Verilog 代码编写 IIC通信-主到从向芯片写入数据_fpga实现iic通信向ad芯片配置数据

作者：从前慢现在也慢 | 2024-03-07 13:13:00

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fpga实现iic通信向ad芯片配置数据

题目：

根据课堂讲授的基本原理，自己尝试编写一个 IIC 控制逻辑，FPGA 的输 入时钟为 10MHz，IIC 的通信频率为 400KHz，要求 FPGA 向 AD 芯片写入控 制指令，AD 芯片的地址为 0000123（改为十进制 123，即 01111011），AD 芯片 中有三个地址连续的寄存器，地址为 0x48，配置数据为 0x55，地址为 0x49， 配置数据为 0xAA，地址为 0x50，配置数据为 0xCC，试画出电路连接框图、状 态转移图、完成代码编写并仿真。

分析：

根据要求，此 IIC 通信模块应该在 FPGA 与 AD 芯片间建立连接，其中最主要的就是 SCL 时钟线输出给 AD 芯片，建立通信时钟，还有 SDA 线实现双向数 据传输。

电路模块框图如下所示：

其中两个上拉电阻 R1 和 R2 保证了在空闲状态时，SCL 线与 SDA 线上均保 持高电平。

根据 IIC 的通信方法，我们按照 Moore 型状态机 进行时序编写，这是因为整个通信过程中状态的转移不受输入条件的影响，仅依赖过程中时序的变化，从而改变状态。设计思路如下：

1.按照题目意思，需要 17 个状态来表示整个通信过程，即：

不定态+起始态+发出芯片地址+从机应答+发出寄存器 1 地址+从机应答+发 出寄存器 1 数据+从机应答+发出寄存器 2 地址+从机应答+发出寄存器 2 数据+ 从机应答+发出寄存器 3 地址+从机应答+发出寄存器 3 数据+从机应答+终止态

由此在编写 Verilog 语言时应定义以上 17 个状态。当满足触发条件时将发生状态转移。

2.采用三端式状态机进行编写。除了正常的三部分之外，还应该 有一个数 据寄存器转移的部分，该部分提供了状态转移的动力和条件。

3.设计计数器产生所需频率的时钟 SCL 以及相应的变换节点，即在本设计中视为 SCL 高电平中点为稳定状态，判断起始与终止条件；将 SCL 低电平中点 看作数据变换点，即仅在此时发生数据变化。

4.SDA 的双向传输特性使用 三态门 来实现。

设计状态转移图如下：

具体代码如下：


module IIC_control(clk,rst,SCL,SDA,en);
input clk,rst,en;
output reg SCL;
inout SDA;
reg sdareg; //SDA 数据寄存器
reg sdalink; //双向端口控制
assign SDA=sdalink?sdareg:1'bz;//三态门控制双向口
parameter IIC_idle=5'D0, //起始态
 IIC_start=5'D1, //开始
 IIC_icaddr=5'D2, //发出芯片地址
 IIC_icaddrask=5'D3, //从机应答
 IIC_regaddr1=5'D4, //发出寄存器 1 地址
 IIC_regaddrask1=5'D5, //从机应答
 IIC_regdata1=5'D6, //寄存器 1 数据
 IIC_regdataask1=5'D7, //从机应答
 IIC_regaddr2=5'D8, //发出寄存器 2 地址
 IIC_regaddrask2=5'D9, //从机应答
 IIC_regdata2=5'D10, //寄存器 2 数据
 IIC_regdataask2=5'D11, //从机应答
 IIC_regaddr3=5'D12, //发出寄存器 3 地址
 IIC_regaddrask3=5'D13, //从机应答
 IIC_regdata3=5'D14, //寄存器 3 数据
 IIC_regdataask3=5'D15, //从机应答
 IIC_stop=5'D16, //终止状态
 icaddr=8'b0111_1011, //芯片地址
 icaddrout={icaddr[6:0],1'b0}, //发出地址
 regaddr1=8'h48, //寄存器 1 地址
 regdata1=8'h55, //寄存器 1 数据
 regaddr2=8'h49, //寄存器 2 地址
 regdata2=8'hAA, //寄存器 2 数据
 regaddr3=8'h50, //寄存器 3 地址
 regdata3=8'hCC, //寄存器 3 数据
 freqcnt=(10000000/400000); //SCL 与 clk 的周期关系 
 
