基于CPLD的嵌入式系统中I2C总线设计与实现

"嵌入式系统/ARM技术中的基于CPLD的系统中I2C总线的设计" 在嵌入式系统和ARM技术中，I2C（Inter-Integrated Circuit）总线是一种广泛应用的通信协议，由PHILIPS公司（现为NXP半导体）开发，用于在电子设备之间进行低速、低功耗的串行通信。I2C总线通过两根线——串行数据线(SDA)和串行时钟线(SCL)——就能实现双向数据传输，极大地简化了硬件设计。 I2C总线协议定义了主设备和从设备的角色，主设备发起通信并控制时钟，而从设备响应主设备的请求。通信速率通常在100kbps（标准模式）到3.4Mbps（高速模式）之间，具体取决于应用需求和设备兼容性。I2C总线协议有多种数据传输格式，包括7位或10位地址编码，以及多种数据传输长度选项。 对于不带内置I2C接口的微控制器（MCU），可以通过模拟I2C总线使用两个GPIO引脚来实现。然而，在基于复杂可编程逻辑器件（CPLD）的系统中，直接实现I2C接口可能会更复杂。CPLD是一种可编程的逻辑组件，能够根据设计需求配置成各种逻辑功能，但其内部结构并不像微控制器那样预置了特定的通信接口。 为了在CPLD系统中实现I2C通信，一种方法是引入额外的单片机，或者使用专门的I2C扩展器，如PCA9564。然而，这将增加系统成本，增加设计复杂性。另一种解决方案是开发自定义的I2C总线IP核，即在CPLD内部实现符合I2C协议的逻辑电路。这种方法可以更好地利用CPLD的灵活性，减少外部元件，降低系统成本，同时保持设计的简洁性。 在文中，作者探讨了基于I2C总线协议的CPLD系统设计技术，并通过一个实际的工程案例展示了如何设计I2C总线IP核。IP核（Intellectual Property core）是预先设计好的功能模块，可以直接集成到CPLD或FPGA（现场可编程门阵列）设计中。作者提供了部分源代码和仿真结果，以验证IP核的功能正确性和性能。 设计I2C总线IP核的关键在于理解和实现I2C协议的时序要求。这包括启动和停止条件的产生，数据的读写操作，以及应答和错误检测机制。通过精确控制SDA和SCL线上的电平变化，可以确保数据的准确传输。在CPLD中，这些时序通常通过状态机来实现，状态机根据输入信号和内部计时器来控制I2C通信过程。 本文深入探讨了在嵌入式系统和ARM技术背景下，如何利用CPLD设计实现I2C总线通信，提供了一种经济、高效的解决方案，特别是对于那些需要与少量I2C外设通信，且对I2C功能需求简单的系统。这种自定义IP核的方法不仅降低了系统成本，还减少了对外部组件的依赖，增强了设计的灵活性。