FPGA实战：从零构建IIC控制器驱动LM75与AT24C128

在嵌入式系统开发中，IIC总线因其简洁的两线制设计和多设备支持能力，成为传感器与存储器件连接的理想选择。本文将带您深入理解IIC协议核心机制，并手把手指导如何用Verilog实现一个稳健的IIC主控制器，最终完成对LM75温度传感器和AT24C128 EEPROM的读写操作。

1. IIC协议精要与设计考量

IIC（Inter-Integrated Circuit）总线由Philips（现NXP）开发，仅需SCL（时钟线）和SDA（数据线）两根信号线即可实现多主多从通信。其核心特征包括：

• 地址寻址机制：7位或10位设备地址，支持同一总线上挂载多个从设备
• 半双工通信：同一时刻只能进行单向数据传输
• 时钟同步：主设备产生时钟信号，从设备可拉低SCL实现时钟扩展
• 应答机制：每个字节传输后跟随ACK/NACK应答位

在设计FPGA实现的IIC控制器时，需要特别注意几个关键时序参数：

提示：实际设计中应留有时序裕量，建议在标准模式按150kHz设计，快速模式按300kHz设计，以应对PCB走线延迟等不确定因素。

2. 状态机架构设计

一个完整的IIC控制器本质上是一个精密的状态机，需要处理起始条件、停止条件、数据传输和应答等多个状态。我们采用分层状态机设计，将控制流程分为顶层事务状态机和底层比特状态机。

2.1 顶层事务状态机

顶层状态机负责完整的IIC事务控制，典型状态包括：

verilog复制parameter MAIN_IDLE = 'd20;  // 空闲状态
parameter MAIN_STAR = 'd21;  // 起始条件
parameter MAIN_DEV0 = 'd22;  // 发送设备地址(写)
parameter MAIN_ADDR = 'd23;  // 发送内存地址
parameter MAIN_REST = 'd24;  // 重复起始条件
parameter MAIN_DEV1 = 'd25;  // 发送设备地址(读)
parameter MAIN_R8BI = 'd26;  // 读取数据字节
parameter MAIN_W8BI = 'd27;  // 写入数据字节
parameter MAIN_STOP = 'd28;  // 停止条件

2.2 底层比特状态机

底层状态机精确控制每个比特位的传输时序，包括时钟高低电平的持续时间管理：

verilog复制// 写数据状态
parameter W1BY_SCLL = 'd6;  // SCL低电平期间准备数据
parameter W1BY_SCLH = 'd7;  // SCL高电平期间保持数据
parameter W1AK_SCLL = 'd8;  // 等待ACK的SCL低电平
parameter W1AK_SCLH = 'd9;  // 采样ACK的SCL高电平

// 读数据状态  
parameter R1BY_SCLL = 'd11; // SCL低电平期间释放SDA
parameter R1BY_SCLH = 'd12; // SCL高电平期间采样数据
parameter R1AK_SCLL = 'd13; // 发送ACK的SCL低电平
parameter R1AK_SCLH = 'd14; // 发送ACK的SCL高电平

状态转换的关键在于精确的时序控制，以下是典型的状态转换代码片段：

verilog复制always@(posedge clk or posedge rst) begin
  if(rst) begin
    cur_state <= MAIN_IDLE;
  end else begin
    case(cur_state)
      MAIN_IDLE: if(req) cur_state <= MAIN_STAR;
      MAIN_STAR: if(down_ack) cur_state <= MAIN_DEV0;
      MAIN_DEV0: if(down_ack) cur_state <= (err_ack) ? MAIN_STOP : MAIN_ADDR;
      // ...其他状态转换逻辑
    endcase
  end
end

3. LM75温度传感器驱动实现

LM75是数字温度传感器，通过IIC接口提供9位至12位精度的温度测量。其关键特性包括：

• 温度分辨率：0.125°C/LSB
• 测量范围：-55°C至+125°C
• 默认地址：0x48（可通过地址引脚配置）

3.1 温度读取流程

读取LM75温度值的完整流程如下：

1. 发送起始条件（START）
2. 发送设备地址+写位（0x90）
3. 发送温度寄存器地址（0x00）
4. 发送重复起始条件（Repeated START）
5. 发送设备地址+读位（0x91）
6. 读取两个字节的温度数据
7. 发送停止条件（STOP）