reg [7:0] cnt; //计数器产生 SCL
reg [3:0] bytecnt; //数据或地址传输的位计数
reg [4:0] state,nstate;
assign SCL_h=(cnt==(freqcnt>>2));//SCL 时钟四分之一周期处,高电平中点
assign SCL_l=(cnt==(freqcnt>>2)*3);//SCL 时钟周期四分之三处，低电平
中点
//cnt 计数，从 0 到(freqcnt-1)
always @(posedge clk or negedge rst)
begin
if(!rst)
cnt<=1'b0;
else if(cnt==freqcnt-1'b1)//计数到最大
cnt<=1'b0;
else
cnt<=cnt+1'b1;
end
//产生 SCL 的时钟信号
always @(posedge clk or negedge rst)//SCL 时钟跳变
begin
if(!rst)
SCL<=1'b0;
else begin
if(cnt>=1'b0&&cnt<=(freqcnt>>1)-1'b1)
 SCL<=1'b1;//SCL 前半周期为高
else
 SCL<=1'b0;//SCL 后半周期为低
end
end
//IIC 三段式状态机：
//第一部分：
always @(posedge clk or negedge rst)
begin
if(!rst)
state<=IIC_idle;
else
state<=nstate;
end
//第二部分 状态转移：
always @(*)
begin
nstate<=state;
case(state)
IIC_idle: if(en)
 nstate<=IIC_start;
IIC_start: if(SCL_h)//SCL 为高时，SDA 跳变,进入起始
nstate<=IIC_icaddr;
IIC_icaddr: if(SCL_l==1'b1&&bytecnt==3'b0)//地址发送完成
nstate<=IIC_icaddrask;
IIC_icaddrask: if(SCL_l)//SCL 为低时数据变化
nstate<=IIC_regaddr1;
IIC_regaddr1:if(SCL_l==1'b1&&bytecnt==3'b0)
nstate<=IIC_regaddrask1;
IIC_regaddrask1:if(SCL_l)
nstate<=IIC_regdata1;
IIC_regdata1:if(SCL_l==1'b1&&bytecnt==3'b0)
nstate<=IIC_regdataask1;
IIC_regdataask1:if(SCL_l)
nstate<=IIC_regaddr2;
IIC_regaddr2:if(SCL_l==1'b1&&bytecnt==3'b0)
nstate<=IIC_regaddrask2;
IIC_regaddrask2:if(SCL_l)
nstate<=IIC_regdata2;
IIC_regdata2: if(SCL_l==1'b1&&bytecnt==3'b0)
nstate<=IIC_regdataask2;
IIC_regdataask2: if(SCL_l)
nstate<=IIC_regaddr3;
IIC_regaddr3:if(SCL_l==1'b1&&bytecnt==3'b0)
nstate<=IIC_regaddrask3;
IIC_regaddrask3:if(SCL_l)
nstate<=IIC_regdata3;
IIC_regdata3:if(SCL_l==1'b1&&bytecnt==3'b0)
nstate<=IIC_regdataask3;
IIC_regdataask3:if(SCL_l)
nstate<=IIC_stop;
IIC_stop: if(SCL_h)
nstate<=IIC_stop;
default: nstate<=state;
endcase
end
//第三部分 数据输出控制：
always @(posedge clk or negedge rst)
begin
 if(!rst) begin
 sdareg<=1;
 sdalink<=1;
 end
 else begin
 case(state)
 IIC_idle: begin
 sdareg<=1;
 sdalink<=1;
 end
 IIC_start:begin
 if(SCL_h) begin
 sdareg<=0;
 sdalink<=1;
 end
 end
 IIC_icaddr:begin //输出芯片地址
 if(SCL_l) begin
 sdareg<=icaddr[bytecnt];
 sdalink<=1;
 end
 end
 IIC_icaddrask,IIC_regaddrask1,IIC_regaddrask2,
 IIC_regaddrask3,IIC_regdataask1,IIC_regdataask2,
 IIC_regdataask3:begin //输入应答信号
 if(SCL_l)begin
 sdareg<=0;
 sdalink<=0;
 end
 end
 IIC_regaddr1:begin
 if(SCL_l) begin
 sdareg<=regaddr1[bytecnt];
 sdalink<=1;
 end
 end
 IIC_regaddr2:begin
 if(SCL_l) begin
 sdareg<=regaddr2[bytecnt];
 sdalink<=1;
 end
 end
 IIC_regaddr3:begin
 if(SCL_l) begin
 sdareg<=regaddr3[bytecnt];
 sdalink<=1;
 end
 end
 IIC_regdata1:begin
 if(SCL_l) begin
 sdareg<=regdata1[bytecnt];
 sdalink<=1;
 end
 end
 IIC_regdata2:begin
 if(SCL_l) begin
 sdareg<=regdata2[bytecnt];
 sdalink<=1;
 end
 end
 IIC_regdata3:begin
 if(SCL_l) begin
 sdareg<=regdata3[bytecnt];
 sdalink<=1;
 end
 end
 IIC_stop:begin
 if(SCL_h) begin
 sdareg<=1;
 sdalink<=1;
 end
 end
 endcase
 end
end
//数据寄存器控制：
always @(posedge clk or negedge rst)
begin
if(!rst)
bytecnt<=3'b0;
else
case(state)
IIC_icaddr,IIC_regaddr1,IIC_regaddr2,
IIC_regaddr3,IIC_regdata1,IIC_regdata2,
IIC_regdata3://传输 8 位数据或地址
 if(SCL_l)
 bytecnt<=bytecnt-1;
 default: bytecnt<=3'd7;
endcase
end

