徐中龍，華竹平，李 佳，王瑋冰

(1.中國科學(xué)院微電子研究所，北京100029;2.江蘇物聯(lián)網(wǎng)研究發(fā)展中心智能傳感器工程中心，江蘇無錫214135;3.無錫(太湖)國際科技園管理委員會，江蘇無錫214135)

隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起，傳感器之間的通信起到了關(guān)鍵的作用。針對特定的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，合理的選擇傳感器通信協(xié)議，有利于改善傳感器系統(tǒng)的設(shè)計。傳感器系統(tǒng)中一般對傳感器數(shù)據(jù)傳輸速率要求不高，傳感器中廣泛使用的是同步串行數(shù)據(jù)接口:I2C總線接口和SPI總線接口。

I2C總線協(xié)議是PHILIPS公司于1987年開發(fā)的雙向兩線制同步串行總線協(xié)議。由于它具有連線少、允許多主機控制、具有總線仲裁和同步等特點，被廣泛應(yīng)用到各個領(lǐng)域，并已經(jīng)成為一種世界性的工業(yè)標準［1］。I2C總線上數(shù)據(jù)的傳輸速率在標準模式下可達100 kbit/s，在快速模式下可達 400 kbit/s，在高速模式下可達 3.4 Mbit/s［2］。

SPI總線協(xié)議是Motorola公司開發(fā)的高速、同步串行總線協(xié)議，一般需要3～4根總線完成數(shù)據(jù)傳輸，SPI接口的傳輸速度可以達到5 Mbit/s。SPI接口技術(shù)是一種高速高效率的串行接口技術(shù)，主要用于擴展外設(shè)和進行數(shù)據(jù)交換［3］。

目前廣泛使用的從機同步串行接口電路大多不具有兼容I2C總線和SPI總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋Ｓ行臋C同時具有I2C總線接口電路和SPI總線接口電路，但兩種接口電路不僅浪費了內(nèi)部邏輯資源，而且占用較多的信號接口。

本文通過分析I2C總線協(xié)議和SPI總線協(xié)議的特點，提出并設(shè)計了一種兼容I2C總線和SPI總線的通用從機同步串行接口電路，首先將該接口電路進行模塊劃分，然后對劃分后的模塊利用Verilog－HDL進行編碼并通過Modelsim進行功能仿真，最終在Quartus II中下載到FPGA中進行驗證，為傳感器中的接口電路設(shè)計提供參考。

1 接口電路設(shè)計與實現(xiàn)

1.1 設(shè)計要求

以一款目標物體溫度探測傳感器為例，本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種通用從機同步串行接口電路。為了滿足數(shù)據(jù)精度的需要，此傳感器中內(nèi)部寄存器數(shù)據(jù)為16 bit。此傳感器中有5個寄存器，分別為物體電壓寄存器、本地溫度寄存器、配置寄存器、制造商ID寄存器、器件ID寄存器，其中物體電壓寄存器、本地溫度寄存器、制造商ID寄存器、器件ID寄存器為只讀寄存器，配置寄存器的高八位為可讀寫部分，低八位為只讀部分。

通用從機同步串行接口電路引腳如圖1所示。其中CS為從機片選信號，A1、A0為從機地址選擇端口，SCL為串行時鐘線，SDA為串行數(shù)據(jù)線。

圖1 通用從機同步串行接口電路引腳

1.1.1 接口電路用于I2C總線數(shù)據(jù)傳輸時的設(shè)計要求

發(fā)送到SDA線上的每個字節(jié)必須為8位，每次傳輸可以發(fā)送的字節(jié)數(shù)量不受限制，但是每個字節(jié)后必須跟一個應(yīng)答位［4］。主機發(fā)送起始條件后，首先發(fā)送一個7位從機地址(用于選中當(dāng)前要使用的從器件)，緊接著發(fā)送1位的數(shù)據(jù)傳輸方向位(R/W)以指示是從從器件讀取數(shù)據(jù)還是把數(shù)據(jù)寫入從器件，數(shù)據(jù)傳輸由主機產(chǎn)生的停止條件結(jié)束［5］。當(dāng)讀寫位即數(shù)據(jù)傳輸方向位(R/W)為1時，主機從傳感器讀取數(shù)據(jù);當(dāng)讀寫位即數(shù)據(jù)傳輸方向位(R/W)為0時，主機向傳感器寫入數(shù)據(jù)。

