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基于Nios II的I2C总线接口的实现
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引言
I2C(Inter-Integrated Circuit)总线是一种由Phil-ips公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。由于I2C总线仅用两根信号线，并支持多主控工作方式，所以I2C总线在电子产品设备中应用非常普遍。文献[1]使用NiosⅡ的PIO接口模拟I2C时序完成对接口芯片的读写，而目前基于NiosⅡ的IP核越发丰富。基于此，本文使用免费的IP核--I2C-Master Core，实现了对I2C接口芯片的读写操作，扩充了一种新的设计方法。本文首先介绍了I2C总线结构和工作原理，然后详细说明了基于NiosⅡ的I2C-Master Core的使用方法，最后给出了C语言的编程代码。
1 I2C总线基本原理
I2C总线是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线，可发送和接收数据。在CPU与被控IC之间、进行双向传送，最高传送速度100 kbit／s。
I2C总线在传送数据的过程中共有4种基本类型信号，分别是：开始信号、数据传输信号、应答信号和结束信号。
a)开始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。所有的命令都必须在开始条件以后进行。
b)结束信号：SCL为低电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。所有的操作都必须在停止条件以前结束。总线开始和停止数据传送的时序如图1所示。
c)数据传输信号：在开始条件以后，时钟信号SCL的高电平周期期问，当数据线稳定时，数据线SDA的状态表示数据有效，即数据可以被读走，开始进行读操作。在时钟信号SCL的低电平周期期间，数据线上数据才允许改变。每位数据需要一个时钟脉冲。I2C总线的数据位传送时序如图2所示。
d)应答信号：接收数据的从器件收到8 bit数据后，向发送数据的主控器件发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。这要求主器件必须产生一个与确认位相应的额外时钟脉冲(第9个脉冲)。若主控器件确认失败，主控器件必须发送一个数据结束信号给从器件。这时从器件必须使SDA线保持高电平，使主控器件能产生停止条件。总线的应答信号时序见图3。
2 I2C接口芯片AT24C01／02工作原理
AT24CXX系列芯片是采用I2C总线标准的常用的串行EEROM芯片。本文以AT24C02为例介绍。AT24C02具有256×8(2 k)bit的存储容量，即总共32页，每页有8字节的容量。每次写入数据是从主器件发送来的片内选择地址开始写人，如果写到页末尾，主器件还在继续发送的话，不会自动转到下一页，而是从该页的头地址开始继续写入，覆盖该页的原有数据，而造成数据丢失。AT24C02工作于从器件方式，它的地址由外围的3个引脚A2、A1、A0决定，如图4所示。在I2C总线上总共可以连接8个AT24C02接口芯片，每个器件硬件地址与控制寄存器的地址内容保持一致，就能够自由地与主控器件进行数据传输。
1)器件字节写操作
在字节写模式下，发送器件写控制字，控制字包括4位固定器件码，3位片选码，以及一位低电平的写控制位。主器件在收到从器件产生应答信号后，主器件发送一个8位字节地址写入AT24C02。主器件在收到从器件的另一个应答信号后，再发送数据到被寻址的存储单元。AT24C02再次应答，并在主器件产生停止信号后开始内部数据的擦写，在内部擦写过程中，AT24C02不再应答主器件的任何请求。时序见图5。
2)器件随机地址读操作
对AT24C02读操作的初始化方式和写操作时一样，仅把R／W位置为1。图6所示为AT24C02随机地址读时序图。随机读操作允许主器件对寄存器的任意字节进行读操作，主器件首先通过发送起始信号、从器件地址和它想读取的字节数据的地址执行一个伪写操作。在AT24C02应答之后，主器件重新发送起始信号和从器件地址，此时R／W位置1，AT24C02响应并发送应答信号，然后输出所要求的一个8位字节数据，主器件不发送应答信号但产生一个停止信号。
