基于Wolfson音頻SoC的I2C總線接口設(shè)計(jì)

引言

I²C（Inter-IntegratedCommunication），單線是Philips公司開(kāi)發(fā)的一種高效、簡(jiǎn)單、雙向、兩線制同步串行總線，它僅需要兩根線（串行數(shù)據(jù)線SDA和串行時(shí)鐘線SCL）即可為連接到總線的設(shè)備提供簡(jiǎn)單有效的數(shù)據(jù)交換方式該總線可將各電路分割成各種功能的模塊，并進(jìn)行軟件化設(shè)計(jì)，各個(gè)功能模塊電路內(nèi)部都集成有一個(gè)I²C總線接口電路，故可連接在總線上，從而很好地進(jìn)行眾多功能模塊與MCU之間的輸入輸出接口，并使連接方式變得簡(jiǎn)便，同時(shí)可靈活地實(shí)現(xiàn)在線配置。本文采用VerilogHDL設(shè)計(jì)了一個(gè)FC總線的控制模塊，該模塊能夠?qū)崿F(xiàn)FC的所有功能。此外,該模塊可作為一個(gè)軟核來(lái)方便地嵌入到音頻SoC系統(tǒng)中，這就是當(dāng)前非常流行的兩線總線。

1 I²C總線原理

通常將FC總線主從機(jī)之間的一次數(shù)據(jù)傳送稱為一幀，一幀數(shù)據(jù)一般由啟動(dòng)信號(hào)、地址碼、若干數(shù)據(jù) 字節(jié)、應(yīng)答信號(hào)位以及停止信號(hào)等組成。SDA和 SCL都通過(guò)一個(gè)電流源或者上拉電阻連接到正的電 源電壓，圖1所示是rc總線上標(biāo)準(zhǔn)模式器件和快速 模式器件之間的連接電路，由圖1可見(jiàn)，當(dāng)總線空閑 時(shí)，這兩條線路都是高電平，連接到總線的器件輸出 級(jí)必須是漏極開(kāi)路或者集電極開(kāi)路才能執(zhí)行“線與” 的邏輯功能。串行8位雙向數(shù)據(jù)傳輸位速率在rc 總線的標(biāo)準(zhǔn)模式下，其速率可達(dá)100 Kb/s,快速模式 下可達(dá)400 Kb/s,高速模式下可達(dá)3. 5 Mb/s。

在I²C總線上發(fā)送數(shù)據(jù)的操作（針對(duì)WM8731/8731L類似的設(shè)備）過(guò)程一般可為4步：

第一步，啟動(dòng)START信號(hào)，接著寫(xiě)一個(gè)字節(jié)的設(shè)備地址,地址字節(jié)的高7位是設(shè)備有效地址，地址字節(jié)的最低1位代表準(zhǔn)備寫(xiě)（低電平），然后等待ACK應(yīng)答；

第二步，應(yīng)繼續(xù)寫(xiě)一個(gè)字節(jié)的rc設(shè)備內(nèi)部數(shù)據(jù)訪問(wèn)地址,然后等待發(fā)出ACK；

第三步即可開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù),發(fā)送的數(shù)據(jù)可以是一個(gè)字節(jié)，也可以連續(xù)發(fā)送N個(gè)字節(jié)，每發(fā)送完一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù),都需要等待一個(gè)應(yīng)答ACK信號(hào)；

最后發(fā)送的是一個(gè)STOP信號(hào)，以結(jié)束發(fā)送操作。

在I²C總線上接收數(shù)據(jù)的操作（針對(duì)WM8731/8731L類似的設(shè)備）過(guò)程如下：

第一步，也是啟動(dòng)START信號(hào),接著寫(xiě)一個(gè)字節(jié)的設(shè)備地址，地址字節(jié)的高7位是設(shè)備有效地址，地址字節(jié)的最低位代表準(zhǔn)備寫(xiě)（低有效），然后等待ACK應(yīng)答；

第二步，繼續(xù)寫(xiě)一個(gè)字節(jié)的I²C器件內(nèi)部數(shù)據(jù)訪問(wèn)地址，并等待ACK；

第三步，再次啟動(dòng)START信號(hào)，此時(shí)再寫(xiě)一個(gè)字節(jié)的設(shè)備地址，這個(gè)設(shè)備地址字節(jié)的最低1位若為高電品，則代表準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)；

第四步，開(kāi)始接收數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可以是接收一個(gè)字節(jié)，也可以連續(xù)接收N個(gè)字節(jié)。在接收前面的N—1個(gè)字節(jié)后，每接收一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，都要產(chǎn)生一個(gè)ACK；