其中A1、A0與I2C總線從機地址的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 A1、A0與I2 C總線從機地址的對應(yīng)關(guān)系

為了滿足主機同傳感器內(nèi)部多個寄存器之間進行數(shù)據(jù)傳輸，主機對傳感器進行寫數(shù)據(jù)操作之前，必須首先向地址指針寄存器寫入地址，指定寫操作對應(yīng)的寄存器，然后再向地址對應(yīng)的寄存器寫入數(shù)據(jù);而主機對傳感器進行讀數(shù)據(jù)操作時，不向地址指針寄存器寫入地址，直接讀取地址指針寄存器相對應(yīng)的寄存器數(shù)據(jù)。地址指針與傳感器內(nèi)部寄存器的對應(yīng)關(guān)系如表2所示。接口電路將接收的8位地址指針數(shù)據(jù)存入地址指針寄存器，對傳感器內(nèi)部寄存器進行尋址。

表2 利用I2 C總線進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡刂分羔樑c寄存器的對應(yīng)關(guān)系

1.1.2 接口電路用于SPI總線數(shù)據(jù)傳輸時的設(shè)計要求

本次設(shè)計中采用的時鐘極性CPOL和時鐘相位CPHA［6］都為 1。

主機通過SPI總線接口與傳感器內(nèi)多個寄存器進行通信時，主機利用不同的讀寫指令來識別傳感器內(nèi)部不同寄存器。傳感器先向主機發(fā)送地址寄存器對應(yīng)的寄存器數(shù)據(jù)，緊接著傳感器接收主機發(fā)送的讀寫指令，如果為讀指令，傳感器則將對應(yīng)的寄存器數(shù)據(jù)發(fā)送給主機;如果為寫指令，傳感器則將接收的數(shù)據(jù)存入相應(yīng)的寄存器。

利用SPI總線對該傳感器內(nèi)部寄存器進行讀操作時，接口電路將讀指令的低8位存入到相應(yīng)的地址寄存器，然后再讀取對應(yīng)寄存器數(shù)據(jù);利用SPI總線對該傳感器內(nèi)部寄存器進行寫操作時，由于該傳感器中只有配置寄存器可以寫，因此將寫狀態(tài)字的中間8位數(shù)據(jù)存入到配置寄存器。讀指令與內(nèi)部寄存器的對應(yīng)關(guān)系如表3所示，寫指令與寄存器的對應(yīng)關(guān)系如表4所示。

表3 利用SPI總線進行數(shù)據(jù)傳輸時讀指令與寄存器的對應(yīng)關(guān)系

表4 利用SPI總線進行數(shù)據(jù)傳輸時寫指令與寄存器的對應(yīng)關(guān)系

1.2 通用從機同步串行接口電路模塊劃分

根據(jù)上述通用從機接口電路的設(shè)計要求，本設(shè)計中對該傳感器接口電路劃分為3個模塊:起始和停止檢測模塊、并串和串并轉(zhuǎn)化模塊、控制模塊。該接口電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 通用從機同步串行接口電路結(jié)構(gòu)框圖

起始和停止檢測模塊:I2C總線或SPI總線數(shù)據(jù)傳輸起始位和停止位檢測。

并串和串并轉(zhuǎn)換模塊:利用此模塊接收主機發(fā)送的串行數(shù)據(jù)和向主機發(fā)送串行數(shù)據(jù)。

控制模塊:在起始和停止位的控制下向主機發(fā)送應(yīng)答位和對并串和串并轉(zhuǎn)換模塊的并串和串并轉(zhuǎn)換控制。

1.3 接口電路設(shè)計實現(xiàn)

根據(jù)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)時序分析，利用SCL上升沿接收主機發(fā)送的數(shù)據(jù)，利用SCL下降沿向主機發(fā)送數(shù)據(jù)。