3 I2C-Master Core工作原理
基于NiosⅡ的IP核应用非常简便，因此越发受到青睐。Altera公司已经提供了一些通用的IP核可供使用，但没有提供I2C核。文献[3]提供了免费的I2C-Master Core，经笔者的应用与长时间测试，证明该Mas-ter Core使用方便可靠，工作稳定。该Master Core的内部结构如图7所示，主要由时钟发生器、字节命令控制器、比特命令发生器和数据移位寄存器4个模块组成。其他模块是一些相关接口和临时数据存储器。
时钟发生器主要是产生SCL信号，该时钟的频率可由预分频寄存器设置，控制子计算公式如下：
例如：SCL频率为100kHz，NiosⅡ工作频率为50 MHz，则预分频=99，PRERlo=99，PRERhi=0。
字节命令控制器在字节级连接命令寄存器、状态寄存器和比特命令控制器。通过将表2所示命令寄存器相应的比特位置1，可以产生I2C接口的开始、结束、确认等信号，以及读写控制。这些有效控制通过字节命令控制器转送到比特命令控制器，使其发生作用，在信号产生后，这些比特位自动清0。
NiosⅡ向发送寄存器写数据实现数据输出，读接收寄存器获取从器件输出的数据。数据的读写是否完成可通过中断或查询方式得知。如采用中断方式，状态寄存器中的IF状态位置1；如采用查询方式，数据处理过程中，状态位TIP置1，处理完毕后置1。
4应用实例
笔者在NiosⅡIDE7.1环境下编写了使用该Mas-ter Core的C语言代码，现把部分主程序代码列出。
1)IP-Master Core初始化
完成对预分频器的设置，确定SCL时钟频率；控制寄存器中I2C-Master Core使能位置1，使其工作。
2)查询确认信号
数据收发是否完成，通过查询TIP状态位来确定。
3)写字节操作
单字节写入按图5操作流程：
4)随即地址读操作
随即地址读字节按图6流程操作：
以上是使用I2C-Master Core的关键代码，若向地址0xS0写入0x5A，再将其读出，可按下面写法：
若操作正确，DATA的值应该位为0x5A。
5结束语
本文探讨了使用免费I2C-Master Core的方法，方便地实现了基于Nios Ⅱ的I2C接口芯片的开发，为I2C的电子工程设计使用提供了一种简单快捷的方法。
I2C(Inter-Integrated Circuit)总线是一种由Phil-ips公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。由于I2C总线仅用两根信号线，并支持多主控工作方式，所以I2C总线在电子产品设备中应用非常普遍。文献[1]使用NiosⅡ的PIO接口模拟I2C时序完成对接口芯片的读写，而目前基于NiosⅡ的IP核越发丰富。基于此，本文使用免费的IP核--I2C-Master Core，实现了对I2C接口芯片的读写操作，扩充了一种新的设计方法。本文首先介绍了I2C总线结构和工作原理，然后详细说明了基于NiosⅡ的I2C-Master Core的使用方法，最后给出了C语言的编程代码。
1 I2C总线基本原理
I2C总线是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线，可发送和接收数据。在CPU与被控IC之间、进行双向传送，最高传送速度100 kbit／s。
I2C总线在传送数据的过程中共有4种基本类型信号，分别是：开始信号、数据传输信号、应答信号和结束信号。
a)开始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。所有的命令都必须在开始条件以后进行。
b)结束信号：SCL为低电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。所有的操作都必须在停止条件以前结束。总线开始和停止数据传送的时序如图1所示。
c)数据传输信号：在开始条件以后，时钟信号SCL的高电平周期期问，当数据线稳定时，数据线SDA的状态表示数据有效，即数据可以被读走，开始进行读操作。在时钟信号SCL的低电平周期期间，数据线上数据才允许改变。每位数据需要一个时钟脉冲。I2C总线的数据位传送时序如图2所示。