第五步，在接收最后一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)前停止控制器生成ACK信號(hào),然后等待最后一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)就緒后，再讀??；

最后，發(fā)送一個(gè)STOP信號(hào)，以停止接收操作。

2 I²C總線的接口設(shè)計(jì)

2.1  總體內(nèi)部架構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3所示為rc總線接口中ip核的總體結(jié)構(gòu)。該接口主要包括時(shí)鐘發(fā)生器，字節(jié)命令控制器、位命令寄存器、數(shù)據(jù)I/O移位寄存器、發(fā)送與接收寄存器等幾部分。

時(shí)鐘發(fā)生器可用于產(chǎn)生時(shí)鐘使能信號(hào)，該信號(hào)可觸發(fā)位命令控制器的所有時(shí)鐘同步操作。

字節(jié)命令控制器承擔(dān)著I²C接口字節(jié)數(shù)據(jù)的傳輸任務(wù)。它從I²C寄存器中的命令寄存器中讀取操作命令。這些命令可通過(guò)設(shè)置該寄存器中的某些位來(lái)完成，并且都是以字節(jié)為單位。

位命令寄存器負(fù)責(zé)總線上實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸工作，包括START和STOP_o這些操作可通過(guò)控制SCL和SDA線來(lái)實(shí)現(xiàn)。

數(shù)據(jù)I/O移位寄存器中存儲(chǔ)著當(dāng)前數(shù)據(jù)傳輸所需要的數(shù)據(jù)。如果是讀操作，移位寄存器將接收從SDA線上的逐位數(shù)據(jù);如果是寫(xiě)操作，移位寄存器則將該數(shù)據(jù)逐位發(fā)送到SDA線上。

2.2 I²C接口控制器

I²C總線是通過(guò)二根線來(lái)連在器件之間進(jìn)行通信的總線，它可根據(jù)地址識(shí)別每個(gè)器件。每個(gè)I²C設(shè)備都有自己固定的硬件地址。對(duì)于芯片WM8731/WM8731L的FC總線它的兩個(gè)從地址為001_1011和001_1010_oWM8731設(shè)備的控制操作可以描述為:首先發(fā)出該設(shè)備地址，和該設(shè)備建立連接，再向該設(shè)備讀或?qū)?個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，最后發(fā)出停止信號(hào)以結(jié)束I²C通訊。

對(duì)WM8731的控制實(shí)際上就是控制FC設(shè)備讀/寫(xiě)數(shù)據(jù)，本文不涉及讀數(shù)據(jù)而只介紹部分rc總線寫(xiě)數(shù)據(jù)的關(guān)鍵Verilog程序設(shè)計(jì)。

2.3  啟動(dòng)與停止程序

檢測(cè)通訊啟動(dòng)與停止的Verilog程序如下：

always@（posedge mclk or negedge reset_n）

在主機(jī)方式下，完成啟動(dòng)與地址信號(hào)發(fā)送后，即開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，并串?dāng)?shù)據(jù)在SCL的下降沿移位，這樣可保證SCL高電平時(shí)SDA數(shù)據(jù)的穩(wěn)定。發(fā)送的進(jìn)程由WR信號(hào)和從機(jī)的應(yīng)答信號(hào)啟動(dòng)。為了保證時(shí)序正確和控制的可靠,軟件程序可采用有限狀態(tài)機(jī)來(lái)設(shè)計(jì)。其Verilog程序如下：

3 仿真結(jié)果

設(shè)計(jì)時(shí)，可以釆用Xilinx公司的集成開(kāi)發(fā)工具ISE9.0,仿真工具使用SYNPOSYS的VCS仿真軟件，圖4所示是其仿真波形，由圖可見(jiàn),該設(shè)計(jì)是正確的。整個(gè)設(shè)計(jì)可以采用Verilog語(yǔ)言描述在LINUX平臺(tái)上完成系統(tǒng)的仿真、綜合、映射、布局。在得到正確的仿真結(jié)果后,通過(guò)器件編程(即通過(guò)編程器將設(shè)計(jì)下載到實(shí)際芯片中)來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，直到最后實(shí)現(xiàn)。

4  結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種簡(jiǎn)易的音頻soc的I²c總線接口的軟件設(shè)計(jì)方法。該設(shè)計(jì)可以作為一個(gè)ip核方便地嵌入音頻SoC的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，以用于對(duì)具有I²c接口的芯片ic芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫(xiě)。目前，本設(shè)計(jì)已經(jīng)在實(shí)踐項(xiàng)目中投片，并已經(jīng)通過(guò)實(shí)際系統(tǒng)的測(cè)試。