基于Verilog HDL的I2C总线分析器

提出了采用Verilog HDL 设计I2C 总线分析器的方法，该I2C 总线分析器支持三种不同的
工作模式：被动、主机和从机模式，并提供了嵌入式系统设计接口。通过硬件总体框架分析，分模块输入，经过仿真、逻辑综合和FPGA 硬件验证表明，该总线分析器与其它常用接口方式相比具有低功耗、占用资源少和功能完备等特点，并较少占用微处理器指令周期，应用在医疗检测系统中解决了增加可靠扩展平台问题。
在医疗保健、临床医学和医疗救护中，血氧、心电、血压、呼吸、脑电波等生理信号都是非常重要的指标。针对临床应用，已经报道了将血氧、血压等检测应用于咽喉、食管等体内循环[1]，提高了准确性和及时性[2]，这种方法正处在研究阶段，I2C 总线分析仪可以扩展医疗监测仪实现包括体外循环的多种方法同时检测和比较。现在医疗仪器短缺，一台带I2C 扩展接口的监测仪可实现多人同时使用，资源得到有效利用。可见，实时、准确记录各项人体基本体征参数，同时具有便携式特点的医疗监测仪对健康监护、检测技术和医学研究具有重大意义。如何扩展医疗检测仪的功能成为热点问题。
目前扩展检测仪接口的方法很多，多通道是最常用的方法，具有数据通道相对独立，有很强的抗干扰能力和设计复杂度优势，但体积较大，资源浪费多，不适合便携式处理。I2C 总线是一个工业标准同步串行数据通讯总线，被广泛应用在消费类电子和嵌入式系统产品中[3]，例如：数据转换器、EEPROM、传感器等等。相比现今流行的并口、SPI、USB 等接口，虽然I2C 有相对较低的带宽[4]，但功能多样化，广泛应用于信号处理器的控制接口设计。而且血氧饱和度有效信号基频在1Hz 左右，血压、呼吸、脑电波等生理信号的基频几十赫兹范围内。多种信号同时采集完全可以实现。同时应用I2C 总线还有以下优点：一是各部分电路之间的连接变得非常简单，省去控制系统中的许多输入/输出接口，可靠性好；二是由于I2C 总线具有多种工作模式，利用软件可以十分方便进行调整和测试，增加功能；三是I2C 总线具有良好的扩展性，支持多主机通讯[5]。本文描述了采用Verilog HDL语言设计一种I2C 总线分析器的硬件电路结构和它们主要特点，采用此设计可以实现多种传感器信号采集，方便实现与微处理器的接口设计，可重用性好，可以作为IP 核使用。