基于STEP FPGA的PCF8591的ADC（I2C）功能驅動

PCF8591是集成了4路ADC和1路DAC的芯片，使用I2C總線通信。
I2C總線是由Philips公司開發(fā)的一種簡單、雙向二線制同步串行總線。它只需要兩根線即可在連接于總線上的器件之間傳送信息。主器件用于啟動總線傳送數據，并產生時鐘以開放傳送的器件，此時任何被尋址的器件均被認為是從器件。如果主機要發(fā)送數據給從器件，則主機首先尋址從器件，然后主動發(fā)送數據至從器件，最后由主機終止數據傳送；如果主機要接收從器件的數據，首先由主器件尋址從器件，然后主機接收從器件發(fā)送的數據，最后由主機終止接收過程。這里不做過多的講解，硬件連接如下：

本設計的硬件連接如下

本設計中FPGA作為I2C主設備，PCF8591作為I2C從設備，從設備的地址由固定地址和可編程地址組成，我們的外設底板已將可編程地址A0、A1、A2接地，所以7位地址為7'h48，加上最低位的讀寫控制，所以給PCF8591寫數據時的尋址地址為8'h90，對PCF8591讀數據時的尋址地址為8'h91。如下

PCF8591集成了很多功能，當需要不同的功能時要對PCF8591做相應的配置，配置數據存儲在名為CONTROL BYTE的寄存器中，下圖展示了寄存器中部分bit的功能，詳細請參考PCF8591的datasheet，本設計中我們只使用通道1的ADC功能，配置數據為8'h01。

本設計中我們需要兩次通信，

• 第一次為配置數據，具體為：開始–寫尋址–讀響應–寫配置數據–讀響應–結束
• 第二次為讀ADC數據，具體為：開始–讀尋址–讀響應–[讀ADC數據–寫響應–]循環(huán)讀

