1 ;
    if (cnt_I2Cclk == 29) begin
      $stop;
    end
    if (uut.CNT == 8) begin  // 第9位传输时
      sdat_drive = 0;  // 产生应答信号（低电平）
    end 
    else begin
      sdat_drive = 1;  // 其他时间释放总线
    end
  end        
end
endmodule

3. 点击Save按钮，将文件保存为tb_I2C_Controller.v。
4. 安装Quartus软件的时候也记得安装Modelsim 工具（这些安装步骤在后期文章里面会发布），接下来要将Modelsim 的安装路径设置一下就才可以在仿真时自动调用指定的仿真工具。首先是在Tools菜单下面找到Options：

5. 在弹出的对话框中选择EDA Tool Options ，点击...指定软件路径： D:intelFPGA_lite17.1modelsim_asewin32aloem：

6. 接下来设置仿真文件路径。点击Assignments——Settings：

7. 点击 Simulation，仿真工具选择ModelSim-Altera, 然后点选Compile test bench圆圈，点击Test Benches...

8. 点击New...

9. 然后填写Test bench name 名称为tb_I2C_Controller，接着点击File name处对应的...按钮：

10. 选择tb_I2C_Controller.v文件，然后点击Open：

11. 接着点击Add将仿真文件添加到Test Bench，依次点击OK、OK、Apply和 OK退出窗口：

12. 在仿真之前要先点击Start Analysis&Synthesis按钮进行分析和综合：

13. 再点击Tools——Run Simulation Tool_RTL Simulation进行仿真：

14. 点击Zoom Full按钮将显示全部波形。

15. 最后波形生成如下：

通过波形可以看到，用于触发I2C写操作的GO信号拉高一个时钟周期后，I2C开始写数据的操作。现在要写的数据是24'h729803，二进制是0111_0010_1001_1000_0000_0011， 将波形放大分三段截图将看到如下内容：

数据发送的状态循环是ST=2 → ST=3 → ST=4 → ST=5 → ST=2，这个循环发送1位数据，共循环9次（8位数据+ACK），第9位（1'b1）是确保在第9个时钟周期主机释放SDA总线。