I2C總線(inter integrated circuit bus)由飛利浦公司于20世紀(jì)80年代研究開發(fā),。I2C總線接口電路其簡(jiǎn)單性和有效性而被廣泛用于連接微處理器及外圍設(shè)備,。在電視中頻解調(diào)電路中，二線制的I2C總線接口電路使得主控制器只需要2個(gè)引腳便可實(shí)現(xiàn)對(duì)解調(diào)電路所有功能的控制,，且總線接口集成在器件中,，各電路單元之間只需要最簡(jiǎn)單的連接，大大簡(jiǎn)化了電路板上的走線,，減少了電路板面積,，提高了其可靠性，降低了成本,。

　　在該中頻解調(diào)的接口電路中,，基于I2C總線傳輸協(xié)議，通過(guò)對(duì)狀態(tài)機(jī)與控制邏輯的優(yōu)化設(shè)置,，只需要1個(gè)3位的狀態(tài)機(jī)便可實(shí)現(xiàn)電路的使能,、啟動(dòng)、終止,、應(yīng)答,、復(fù)位、選址等功能,，電路得到了最優(yōu)化,，且通過(guò)地址選擇位的增加，防止了芯片地址沖突,，極大地改善了電路的可靠性及穩(wěn)定性,。

　　1 I2C總線的特點(diǎn)及數(shù)據(jù)傳輸

　　1．1 總線特點(diǎn)

　　I2C總線是由數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘線SCL構(gòu)成的雙向串行總線，I2C總線上的所有節(jié)點(diǎn),，如主控器,、外圍器件、接口模塊都連接到SDA,，SCL上,，在總線備用時(shí)，SDA和SCL都保持高電平,，I2C不工作時(shí)SCL嵌位在低電平,。為了使總線上所有電路的輸出都能實(shí)現(xiàn)“線與”功能，I2C總線接口電路的輸出端必須是漏極開路結(jié)構(gòu),，輸出端要接上拉電阻,。

　　1．2 總線的數(shù)據(jù)傳輸格式

　　I2C總線數(shù)據(jù)傳送格式按圖1進(jìn)行,。首先由主控設(shè)備發(fā)出起始信號(hào)(S)，即SDA在SCL高電平期間由高電平跳變?yōu)榈碗娖?，然后主控器發(fā)送1個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù),。首先傳送的是最高位(MSB)。在傳輸了每個(gè)字節(jié)之后,，必須要有接收設(shè)備發(fā)出1位應(yīng)答信號(hào),。

　起始信號(hào)后的第1個(gè)字節(jié)是尋址字節(jié)，尋址字節(jié)的高7位是接收設(shè)備的地址,，第8位是方向位,，“O”發(fā)送數(shù)據(jù)(寫狀態(tài))，“1”接收數(shù)據(jù)(讀狀態(tài)),。尋址字節(jié)后面可以有很多數(shù)據(jù)字節(jié),，每個(gè)字節(jié)后都要有一位發(fā)自接收設(shè)備的應(yīng)答信號(hào)。在結(jié)束與該接收設(shè)備通信時(shí),，主控設(shè)備

　　必須發(fā)出終止信號(hào)(P),，即在時(shí)鐘線SCL為高電平期間，SDA由低電平跳變?yōu)楦唠娖健?/p>

　　2 中頻解調(diào)電路I2C總線接口的實(shí)現(xiàn)

　　電視中頻解調(diào)電路中的I2C總線接口主要由輸入濾波器,、地址寄存器,、移位寄存器,、控制寄存器,、狀態(tài)機(jī)與控制邏輯、讀狀態(tài)寄存器,、輸出模式寄存器等構(gòu)成,，如圖2所示。其中,，輸入濾波器具有I2C總線邏輯兼容電平,，輸入時(shí)鐘與內(nèi)部時(shí)鐘同步，可濾除部分干擾信號(hào),?？刂七壿嬜鳛榭刂坪诵目刂浦恳徊糠值臓顟B(tài)。地址寄存器存放著自己的7位地址,，用來(lái)與接收到的地址比較,。移位寄存器、輸出模式寄存器與讀狀態(tài)寄存器端口并行相接,，各存儲(chǔ)著8位數(shù)據(jù)字節(jié),。

　　(1)起始信號(hào)與結(jié)束信號(hào)檢測(cè)。起始信號(hào)與結(jié)束信號(hào)的檢測(cè)由2個(gè)下降沿D觸發(fā)器和1個(gè)反相器構(gòu)成,，如圖3所示,。D1在SDA從高電平跳變到低電平時(shí)觸發(fā),，此時(shí)只有當(dāng)SCL保持高電平時(shí)，Start才為1,，即檢測(cè)到起始信號(hào),。同理，D2在SDA從低電平跳變到高電平時(shí)觸發(fā),，此時(shí)只有當(dāng)SCL保持高電平時(shí),，Stop才為1，即檢測(cè)到結(jié)束信號(hào),。