第二次的時序如下圖：
通過上面的介紹大家應該對如何驅動PCF8591進行ADC采樣有了整體的概念，還有一些細節(jié)就是I2C通信的時序明細，如下圖

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// >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> COPYRIGHT NOTICE <<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<
// --------------------------------------------------------------------
// Module: ADC_I2C
// 
// Author: Step
// 
// Description: ADC_I2C
// 
// --------------------------------------------------------------------
// Code Revision History :
// --------------------------------------------------------------------
// Version: |Mod. Date:   |Changes Made:
// V1.1     |2016/10/30   |Initial ver
// --------------------------------------------------------------------
module ADC_I2C(
	input				clk_in,		//系統(tǒng)時鐘
	input				rst_n_in,	//系統(tǒng)復位，低有效
	output				scl_out,	//I2C總線SCL
	inout				sda_out,	//I2C總線SDA
	output	reg			adc_done,	//ADC采樣完成標志
	output	reg	[7:0]	adc_data	//ADC采樣數據
	)
	; 	
	parameter	CNT_NUM	=	15; 	
	localparam	IDLE	=	3'd0;
	localparam	MAIN	=	3'd1;
	localparam	START	=	3'd2;
	localparam	WRITE	=	3'd3;
	localparam	READ	=	3'd4;
	localparam	STOP	=	3'd5; 	//根據PCF8591的datasheet，I2C的頻率最高為100KHz，
	//我們準備使用4個節(jié)拍完成1bit數據的傳輸，所以需要400KHz的時鐘觸發(fā)完成該設計
	//使用計數器分頻產生400KHz時鐘信號clk_400khz
	reg					clk_400khz;
	reg		[9:0]		cnt_400khz;
	always@(posedge clk_in or negedge rst_n_in) begin
		if(!rst_n_in) begin
			cnt_400khz <= 10'd0;
			clk_400khz <= 1'b0;
		end else if(cnt_400khz >= CNT_NUM-1) begin
			cnt_400khz <= 10'd0;
			clk_400khz <= ~clk_400khz;
		end else begin
			cnt_400khz <= cnt_400khz + 1'b1;
		end
	end 	reg		[7:0]		adc_data_r;
	reg					scl_out_r;
	reg					sda_out_r;
	reg		[2:0]		cnt;
	reg		[3:0]		cnt_main;
	reg		[7:0]		data_wr;
	reg		[2:0]		cnt_start;
	reg		[2:0]		cnt_write;
	reg		[4:0]		cnt_read;
	reg		[2:0]		cnt_stop;
	reg		[2:0] 		state; 	
	always@(posedge clk_400khz or negedge rst_n_in) begin
		if(!rst_n_in) begin	//如果按鍵復位，將相關數據初始化
			scl_out_r <= 1'd1;
			sda_out_r <= 1'd1;
			cnt <= 1'b0;
			cnt_main <= 4'd0;
			cnt_start <= 3'd0;
			cnt_write <= 3'd0;
			cnt_read <= 5'd0;
			cnt_stop <= 1'd0;
			adc_done <= 1'b0;
			adc_data <= 1'b0;
			state <= IDLE;
		end else begin
			case(state)
				IDLE:begin	//軟件自復位，主要用于程序跑飛后的處理
						scl_out_r <= 1'd1;
						sda_out_r <= 1'd1;
						cnt <= 1'b0;
						cnt_main <= 4'd0;
						cnt_start <= 3'd0;
						cnt_write <= 3'd0;
						cnt_read <= 5'd0;
						cnt_stop <= 1'd0;
						adc_done <= 1'b0;
						state <= MAIN;
					end
				MAIN:begin
						if(cnt_main >= 4'd6) cnt_main <= 4'd6;  //對MAIN中的子狀態(tài)執(zhí)行控制cnt_main
						else cnt_main <= cnt_main + 1'b1;
						case(cnt_main)
							4'd0:	begin state <= START; 
							end	//I2C通信時序中的START
							4'd1:	begin data_wr <= 8'h90; 
							state <= WRITE; 
							end	//A0,A1,A2都接了GND，寫地址為8'h90
							4'd2:	begin data_wr <= 8'h00; 
							state <= WRITE; 
							end	//control byte為8'h00，采用4通道ADC中的通道0
							4'd3:	begin state <= STOP; 
							end	//I2C通信時序中的START
							4'd4:	begin state <= START; 
							end	//I2C通信時序中的STOP
							4'd5:	begin data_wr <= 8'h91; 
							state <= WRITE; 
							end	//A0 A1 A2都接了GND，讀地址為8'h91
							4'd6:	begin state <= READ; 
							adc_done <= 1'b0; 
							end	//讀取ADC的采樣數據
							4'd7:	begin state <= STOP; 
							adc_done <= 1'b1; 
							end	//I2C通信時序中的STOP，讀取完成標志
							4'd8:	begin state <= MAIN; 
							end	//預留狀態(tài)，不執(zhí)行
							default: state <= IDLE;	//如果程序失控，進入IDLE自復位狀態(tài)
						endcase
					end
				START:begin	//I2C通信時序中的起始START
						if(cnt_start >= 3'd5) cnt_start <= 1'b0;	
						//對START中的子狀態(tài)執(zhí)行控制cnt_start
						else cnt_start <= cnt_start + 1'b1;
						case(cnt_start)
							3'd0:	begin sda_out_r <= 1'b1; 
							scl_out_r <= 1'b1; 
							end	//將SCL和SDA拉高，保持4.7us以上
							3'd1:	begin sda_out_r <= 1'b1; 
							scl_out_r <= 1'b1; 
							end	//clk_400khz每個周期2.5us，需要兩個周期
							3'd2:	begin sda_out_r <= 1'b0; 
