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FPGA教学——FPGA实现IIC协议

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一. 简介

  这是FPGA之旅设计的第五例啦!今天给大家带来的是IIC通信,IIC协议应用非常广泛,例如与MPU6050进行通信,配置OV5640摄像头、驱动OLED屏幕等等,都需要使用到IIC协议,所以掌握它是非常必要的,废话不多说,接着往下看。文末获取完整代码。

  二. IIC简介

  IIC协议分为主机和从机,所有的请求都是由主机发出,从机进行响应,从机是没有办法对主机进行读或写的。IIC协议共有两根线,数据线SDA和时钟线SCL,两根线就可以完成所有的通信请求,简直是太给力了。

  三. IIC协议

  终于到了IIC协议的部分。IIC协议简单来说,共有五种状态,这五种状态的有序组合就组成了完整的IIC通信,学习IIC协议,就是学习这五种状态。

  空闲态:  SCL 和 SDA 都为高电平,不进行通信的时候。

  起始态:在SCL为高电平的时候,将SDA拉低,主机通知从机,开始进行通信。

  数据传输态:数据传输态,又可以分为读和写两个部分,过程都是一样的,就合在一起了,都是在SCL为低电平的时候,SDA将数据发送,在SCL为高电平的时候,将数据接收。

  (非)应答态:数据传输态完成后,必须接一个应答态或者非应答态,为了确定对方接收到了数据。在SCL为高电平的时候,检测到SDA为低电平,则为应答,否则为非应答。

  停止态:一次数据传输完成,由主机发起,在SCL为高电平的时候,SDA由低电平变成高电平。

  了解了这五种状态后,接下来就要学习如何使用这五种状态来进行读写操作了。

  (一)  IIC写操作

  下面就是一个完整的写操作,共包含三次数据传输态,第一次发送的是从机地址 + 0,第二次发送的是寄存器的地址,第三次写的是数据,写入寄存器中的数据。从机地址一般为7bit,与另外一bit共同组成8bit,0表示写,1表示读。

  微信截图_20220823161653.png  

  (二)IIC读操作

  读操作要比写操作复杂一点,需要的状态多一些。一共有五个数据传输态,状态图如下了。

  微信截图_20220823161712.png

  上面的流程图都是对从机的地址为7位以及从机的寄存器地址为8位的操作。

  四. Verilog代码实现

  有了上面的各个状态中,SDA和SCL的变换关系,以及读写的序列,就可以很方便的来写程序啦。

  1. 首先,当然离不开状态机,根据上面叙述的五种状态,编写状态机,状态机中,将数据传输态分成了读和写两种状态。有了各个状态,操作SDA和SCL两根线不是易如反掌嘛!

  /*IIC 状态*/

  localparam IIC_IDLE       =   6'b000_001;  /*空闲态*/

  localparam IIC_START      =   6'b000_010;  /*起始态*/

  localparam IIC_WRDATA     =   6'b000_100;  /*写数据态*/

  localparam IIC_RDDATA     =   6'b001_000;  /*读数据态*/

  localparam IIC_ACK        =   6'b010_000;  /*应答态*/

  localparam IIC_STOP       =   6'b100_000;  /*停止态*/

  2. 状态机的跳转条件如下,跳转条件和上面叙述的一样。单独看这个有点难懂,有些变量不明白其具体含义,可以结和仿真图形和完整代码进行理解。

  /*状态机*/

  always @(*)

  begin

  case(state)

  IIC_IDLE:

  if(IICWriteReq == 1'b1 || IICReadReq == 1'b1)

  next_state <= IIC_START;

  else

  next_state <= IIC_IDLE;

  IIC_START:

  if(IICCnt == (IIC_Pre * 'd2))

  next_state <= IIC_WRDATA;

  else

  next_state <= IIC_START;

  IIC_WRDATA:

  if(IICBitCnt == 'd8 && IICCnt == IIC_Pre /4 && iicCLK == 1'b0)

  next_state <= IIC_ACK;

  else

  next_state <= IIC_WRDATA;

  IIC_RDDATA:

  if(IICBitCnt == 'd8 && IICCnt == IIC_Pre /4 && iicCLK == 1'b0)

  next_state <= IIC_ACK;

  else

  next_state <= IIC_RDDATA;

  IIC_ACK:

  if(IICACKStopCnt == 'd1 && IICCnt == IIC_Pre /4 && iicCLK == 1'b0)

  if(IICSendBytes == 'd3)

  if(IICWriteReq == 1'b1)         /*三个字节发送完成,进入停止态*/

  next_state <= IIC_STOP;

  else

  next_state <= IIC_RDDATA;

  else if(IICSendBytes == 'd2 && IICReadReq == 1'b1)

  next_state <= IIC_START;

  else if(IICSendBytes == 'd4)

  next_state <= IIC_STOP;

  else

  next_state <= IIC_WRDATA;

  else

  next_state <= IIC_ACK;

  IIC_STOP:

  if(IICACKStopCnt == 'd1 && IICCnt == IIC_Pre/4 && iicCLK == 1'b1)

  next_state <= IIC_IDLE;

  else

  next_state <= IIC_STOP;

  default:  next_state <= IIC_IDLE;

  endcase

  end

  各个部分实现的详细代码,就不列举出来啦,代码总计280多行,也不算多。通过本IIC模块,可以驱动OV5640摄像头,MPU6050模块和0.96寸OLED屏幕等等,后续会基于此模块,来驱动这些外设。

  五. testbeach编写

  还是按照流程走,编写完模块后,进行一下仿真,还真有错误,幸亏仿真了,哈哈哈。

  `timescale 1ns/1ps

  module testbench();

  reg  clk;

  reg  rst;

  wire  SDA;

  wire  SCL;

  reg IICWriteReq;

  reg IICReadReq;

  wire IICWriteDone;

  wire IICReadDone;

  always # 50 clk = ~clk;

  initial begin

  clk = 1'b1;

  rst = 1'b1;

  IICWriteReq = 1'b0;

  IICReadReq = 1'b1;

  #100   /*手动复位*/

  rst = 1'b0;

  #100

  rst = 1'b1;

  end

  always@(posedge clk)

  if(IICReadDone == 1'b1)   /*读完成后,readReq为0,只进行一次读写操作*/

  IICReadReq <= 1'b0;

  else

  IICReadReq <= IICReadReq;

  IIC_Driver  IIC_DriverHP(

  .sys_clk            (clk),           /*系统时钟*/

  .rst_n              (rst),             /*系统复位*/

  .IICSCL             (SCL),            /*IIC 时钟输出*/

  .IICSDA             (SDA),             /*IIC 数据线*/

  .IICSlave           ('h1234),

  .IICWriteReq        (IICWriteReq),       /*IIC写寄存器请求*/

  .IICWriteDone        (IICWriteDone),      /*IIC写寄存器完成*/

  .IICWriteData        ('h5a), /*IIC发送数据 8bit的从机地址 + 8bit的寄存器地址 + 8bit的数据(读忽略,后默认为0)*/

  .IICReadReq         (IICReadReq),        /*IIC读寄存器请求*/

  .IICReadDone        (IICReadDone),       /*IIC读寄存器完成*/

  .IICReadData        ()/*IIC读取数据*/

  );

  endmodule

  需要完整代码的可以关注微信公众号 FPGA之旅 回复 :FPGA之旅设计99例之第五例


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电子技术应用专栏作家  FPGA之旅

原文链接:https://mp.weixin.qq.com/s/3qwZRqjHEZzj4V8uMo0T4g