　　(2)地址檢測(cè),。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，I2C總線每次通信輸入8位地址數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù),，電路進(jìn)行地址比較以后,，如果地址正確，則接收控制數(shù)據(jù),。為了防止地址沖突,，增加了地址選擇位，具體實(shí)現(xiàn)如圖4所示,。D7～D1為發(fā)送的數(shù)據(jù)地址,，由于S1，S2是可設(shè)置端口,，有4種組合,，即總線接口有4個(gè)地址，分別為 1000010,，100001l,，1001010，100101l,，只有當(dāng)D7～D1為100S101S2時(shí),，選址成功，即可以有效解決地址沖突,。

　　(3)數(shù)據(jù)串并與并串的轉(zhuǎn)換,。電路中，串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù),、并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)主要由移位寄存器完成,。它以并行方式與輸出模式寄存器和讀狀態(tài)寄存器相連；以串行方式與數(shù)據(jù)線SDA相連,。發(fā)送的數(shù)據(jù)由讀狀態(tài)寄存器裝載到數(shù)據(jù)寄存器中,。發(fā)送后數(shù)據(jù)又從串行通道返回?cái)?shù)據(jù)寄存器中，接收數(shù)據(jù)時(shí),，數(shù)據(jù)寄存器裝入SDA線上的數(shù)據(jù),。

　　(4)內(nèi)部總線狀態(tài)的檢測(cè),。讀狀態(tài)寄存器連接著內(nèi)部總線的8位狀態(tài)位S0～S7，在讀狀態(tài)時(shí),，該寄存器將內(nèi)部總線的狀態(tài)讀進(jìn)去,，再以并行方式傳給移位寄存器，移位寄存器以串行的方式傳給數(shù)據(jù)線,，即內(nèi)部總線狀態(tài)被主控器讀取,，如圖5所示。

　　(5)并行端口的擴(kuò)展,。根據(jù)芯片功能的需要,，設(shè)置了4組輸出模式寄存器，分別為調(diào)整模式寄存器,、備用寄存器,、開關(guān)模式寄存器、數(shù)據(jù)模式寄存器,。寄存器個(gè)數(shù)可根據(jù)芯片功能的需要進(jìn)行并行擴(kuò)展,，由于每一組寄存器都對(duì)應(yīng)著相應(yīng)的子地址，所以每一組寄存器對(duì)應(yīng)相應(yīng)的時(shí)鐘CPl,，CP2,，CP3，CP4和控制端 C1,，C2,，C3，C4,。這些時(shí)鐘和控制端由1個(gè)帶控制端的2／4譯碼器輸出,，所以每次只有1組寄存器工作,，如圖5所示,。

　　(6)狀態(tài)機(jī)與控制邏輯的設(shè)置與優(yōu)化。狀態(tài)機(jī)與控制邏輯作為I2C接口的控制中心,，主要用于控制I2C接口電路的使能,、啟動(dòng)、終止,。圖5給出寄存器組圖的應(yīng)答,、復(fù)位、選址及中斷請(qǐng)求等,。通過(guò)對(duì)狀態(tài)機(jī)與控制邏輯的優(yōu)化設(shè)置,，僅使用3位狀態(tài)作為狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)端，在滿足更多功能的基礎(chǔ)上,，電路更易于實(shí)現(xiàn),。如圖6 所示,，3個(gè)觸發(fā)器的輸出Q18，Q15,，Q16為狀態(tài)機(jī)的狀態(tài),，Qd0～Qd8為移位寄存器的輸出，HL91為移位寄存器的可控復(fù)位端,，G111為地址檢測(cè)位,，HL22為應(yīng)答位，C5,，C6為移位寄存器與讀狀態(tài)寄存器的控制端,。

　　上電后，狀態(tài)機(jī)的初始值被置位為全0,。HL91作為移位寄存器輸入端的置位端將移位寄存器的輸入端置0,。當(dāng)初始信號(hào)到來(lái)時(shí)，start信號(hào)變?yōu)?,，此時(shí)狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)變?yōu)?00,，開始傳送尋址字節(jié)；當(dāng)8位地址傳送完畢后,，假設(shè)為寫狀態(tài),，此時(shí)Qd8變?yōu)楦唠娖剑瑧?yīng)答位HL22由高電平變?yōu)榈忘c(diǎn)平,，狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)變?yōu)?10,。HL91變高將移位寄存器的輸入置0，響應(yīng)結(jié)束后,，應(yīng)答位由低電平變?yōu)楦唠娖?，狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)變?yōu)?10，此時(shí)開始傳輸數(shù)據(jù),。