最后设计仿真文件，得到如下波形图，进行结果的分析：

1.起始态与芯片地址发送 ：

图中当使能 en 为 1 且复位 rst 打开时，可以开始传输，由图中黄线标注处可以看到，当 SCL 为高时，SDA 由高变低，传输开始。 接下来传输芯片地址，SDA 输出，由图中红框处可以看到，11110110 ，正是我们的发出地址（芯片地址七位+0）。然后是 SDA 的输入状态，此时为高阻，手动输入 0，视为应答信号。

2.寄存器 1 地址和寄存器 1 数据：

接上图，芯片地址传输完成后，传输寄存器 1 地址，图中红框 1 处，为01001000，即0x48，然后高阻应答 ，继续传输寄存器 1 数据，图中红框 2 处，为 01010101，即 0x55，然后高阻应答 。可见，与之前设计的数据一样，仿真设计成功。

3.寄存器 2 地址和寄存器 2 数据：

接上图，同理传输寄存器 2 的地址和数据：地址 01001001，即 0x49 ，数据 10101010，即 0xAA 。与设计一致。

4.寄存器 3 地址和寄存器 3 数据及终止态：

接上图，同理传输寄存器 3 的地址和数据：地址 01010000，即 0x50 ，数据 11001100，即 0xCC 。与设计一致。然后在下一个 SCL 为高时， SDA 恢复高电 平，终止传输。

仿真结束，结果与预期一致，仿真成功，以下为 testbench：


`timescale 1ns / 1ps
module IIC_control_tb( );
reg clk,rst,en;
wire SCL,SDA;
always #50 clk=~clk; //产生 10MHz 时钟
initial begin
 rst<=0;
 clk<=0;
 en<=0;
 #2000 rst<=1;
 #1000 en<=1;
 
end
IIC_control iic(
 .clk(clk),
 .rst(rst),
 .SCL(SCL),
 .SDA(SDA),
 .en(en)
);
endmodule

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