起始和停止模塊設(shè)計:在CS為1且SCL為1的情況下，SDA的下降沿為從機接口電路利用I2C總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠鹗嘉?，SDA的上升沿為從機接口電路利用I2C總線數(shù)據(jù)傳輸停止位;在CS為0的情況下，從機接口電路利用SPI總線進行數(shù)據(jù)傳輸。

并串和串并轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計:利用SCL時鐘的上升沿讀入主機串行數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)化為并行數(shù)據(jù)存入傳感器內(nèi)部相應(yīng)的寄存器;利用SCL時鐘的下降沿將傳感器內(nèi)部寄存器數(shù)據(jù)串行輸出。

控制模塊設(shè)計:該通用傳感器同步串行接口電路利用I2C總線進行數(shù)據(jù)傳輸時，每次只能傳輸一個字節(jié)和接收或發(fā)送一位應(yīng)答位;利用SPI總線進行數(shù)據(jù)傳輸時，每次可以傳輸16 bit數(shù)據(jù)。因此，控制模塊可以利用計數(shù)器來實現(xiàn)。

由于本文傳感器內(nèi)部的寄存器為16 bit，因此該接口電路用于I2C總線數(shù)據(jù)傳送需要分為高低字節(jié)分別進行傳送。傳感器接口電路用于I2C總線數(shù)據(jù)傳輸支持的數(shù)據(jù)格式如下:

a起始位+8 bit從機地址和讀標志位+8 bit高字節(jié)數(shù)據(jù)+8 bit低字節(jié)數(shù)據(jù)+停止位

b起始位+8 bit從機地址和寫標志位+8 bit地址指針+停止位

c起始位+8 bit從機地址和寫標志位+8 bit地址指針+8 bit高字節(jié)數(shù)據(jù)+停止位

該接口電路用于SPI總線數(shù)據(jù)傳輸支持的數(shù)據(jù)格式如下:

a 16 bit讀數(shù)據(jù)

b 16 bit讀數(shù)據(jù)+16 bit寫指令

c 16 bit讀數(shù)據(jù)+16 bit讀指令

d 16 bit讀數(shù)據(jù)+16 bit讀指令+16 bit讀數(shù)據(jù)

該接口電路控制模塊電路的狀態(tài)機如圖3所示。

2 Modelsim對該設(shè)計進行功能仿真結(jié)果

2.1 接口電路用于I2 C總線數(shù)據(jù)傳輸時的仿真

圖4所示為該接口電路用于I2C總線數(shù)據(jù)傳輸時格式a的功能仿真結(jié)果，圖5所示為該接口電路用于I2C總線數(shù)據(jù)傳輸時格式c的功能仿真結(jié)果。

圖3 通用從機同步串行接口電路控制模塊狀態(tài)機

圖4 I2 C總線數(shù)據(jù)傳輸格式a的仿真結(jié)果(截圖去彩)

圖5 I2 C總線數(shù)據(jù)傳輸格式c的仿真結(jié)果(截圖去彩)

圖4、圖5中所示的信號從上向下為片選信號CS，從機地址選擇信號A1、A0，串行時鐘信號SCL，串行數(shù)據(jù)信號SDA，地址指針寄存器PntrReg，配置寄存器Confg。從圖4中可以看出，CS為1且A1和A0都為0時，主機向傳感器發(fā)送起始位之后，緊接著發(fā)送的是7位從機地址7’b100_0000和讀標志位1’b1，對傳感器執(zhí)行讀操作;下一個SCL時鐘下降沿傳感器向主機發(fā)送低電平應(yīng)答位;接下來傳感器在SCL下降沿傳感器向主機發(fā)送地址指針寄存器PntrReg數(shù)據(jù)8’b0000_0010對應(yīng)的配置寄存器Confg 16 bit數(shù)據(jù)16’b1100_1010_0111_0011。從圖5中可以看出，CS為0且A1和A0都為0時，主機向傳感器發(fā)送起始位之后，緊接著發(fā)送的是7位從機地址7’b1000000和寫標志位1’b0，對傳感器執(zhí)行寫操作;;下一個SCL時鐘下降沿傳感器向主機發(fā)送低電平應(yīng)答位;接下來主機向傳感器寄存器地址指針寄存器寫入數(shù)據(jù)8’b0000_0010;傳感器發(fā)送應(yīng)答位之后，主機向該地址指針對應(yīng)的配置寄存器的高8位寫一個字節(jié)數(shù)據(jù)8’b1100_1010。

