应用于医疗监护仪扩展接口的I2C总线分析器的设计

应用于医疗监护仪扩展接口的I2C总线分析器的设计

1 引言

2 I2C总线标准模式

I2C总线是一种仅用到两线的工业标准同步串行数据通讯总线。两个总线：串行数据（SDA）线和串行时（SCL）线，对于嵌入式系统有限的 IO接口资源是非常重要的。I 2C总线支持从机、主机和多主机。每个I 2C器件有唯一的识别地址（7位或 10位的地址）。串行的 8位双向数据传输传输有三种模式：标准模式（100kbits/s）、快模式（400kbits/s）、高速模式（3.4Mbits/s）。

I2C总线数据传输以字节为单位，按照高位在前顺序传输。数据传输首先以 I 2C主机发出开始条件和从机地址，读写控制字。从机必须对地址完成识别，之后传输由器件规则和协议定义的一系列读或写的数据。字节传输要有响应信号，确认后再发下一个字节，当通讯结束后，主机产生停止状态。

接收端采用SCL信号同步采样读取数据信息。I 2C协议规定数据变化只发生在 SCL信号为低电平期间，高电平期间要保持数据信号的稳定性。SCL信号线高电平期间，SDA信号由高电平变为低电平是开始条件，反之为停止条件。 3 硬件设计

I2C总线分析器为医疗检测仪或其它嵌入式系统提供很好的外设扩展。在不同工作模式下提供系统更多的功能。

在被动模式下，分析器探测总线上数据，传输数据或做算法处理。这里将采集到的数据直接通过 LCD显示，不占用微处理器资源；在主机模式下，分析器掌控总线，完成对外设的操作，如配置传感器，采集传感器信号；在从机模式下，分析器作为 I 2C器件使用，在被总线上主机识别后，接收或发送用户信息。

3．1 控制信息模块和 I 2C状态机

在控制寄存器中，最高位是初始化标识位，使系统进入等待状态；第 7位用于控制 I 2C总线产生起始状态；第 6位用于控制总线产生停止状态；第 5位控制读、写 FIFO存储器，低电平定义使用FIFO读存储器，高电平定义使用 FIFO写存储器；第 3、4位用于总线工作模式选择；第 2位用于主、从模式选择；最后一位作为总线传输响应。

状态寄存器反映工作状态。功能描述如下：最高位选择主、从机模式，第 7位标识总线状态，第 6、3位标识 FIFO存储器状态，第 5位标识数据通讯方向，第 4位为中断位，最后两位标识工作模式检测模式，共 8位。

3．2状态的产生和探测模块

根据协议，主机在 SCL高电平期间，在 SDA线上产生由 0到 1或由 1到 0的变化，前者代表开始条件，后者代表了停止条件。设计基于分频器完成，由控制信息模块可以产生所需 SCL信号，由 SCL信号倍频信号控制在 SCL信号高电平时产生 SDA信号。

在从机状态下，因为起始、停止条件是由 SDA在 SCL高电平期间改变来产生，所以设计中考虑用 SCL频率的 30、25或 16倍频来探测（高速模式下 56MHz可以由 PLL产生）。考虑在不同模式下采用不同倍频系数，虽然增加了设计复杂度和硬件的消耗，但从机能更精确地探测到起始和停止条件，提高系统性能。

3．3信息收集模块

3．4器件地址模块

根据协议，每个 I2C器件都有独立地址。本设计有自定义 7位地址。如果信息收集模块中采样到地址与本地址一致，则作为从机操作。

3．5 FIFO读、写存储器

3．7 主系统状态机

这是 I2C总线分析器的核心单元，需要完成在被动模式、主机模式和从机模式下状态转换和控制，根据控制寄存器中控制字，采用有限状态机嵌套设计完成。状态机编码采用独热编码，有利于提高传输速度并节省面积。

I2C总线分析器状态转移如图 2所示，整个过程受控制字和状态寄存器调节。图中主要描述了作为主机模式下状态变换，从机模式下，在准备阶段需要加上 I2C总线识别、器件地址识别，其它过程与主机相似，这里不详细描述。

另外，采用移位寄存器完成数据接收和发送模块设计，最后，由顶层完成各模块时序控制，重点在于时钟信号管理，以达到同步目的。 4 验证

4．1 仿真 I2C总线分析器主要有主机写操作、读操作和作为从机写操作、读操作功能。采用 Verilog HDL语言建立测试平台，联合 ModelSim完成功能和时序验证。

图 3波形验证了主机向从机发送地址和写数据的过程：发送 7位地址 0x40h和写控制字0，即0x80h、8位数据 0xa8h。在 I 2C总线上，首先产生起始条件，接着发送从机地址和写控制信号，采样响应信号后再发送数据，响应后产生停止条件。由下图的波形分析，主机能正确的发送地址和数据，应对从机响应。

下面测试作为从机接收数据，检测I 2C总线信息，探测起始条件，接收从机地址和R/W，地址不同无响应，地址相同产生响应信号，并开始接收数据。I 2C总线分析器的地址定义为0x50h。仿真波形如图 4所示。由上图的波形说明设计能够很好完成作为从机的功能。

图 5显示了由逻辑分析仪得到的结果。I 2C总线分析器作为主机很明显能够驱动总线，向从机发送从机地址、命令和数据，符合对 TMS8083应用中传输数据描述，能进行正确通讯。

5 总结

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