基于VHDL硬件的I2C接口并行扩展及接口设计

1　前 言

I2C总线接口器件在视频处理、移动通信等领域的应用已经非常普遍。另外，通用的I2C总线接口器件，如带I2C总线的RAM，ROM，A/D，D/A，LCD驱动器等，也越来越多地应用于计算机及自动控制系统中。随着I2C接口器件越来越广泛的应用，8051系列单片机与他之间的通信越来越频繁。

8051系列单片机与I2C总线接口器件通信时，8051的通用口与I2C总线器件的SCL，SDA连接。根据I2C 总线数据传输协议，8051必须对其两个通用口进行频繁的置位、清零。根据基于51指令系统编制的汇编程序，传送一位数据，需要9个机器周期，而对于 8051，一个机器周期要耗费6个时钟周期，即用54个时钟周期才能传送一位数据。如此则极大地占用了CPU的工作时间，降低了系统的工作效率，导致I2C器件的优势难以显现。因此，有必要设计8051与I2C总线的专用接口电路。该接口电路能够对I2C总线上的数据进行自动收发，而CPU只需要通过并口访问该接口电路中的有关寄存器就可以实现与I2C器件的数据交换，从而使整个系统的性能得到提高。本设计用VHDL硬件描述语言为工具，用ALTERA公司的 MAXPLUSⅡ软件进行编译仿真，下载芯片为EPM7128SLC84-15。

2　设计目标和要求

为了提高数据传送的速度，设计一个I2C接口电路。8051不直接与I2C器件交换数据，而是通过并口与该I2C接口电路交换数据，I2C总线上的数据传送也通过该I2C接口电路来完成。从而通过CPU的外部存储器读写指令就可实现与I2C器件的数据交换，使对串口的操作用并口的方式来实现。

在I2C接口电路内部有一个控制寄存器CI0和一个数据寄存器CI1，即I2C接口电路占用两个地址。通过写控制寄存器CI0的内容实现对I2C接口电路的编程，读写数据寄存器CI1的内容实现与I2C器件的数据交换。在CI0中的内容定义了8051对I2C器件进行操作的类型（读或写）和I2C器件内地址的字节数等信息，使I2C接口电路能够识别从8051传来的数据是地址还是数据、8051将要发送数据还是接收数据以及数据的长度等。

如果8051要发送数据给I2C器件，则根据I2C总线协议，在数据CI1接收到第一个数据后启动I2C总线，然后将CI1中的数据进行并串转换后逐位发出，发出完毕后设置一个标志位，使8051知道可以发送下一个总线后首先写I2C器件内地址，然后进行数据接收，进行串并转换后将接收到的数据装入CI1中，再设置标志位，使8051知道可以读出数据。

根据上述设计要求，I2C接口芯片的引脚如图1所示。其中clk可以使用独立的时钟，使I2C总线的位传送速度远高于8051的位操作，从而可使I2C总线的数据传送接近并口的数据速率;a0是地址信号输入，a0=0时进行CI0写操作，当a0=1时进行CI1读/写操作;bz为标志输出位，bz=0时，8051需要等待，bz=1时8051可以对CI1操作。

I2C接口芯片在系统中的情况如图2所示。这里8051对I2C接口芯片操作使用了查询方式，也可以改用中断方式。

3　并行接口设计的实现

3.1　接口设计的内部结构

该芯片的内部结构图如图3所示。系统由控制寄存器CI0，数据寄存器CI1，并串转换，串并转换，移位寄存器以及I2C控制模块6部分构成。

3.2　方式控制字

8051向控制寄存器CI0写控制字，实现对I2C接口的编程控制。CI0的控制字格式如下所示：

A2，A1，A0位：对与8051相连的I2C器件组的片选（器件地址）。对应不同值时选择不同的器件通信。

R/W：用来控制8051对I2C器件的读写操作。1表示8051对I2C器件读数据;0表示8051对I2C器件写数据。

M1M0：当S=1时的4种工作方式：

①I2C总线未连接，要进行写操作。

②I2C总线未连接，要进行读操作。

③I2C总线已连接，换一个I2C器件或换新地址，要进行写操作。

④I2C总线已连接，换一个I2C器件或换新地址，要进行读操作。

S：工作控制位。当S=0时，关闭I2C总线，其他情况S=1。

DZS：指明8051对I2C器件读写的地址数。具体为：

0：8051对I2C器件内单字节地址读写。

1：8051对I2C器件内双字节地址读写。

3.3　I2C模块对I2C传输协议的实现

根据I2C数据传输协议，时钟为高电平时，数据线由高电平向低电平跳变，启动I2C数据传输。然后每到来一个时钟脉冲，传送一位串行数据，第8个脉冲到来后，已完成一个字节的传输，第9个脉冲时，发送应答信号。写数据时，I2C器件收到数据，发送应答信号;读数据时，8051收到数据，发送应答信号。数据传送过程中，时钟为高电平期间，数据线上的内容保持不变。数据传送完毕，应答结束后，需要用停止信号停止数据传输，时钟高电平时，数据线由低电平向高电　　55平跳变来实现此停止信号。