以上結(jié)果說明，該接口電路利用該I2C總線進行數(shù)據(jù)傳輸時，可以正確實現(xiàn)數(shù)據(jù)格式a和數(shù)據(jù)格式c。由于I2C總線數(shù)據(jù)傳輸中數(shù)據(jù)格式b可以被包含在數(shù)據(jù)格式c中，因此可以利用該接口電路實現(xiàn)本文中的I2C總線數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 接口電路用于SPI總線數(shù)據(jù)傳輸時的仿真

圖6所示為該接口電路用于SPI總線數(shù)據(jù)傳輸時格式b的功能仿真結(jié)果，圖7所示為該接口電路用于SPI總線數(shù)據(jù)傳輸時格式d的功能仿真結(jié)果。

圖6 SPI總線數(shù)據(jù)傳輸格式b的仿真結(jié)果(截圖去彩)

圖7 SPI總線數(shù)據(jù)傳輸格式d的仿真結(jié)果(截圖去彩)

圖6中所示的信號從上向下為片選信號CS，串行時鐘信號SCL，串行數(shù)據(jù)信號SDA，電壓寄存器Vobj，配置寄存器Confg。從上圖中可以看出，傳感器先向主機發(fā)送默認地址8’b0000_0000對應(yīng)的電壓寄存器Vobj16位數(shù)據(jù)16’b1000_1010_0010_0101，然后將接收16位寫配置寄存器指令16’b0000_1011_0101_0000，最后可以看出將8 bit數(shù)據(jù)8’b1011_0101存到配置寄存器的高八位中。圖7中所示的信號從上向下為片選信號CS，串行時鐘信號SCL，串行數(shù)據(jù)信號SDA，電壓寄存器Vobj，本地溫度寄存器Tamb。從圖7中可以看出傳感器內(nèi)部電壓寄存器Vobj數(shù)據(jù)為16’b1000_1010_0010_0101，本地溫度寄存器Tamb數(shù)據(jù)為16’b1000_0000_0000_1000。傳感器先通過SPI總線接口向主機發(fā)送Vobj寄存器數(shù)據(jù)16’b1000_1010_0010_0101，然后接收16位讀Tamb數(shù)據(jù)指令16’b1000_0000_0000_1000，然后傳感器將16位Tamb數(shù)據(jù)16’b 1000_0000_0000_1000發(fā)送出去。

以上結(jié)果說明，該接口電路用于SPI總線數(shù)據(jù)傳輸時，可以正確實現(xiàn)SPI總線數(shù)據(jù)格式b和數(shù)據(jù)格式d。由于SPI總線數(shù)據(jù)傳輸中數(shù)據(jù)格式a和c可以被包含在數(shù)據(jù)格式d中，因此可以利用該接口電路實現(xiàn)本文所述的SPI總線數(shù)據(jù)傳輸。

3 FPGA驗證

本設(shè)計選用ALTERA公司的EP4CE15F17C8N器件。整個設(shè)計采用Verilog－HDL編碼，利用Quartus II軟件編譯后，將生成的pof文件通過AS口下載到FPGA中。通過單片機模擬I2C總線數(shù)據(jù)傳輸時的數(shù)據(jù)格式a、b、c 和 SPI總線數(shù)據(jù)傳輸時的數(shù)據(jù)格式 a、b、c、d，可以成功實現(xiàn)單片機通過I2C總線和SPI總線與FPGA同步串行通信。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)I2C總線協(xié)議和SPI總線協(xié)議的要求，設(shè)計了一種兼容I2C和SPI總線通用從機同步串行接口電路。首先將其進行模塊劃分，然后對各個模塊分別設(shè)計與實現(xiàn)，最后對電路進行仿真、驗證。與I2C總線接口電路、SPI總線接口電路相比，既可實現(xiàn)高速率數(shù)據(jù)傳輸，又可組成多主機、多從機的傳感器網(wǎng)絡(luò)。通用從機同步串行接口電路可通過I2C總線或SPI總線進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)撵`活性的特點，在傳感器中具有應(yīng)用價值。

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