　　I2C總線開始工作后,，主控器便發(fā)送尋址字節(jié)給移位寄存器，在移位寄存器將7位串行地址并行移出,，且與地址寄存器的從地址進(jìn)行比較,，當(dāng)?shù)刂废嗤瑫r(shí)，Glll變?yōu)?,，尋址成功,，此時(shí)應(yīng)答信號(hào)HL22變?yōu)?，并告知主控制器,。在尋址成功后,，如果為讀狀態(tài)，則在傳完該字節(jié)之后，產(chǎn)生應(yīng)答信號(hào),，狀態(tài)機(jī)變?yōu)?00,，移位寄存器控制端C5變?yōu)榈碗娖剑x狀態(tài)寄存器的控制端C6變?yōu)楦唠娖?，讀狀態(tài)寄存器讀入內(nèi)部總線狀態(tài),。其中，QI20是與讀／寫有關(guān)的控制端,，響應(yīng)結(jié)束后,，狀態(tài)機(jī)狀態(tài)變?yōu)?10，此時(shí),，C5變?yōu)楦唠娖?，C6變?yōu)榈碗娖剑x狀態(tài)寄存器將存儲(chǔ)的8位狀態(tài)位并行傳給移位寄存器,；移位寄存器將狀態(tài)串行移出,，發(fā)送給主控制器；主控制器接收到8位狀態(tài)位后,，發(fā)送非應(yīng)答信號(hào)給接收器,，使它釋放數(shù)據(jù)線；響應(yīng)結(jié)束后,，主控制器產(chǎn)生結(jié)束信號(hào),，結(jié)束數(shù)據(jù)傳送?！∪绻麨閷憼顟B(tài),，在接收器產(chǎn)生應(yīng)答信號(hào)后，主控器將發(fā)送子地址給移位寄存器,。根據(jù)輸出模式寄存器功能的不同,，分別對(duì)應(yīng)3組不同的子地址。在狀態(tài)機(jī)與控制邏輯的作用下,，子地址具有自動(dòng)加1功能,，所以在讀寫多字節(jié)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操作,，加上后面的2／4譯碼器,，每次只選通1路輸出模式寄存器，如圖7所示,。

　　在所有數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，接收器發(fā)送應(yīng)答信號(hào)給主控制器,，響應(yīng)結(jié)束后,，主控制器發(fā)送停止信號(hào)(P)，結(jié)束數(shù)據(jù)傳送,。

　　3 仿真結(jié)果

　　通過(guò)VHDL的程序編寫,，對(duì)I2C模塊進(jìn)行了分析綜合,，得到如圖8、圖9的仿真結(jié)果,。

　　在寫狀態(tài)時(shí),，尋址位后的讀／寫位為0，C6一直為低電平,，即讀狀態(tài)寄存器不工作,，在開始后的第8個(gè)時(shí)鐘，移位寄存器將SDA的數(shù)據(jù)并行移出,，第9個(gè)時(shí)鐘時(shí),，應(yīng)答位HL22變?yōu)榈碗娖健Ｔ谧x狀態(tài)時(shí),，當(dāng)傳完7位尋址位和“1”方向位時(shí),，C5變?yōu)榈碗娖剑珻6變?yōu)楦唠娖?，讀狀態(tài)寄存器工作,，可將內(nèi)部總線狀態(tài)讀進(jìn)來(lái)。

　　在讀／寫2種狀態(tài)下,，I2C控制模塊都能很好地實(shí)現(xiàn)I2C總線的開始,、停止、讀,、寫,、響應(yīng)等功能，仿真結(jié)果正確,，完全符合I2C總線標(biāo)準(zhǔn)和電路預(yù)期的要求,。

 　　4 結(jié) 語(yǔ)

　　目前，I2C總線已作為一種標(biāo)準(zhǔn)廣為人們接受,，除了帶有I2C總線的單片機(jī)和一些常用的外圍設(shè)備器件,，在電信、電視,、音像等產(chǎn)品中都有成套的I2C總線器件,。

　　隨著大量串行數(shù)據(jù)的傳輸，I2C總線的傳輸速率已提升為高速模式,，可達(dá)到3．4 Mb／s,，尋址范圍也由原來(lái)的7位擴(kuò)展為10位，這樣被控器的地址數(shù)量約增加了10倍,。