							end	//SDA拉低到SCL拉低，保持4.0us以上
							3'd3:	begin sda_out_r <= 1'b0; 
							end	//clk_400khz每個周期2.5us，需要兩個周期
							3'd4:	begin scl_out_r <= 1'b0; 
							end	//SCL拉低，保持4.7us以上
							3'd5:	begin scl_out_r <= 1'b0; 
							state <= MAIN; 
							end	//clk_400khz每個周期2.5us，需要兩個周期，返回MAIN
							default: state <= IDLE;	//如果程序失控，進入IDLE自復位狀態(tài)
						endcase
					end
				WRITE:begin	//I2C通信時序中的寫操作WRITE和相應判斷操作ACK
						if(cnt <= 3'd6) begin	//共需要發(fā)送8bit的數據，這里控制循環(huán)的次數
							if(cnt_write >= 3'd3) begin cnt_write <= 1'b0; 
							cnt <= cnt + 1'b1; end
							else begin cnt_write <= cnt_write + 1'b1; 
							cnt <= cnt; end
						end else begin
							if(cnt_write >= 3'd7) begin cnt_write <= 1'b0; 
							cnt <= 1'b0; end	//兩個變量都恢復初值
							else begin cnt_write <= cnt_write + 1'b1; 
							cnt <= cnt; end
						end
						case(cnt_write)
							//按照I2C的時序傳輸數據
							3'd0:	begin scl_out_r <= 1'b0; 
							sda_out_r <= data_wr[7-cnt]; 
							end	//SCL拉低，并控制SDA輸出對應的位
							3'd1:	begin scl_out_r <= 1'b1; 
							end	//SCL拉高，保持4.0us以上
							3'd2:	begin scl_out_r <= 1'b1; 
							end	//clk_400khz每個周期2.5us，需要兩個周期
							3'd3:	begin scl_out_r <= 1'b0; 
							end	//SCL拉低，準備發(fā)送下1bit的數據
							//獲取從設備的響應信號并判斷
							3'd4:	begin sda_out_r <= 1'bz; 
							end	//釋放SDA線，準備接收從設備的響應信號
							3'd5:	begin scl_out_r <= 1'b1; 
							end	//SCL拉高，保持4.0us以上
							3'd6:	begin if(sda_out) state <= IDLE; 
							else state <= state; 
							end	//獲取從設備的響應信號并判斷
							3'd7:	begin scl_out_r <= 1'b0; 
							state <= MAIN; 
							end	//SCL拉低，返回MAIN狀態(tài)
							default: state <= IDLE;	//如果程序失控，進入IDLE自復位狀態(tài)
						endcase
					end
				READ:begin	//I2C通信時序中的讀操作READ和返回ACK的操作
						if(cnt <= 3'd6) begin	//共需要接收8bit的數據，這里控制循環(huán)的次數
							if(cnt_read >= 3'd3) begin cnt_read <= 1'b0; 
							cnt <= cnt + 1'b1; end
							else begin cnt_read <= cnt_read + 1'b1; 
							cnt <= cnt; 
							end
						end else begin
							if(cnt_read >= 3'd7) begin cnt_read <= 1'b0; 
							cnt <= 1'b0; 
							end	//兩個變量都恢復初值
							else begin cnt_read <= cnt_read + 1'b1; 
							cnt <= cnt; 
							end
						end
						case(cnt_read)
							//按照I2C的時序接收數據
							3'd0:	begin scl_out_r <= 1'b0; 
							sda_out_r <= 1'bz; 
							end	//SCL拉低，釋放SDA線，準備接收從設備數據
							3'd1:	begin scl_out_r <= 1'b1; 
							end	//SCL拉高，保持4.0us以上
							3'd2:	begin adc_data_r[7-cnt] <= sda_out; 
							end	//讀取從設備返回的數據
							3'd3:	begin scl_out_r <= 1'b0; 
							end	//SCL拉低，準備接收下1bit的數據
							//向從設備發(fā)送響應信號
							3'd4:	begin sda_out_r <= 1'b0; a
							dc_done <= 1'b1; 
							adc_data <= adc_data_r; 
							end	//發(fā)送響應信號，將前面接收的數據鎖存
							3'd5:	begin scl_out_r <= 1'b1; 
							end	//SCL拉高，保持4.0us以上
							3'd6:	begin scl_out_r <= 1'b1; 
							adc_done <= 1'b0; 
							end	//SCL拉高，保持4.0us以上
							3'd7:	begin scl_out_r <= 1'b0; 
							state <= MAIN; 
							end	//SCL拉低，返回MAIN狀態(tài)
							default: state <= IDLE;	//如果程序失控，進入IDLE自復位狀態(tài)
						endcase
					end
				STOP:begin	//I2C通信時序中的結束STOP
						if(cnt_stop >= 3'd5) cnt_stop <= 1'b0;	//對STOP中的子狀態(tài)執(zhí)行控制cnt_stop
						else cnt_stop <= cnt_stop + 1'b1;
						case(cnt_stop)
							3'd0:	begin sda_out_r <= 1'b0; 
							end	//SDA拉低，準備STOP
							3'd1:	begin sda_out_r <= 1'b0; 
							end	//SDA拉低，準備STOP
							3'd2:	begin scl_out_r <= 1'b1; 
							end	//SCL提前SDA拉高4.0us
							3'd3:	begin scl_out_r <= 1'b1; 
							end	//SCL提前SDA拉高4.0us
							3'd4:	begin sda_out_r <= 1'b1; 
							end	//SDA拉高
							3'd5:	begin sda_out_r <= 1'b1; 
							state <= MAIN; 
							end	//完成STOP操作，返回MAIN狀態(tài)
							default: state <= IDLE;	//如果程序失控，進入IDLE自復位狀態(tài)
						endcase
					end
				default:;
			endcase
		end
	end 	
	assign	scl_out = scl_out_r;	//對SCL端口賦值
	assign	sda_out = sda_out_r;	//對SDA端口賦值 
	endmodule

本節(jié)主要為大家講解了使用I2C驅動PCF8591的ADC功能的原理及軟件設計，需要大家掌握的同時自己創(chuàng)建工程，通過整個設計流程，生成FPGA配置文件加載測試。