I2C模块实现I2C数据传输协议。start信号为1时，启动数据传输;write信号为1时，向I2C器件写数据，read信号为1时，向I2C器件读数据。

读写过程中，输出标志位flag、计数器dcnt，控制en的两位矢量，从而控制并串转换寄存器和串并转换寄存器的并入、移位、保持、清零操作。停止信号为1时，结束数据传输。

3.4　接口芯片的工作原理与控制过程

8051向控制寄存器CI0写控制字，实现对I2C接口的编程控制;向数据寄存器CI1写数据，实现对I2C接口的数据传输。

当bz=1时，8051才对数据寄存器读写，而每次读写后接口电路自动将bz置0，在接口电路完成有关操作等待8051的读写时将bz置1。

（1）I2C总线未连接，要进行写操作。8051的操作：

①写控制字W1;②当bz=1时写器件内地址第1字节;③当bz=1时写器件内地址第2字节…;④当bz=1时写第1字节…。

I2C的操作：

当接收到该控制字W1后操作为：①置bz=1，启动I2C总线;②根据控制字中的器件地址发出第1个字节（器件选择、写）;③发送器件内地址，置bz=1;④发送数据内容，置bz=1…。

（2）I2C总线未连接，要进行读操作。8051的操作：

①电路写控制字W2;②写器件内地址第1字节; ③当bz=1时写器件内地址第2字节…;④当bz=1时读第1字节…。

I2C的操作：

当接收到该控制字W2后操作为：①置bz=1，启动I2C总线;②根据控制字中的器件地址以出第1个字节（器件选择、写）;③发送器件内地址;④关闭I2C总线;⑤启动I2C总线;⑥第2次发送器件选择字节、读;⑦接收数据内容，置bz=1…。

（3）I2C总线已连接，换一个I2C器件或换新地址，要进行写操作。

8051的操作：

①写控制字W5;②当bz=1时写器件内地址第1字节;③当bz=1时写器件内地址第2字节…;④当bz=1时写第1字节…。

I2C的操作：

当接收到该控制字W5后操作为：①置bz=1，关闭I2C总线;②启动I2C总线;③根据控制字中的器件地址发出第1个字节（器件选择、写）;④发送器件内地址，置bz=1。

（4）I2C总线已连接，换一个I2C器件或换新地址，要进行读操作。

8051的操作：

①电路写控制字W6;②写器件内地址第1字节; ③当bz=1时写器件内地址第2字节…;④当bz=1时读第1字节…。

I2C的操作：

当接收到该控制字W6后操作为：①置bz=1，关闭I2C总线;②启动I2C总线;③根据控制字中的器件地址发出第1个字节（器件选择、写）;④发送器件内地址;⑤关闭I2C总线;⑥启动I2C总线;⑦第2次发送器件选择字节、读;⑧接收数据内容，置bz=1…。

4　结　语

扩展接口芯片设计采用VHDL语言实现，芯片设计的全部程序均通过ALTERA公司的MAXPLUSⅡ软件编译，仿真结果正确。编译、仿真后的VHDL 程序经下载线下载至EPM7128SLC84-15芯片，验证正确。设计的接口时钟要求6 MHz，可直接和单片机接口连接。

扩展后的接口，传送一位数据只需要4个时钟周期。扩展的接口，访问I2C器件的时钟可以自行设定，他们之间的通信不需要等待8051。一旦8051的并行数据送出，该接口可立即用自己设定的速度传送。从而该接口在8051和I2C器件之间通信时，数据的传送可达到并行的速度，这就是本接口扩展设计的最大优点。

由于使用的设计软件是ALTERA公司的MAXPLUSⅡ软件，下载仿真芯片为EPM7128SLC84该芯片延迟时间为15 s，延时时间过长;接口的设计本身对数据传输的时钟也可进一步减少，更进一步提高数据传输的速度。基于以上两点，还需要对本设计进一步优化，以期进一步提高性能与速度。