基于Verilog HDL的I2C总线分析器

数据通讯方向，第 4位为中断位，最后两位标识工作模式检测模式，共 8位。

　　3．2状态的产生和探测模块

　　根据协议，主机在 SCL高电平期间，在 SDA线上产生由 0到 1或由 1到 0的变化，前者代表开始条件，后者代表了停止条件。设计基于分频器完成，由控制信息模块可以产生所需 SCL信号，由 SCL信号倍频信号控制在 SCL信号高电平时产生 SDA信号。

　　在从机状态下，因为起始、停止条件是由 SDA在 SCL高电平期间改变来产生，所以设计中考虑用 SCL频率的 30、25或 16倍频来探测（高速模式下 56MHz可以由 PLL产生）。考虑在不同模式下采用不同倍频系数，虽然增加了设计复杂度和硬件的消耗，但从机能更精确地探测到起始和停止条件，提高系统性能。

　　3．3信息收集模块

　　系统作为从机，用系统时钟检测 SCL信号，确定主机的工作模式，并反映到状态寄存器。总线分析器由状态位产生相应采样时钟，在起始条件后采样主机发送的 7位从机地址、数据方向位（R/W）以及响应信息。

　　3．4器件地址模块

　　根据协议，每个 I2C器件都有独立地址。本设计有自定义 7位地址。如果信息收集模块中采样到地址与本地址一致，则作为从机操作。

　　3．5 FIFO读、写存储器

　　本设计中集成了两个 16×8的 FIFO，分别作为读、写存储器完成外部系统和 I2C总线数据传输。通过状态标志来控制产生中断，完成握手协议。如当接收 FIFO（读存储器）写满时，而外部系统端没有及时读走数据，如果继续从 I2C总线读取数据，就会丢失数据。通过 FULL标志，控制 I2C总线不产生响应，使之处于等待状态，直到系统读走数据。 FIFO硬件设计通过调用可编程器件内部存储器单元实现。

　　3．7 主系统状态机

　　这是 I2C总线分析器的核心单元，需要完成在被动模式、主机模式和从机模式下状态转换和控制，根据控制寄存器中控制字，采用有限状态机嵌套设计完成。状态机编码采用独热编码，有利于提高传输速度并节省面积。

　　I2C总线分析器状态转移如图 2所示，整个过程受控制字和状态寄存器调节。图中主要描述了作为主机模式下状态变换，从机模式下，在准备阶段需要加上 I2C总线识别、器件地址识别，其它过程与主机相似，这里不详细描述。

　　下面以控制 VGA视频采集芯片 TMS8083为例说明：通过写 0x80h到控制寄存器来初始化系统；接着写入 0x92h作准备工作，进入主机状态、采用标准模式传输数据、对总线进行写数据、数据传输响应位：0；系统将要发送到总线的数据先写入 FIFO写存储器。 VGA采集系统采用 1024×768 at 60Hz → fpix=65.0MHz，N=1344模式，芯片地址和状态控制寄存器配置如下： 0x80h（器件地址和写状态标识）、0x00h（子地址）、0x40h、0x05h、0xeah、0xffh、0x90h、0xe1h、0x00h、0x03h、0x01h；将以上数据写入 FIFO后，向控制寄存器写入 0xd2h实现总线上起始条件；随后进入数据的传输阶段；数据传输完成，写 0xb2h到控制寄存器在总线上产生停止条件。

　　另外，采用移位寄存器完成数据接收和发送模块设计，最后，由顶层完成各模块时序控制，重点在于时钟信号管理，以达到同步目的。

　　4 验证

　　采用 Verilog HDL语言完成设计输入，用仿真工具在硬件编程前验证设计，综合下载编程后用逻辑分析仪检验硬件功能。QuartusII工具提供了完成设计开发平台

　　4．1

　　仿真 I2C总线分析器主要有主机写操作、读操作和作为从机写操作、读操作功能。采用 Verilog HDL语言建立测试平台，联合 ModelSim完成功能和时序验证。

　　图 3波形验证了主机向从机发送地址和写数据的过程：发送 7位地址 0x40h和写控制字0，即0x80h、8位数据 0xa8h。在 I 2C总线上，首先产生起始条件，接着发送从机地址和写控制信号，采样响应信号后再发送数据，响应后产生停止条件。由下图的波形分析，主机能正确的发送地址和数据，应对从机响应。

　　下面测试作为从机接收数据，检测I 2C总线信息，探测起始条件，接收从机地址和R/W，地址不同无响应，地址相同产生响应信号，并开始接收数据。I 2C总线分析器的地址定义为0x50h。仿真波形如图 4所示。由上图的波形说明设计能够很好完成作为从机的功能。

　　4．2 硬件验证

　　采用 Altera Cyclone器件 EP1C12验证硬件。通过下载编程，调用 SignalTapII Logic Analyzer工具，实时观察设计的内部信号波形。

　　图 5显示了由逻辑分析仪得到的结果。I 2C总线分析器作为主机很明显能够驱动总线，向从机发送从机地址、命令和数据，符合对 TMS8083应用中传输数据描述，能进行正确通讯。

　　5 总结

本文作者创新点：提出了一种新的应用于医疗监护仪扩展接口的 I 2C总线分析器，具有低功耗、便携