d)应答信号：接收数据的从器件收到8 bit数据后，向发送数据的主控器件发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。这要求主器件必须产生一个与确认位相应的额外时钟脉冲(第9个脉冲)。若主控器件确认失败，主控器件必须发送一个数据结束信号给从器件。这时从器件必须使SDA线保持高电平，使主控器件能产生停止条件。总线的应答信号时序见图3。
2 I2C接口芯片AT24C01／02工作原理
AT24CXX系列芯片是采用I2C总线标准的常用的串行EEROM芯片。本文以AT24C02为例介绍。AT24C02具有256×8(2 k)bit的存储容量，即总共32页，每页有8字节的容量。每次写入数据是从主器件发送来的片内选择地址开始写人，如果写到页末尾，主器件还在继续发送的话，不会自动转到下一页，而是从该页的头地址开始继续写入，覆盖该页的原有数据，而造成数据丢失。AT24C02工作于从器件方式，它的地址由外围的3个引脚A2、A1、A0决定，如图4所示。在I2C总线上总共可以连接8个AT24C02接口芯片，每个器件硬件地址与控制寄存器的地址内容保持一致，就能够自由地与主控器件进行数据传输。
1)器件字节写操作
在字节写模式下，发送器件写控制字，控制字包括4位固定器件码，3位片选码，以及一位低电平的写控制位。主器件在收到从器件产生应答信号后，主器件发送一个8位字节地址写入AT24C02。主器件在收到从器件的另一个应答信号后，再发送数据到被寻址的存储单元。AT24C02再次应答，并在主器件产生停止信号后开始内部数据的擦写，在内部擦写过程中，AT24C02不再应答主器件的任何请求。时序见图5。
2)器件随机地址读操作
对AT24C02读操作的初始化方式和写操作时一样，仅把R／W位置为1。图6所示为AT24C02随机地址读时序图。随机读操作允许主器件对寄存器的任意字节进行读操作，主器件首先通过发送起始信号、从器件地址和它想读取的字节数据的地址执行一个伪写操作。在AT24C02应答之后，主器件重新发送起始信号和从器件地址，此时R／W位置1，AT24C02响应并发送应答信号，然后输出所要求的一个8位字节数据，主器件不发送应答信号但产生一个停止信号。
3 I2C-Master Core工作原理
基于NiosⅡ的IP核应用非常简便，因此越发受到青睐。Altera公司已经提供了一些通用的IP核可供使用，但没有提供I2C核。文献[3]提供了免费的I2C-Master Core，经笔者的应用与长时间测试，证明该Mas-ter Core使用方便可靠，工作稳定。该Master Core的内部结构如图7所示，主要由时钟发生器、字节命令控制器、比特命令发生器和数据移位寄存器4个模块组成。其他模块是一些相关接口和临时数据存储器。
时钟发生器主要是产生SCL信号，该时钟的频率可由预分频寄存器设置，控制子计算公式如下：
例如：SCL频率为100kHz，NiosⅡ工作频率为50 MHz，则预分频=99，PRERlo=99，PRERhi=0。
字节命令控制器在字节级连接命令寄存器、状态寄存器和比特命令控制器。通过将表2所示命令寄存器相应的比特位置1，可以产生I2C接口的开始、结束、确认等信号，以及读写控制。这些有效控制通过字节命令控制器转送到比特命令控制器，使其发生作用，在信号产生后，这些比特位自动清0。
NiosⅡ向发送寄存器写数据实现数据输出，读接收寄存器获取从器件输出的数据。数据的读写是否完成可通过中断或查询方式得知。如采用中断方式，状态寄存器中的IF状态位置1；如采用查询方式，数据处理过程中，状态位TIP置1，处理完毕后置1。
4应用实例
笔者在NiosⅡIDE7.1环境下编写了使用该Mas-ter Core的C语言代码，现把部分主程序代码列出。
1)IP-Master Core初始化
完成对预分频器的设置，确定SCL时钟频率；控制寄存器中I2C-Master Core使能位置1，使其工作。
2)查询确认信号
数据收发是否完成，通过查询TIP状态位来确定。
3)写字节操作
单字节写入按图5操作流程：
4)随即地址读操作
随即地址读字节按图6流程操作：
以上是使用I2C-Master Core的关键代码，若向地址0xS0写入0x5A，再将其读出，可按下面写法：
若操作正确，DATA的值应该位为0x5A。
5结束语
本文探讨了使用免费I2C-Master Core的方法，方便地实现了基于Nios Ⅱ的I2C接口芯片的开发，为I2C的电子工程设计使用提供了一种简单快捷的方法。
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