温度数据格式处理示例代码：

verilog复制// 温度值转换
wire signed [15:0] temp_raw = {rdata[15:8], rdata[7:5], 3'b000};
wire real temperature = $itor(temp_raw) * 0.125;

注意：LM75的温度寄存器返回16位数据，但实际有效位为[15:5]，需要左移3位后再乘以0.125得到实际温度值。

3.2 配置寄存器设置

LM75提供配置寄存器（0x01）用于设置工作模式：

配置示例：

verilog复制// 设置LM75为比较器模式，故障队列4次
send(0x01, 0b00100000);  // 配置寄存器地址0x01，值0x20

4. AT24C128 EEPROM驱动实现

AT24C128是128Kbit(16K×8)串行EEPROM，支持标准IIC接口，具有以下特点：

• 页写模式：支持64字节页写入
• 写保护：支持硬件写保护
• 地址范围：16位地址空间（0x0000-0x3FFF）

4.1 写操作时序

单字节写入时序要点：

1. 发送起始条件
2. 发送设备地址+写位（0xA0）
3. 发送高字节地址
4. 发送低字节地址
5. 发送数据字节
6. 发送停止条件

Verilog实现关键代码：

verilog复制MAIN_DEV0: begin
  per_main_state <= MAIN_DEV0;
  wdata_shft <= {DEV_ADDR[6:0], 1'b0}; // 设备地址+写
  bit_cnt <= 0;
end

MAIN_ADDR: begin
  if(ADDR_NUM == 2) begin
    wdata_shft <= (addr_cnt==0) ? addr[15:8] : addr[7:0];
  end else begin
    wdata_shft <= addr[7:0];
  end
end

重要提示：AT24C128完成写入操作需要约5ms的周期时间（tWR），在此期间不应发起新的写操作。

4.2 读操作时序

随机地址读取操作流程：

1. 发送起始条件
2. 发送设备地址+写位（0xA0）
3. 发送高字节地址
4. 发送低字节地址
5. 发送重复起始条件
6. 发送设备地址+读位（0xA1）
7. 读取数据字节（可连续读取）
8. 发送停止条件

多字节读取的状态机处理：

verilog复制MAIN_R8BI: begin
  if(down_ack && (data_cnt >= DATA_NUM+1)) begin
    cur_state <= MAIN_STOP;
  end else begin
    cur_state <= R1BY_SCLL;
  end
end

R1BY_SCLH: begin
  if((delay_cnt == tHIGH-3) && (~state_change)) begin
    rdata[15:0] <= {rdata[14:0], sda_i}; // 移位接收数据
    bit_cnt <= bit_cnt + 1;
  end
end

5. 调试技巧与常见问题

在实际硬件调试IIC控制器时，以下几个工具和技巧非常有用：

5.1 逻辑分析仪配置

使用Saleae逻辑分析仪捕获IIC信号时建议设置：

• 采样率：至少4倍于SCL频率（400kHz IIC需1.6MHz以上）
• 触发条件：SDA下降沿（START条件）
• 解码设置：选择IIC协议，设置正确的地址格式

5.2 常见问题排查

问题1：从设备无ACK响应

可能原因及解决方案：

• 设备地址错误：检查设备手册确认7位地址
• 设备未上电：测量VCC电压
• 总线冲突：检查是否有其他设备拉低SDA

问题2：数据读取错误

调试步骤：

1. 确认SCL频率在设备支持范围内
2. 检查建立/保持时间是否满足要求
3. 使用示波器观察信号质量，排除毛刺干扰

问题3：EEPROM写入失败

注意事项：

• 确保两次写入间隔大于tWR（5ms）
• 页写入不能跨页（地址64字节边界）
• 写保护引脚（WP）需正确配置

verilog复制// 写入延时处理示例
always @(posedge clk) begin
  if (write_done) begin
    write_timer <= 250000; // 5ms @50MHz
  end else if (write_timer > 0) begin
    write_timer <= write_timer - 1;
  end
end

wire write_ready = (write_timer == 0);

通过本文的实践，您不仅能够掌握IIC控制器的Verilog实现方法，还能获得FPGA与常用外设交互的宝贵经验。在实际项目中，这种可复用的IIC控制器核可以大大加速后续开发进程。