1 IP的硬件結構及寄存器

1.1 IP硬件結構

IP內部結構如圖1所示。主要由波特率時鐘寄存器、寄存器組控制器、并行I／O接口、I2C可編程接口、I2C接口引擎5個模塊組成。

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波特率時鐘產生器用來產生I2C IP工作的基本時鐘頻率；寄存器組控制器用來對寄存器進行設置，設置數據通過并行I／O接口傳送到該模塊中；并行I／O接口模塊用來處理可編程接口模塊傳送過來的命令；I2C可編程接口模塊用來設置IP各個寄存器的地址；I2C接口引擎模塊執行I2C總線上數據的傳輸。

1.2? 寄存器結構

I2C控制IP主要由6個寄存器構成，如表1所列。通過對寄存器的讀寫可以方便地控制I2C總線數據的傳輸，從而實現NiosII處理器與設備之間的通信。數據寄存器用來存放I2C總線上要傳送的數據；波特率產生模塊，波特率時鐘寄存器和時鐘寄存器共同決定I2C總線上SCL的頻率。SCL的計算公式為其中System_clk是系統時鐘；Value是時鐘寄存器的值；divider是波特率時鐘寄存器的值所對應的分頻數(寄存器的值與分頻數相差為1，如寄存器設置為0，則分頻數為1；寄存器設置為1，則分頻數值為2)。

本地地址寄存器、控制寄存器、狀態寄存器的詳細介紹略——編者注。

2? I2C控制lP在成像系統中的應用

在成像系統中，CMOS傳感器應用非常普遍。這些傳感器大多數都自帶I2C串行通信接口，本文以MT9M011為例介紹I2C控制IP在成像系統中的應用。MT9M011傳感器根據讀寫位數可分為兩種方式：16位數據讀寫方式和8位數據讀寫方式。這里選用曝光寄存器，采用16位讀寫方式進行操作，時序如圖2所示。

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從設備地址(寫模式)與從設備地址(讀模式)高7位為從器件地址，第8位是讀寫控制位(R／W)，它控制數據的傳輸方向。

向曝光寄存器0x09寫入數據：主器件啟動傳輸，然后發送它所要尋址的從設備地址(寫模式)。MT9M011監視總線，當其地址與傳送的從器件地址相符時，響應一位應答信號，接著主器件發送曝光寄存器地址，MT9M011再次應答，在向曝光寄存器中寫入16位數據后主器件停止寫數據。每傳送8位數據，從器件MT9M011都會產生一位應答信號。

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從曝光寄存器0x09讀出數據：開始部分與寫數據時序是相同的，當主器件發送完從設備地址(寫模式)和寄存器地址后，需要重新啟動，并發送從設備地址(讀模式)，然后才能從寄存器中讀出數據。每讀完1字節數據，主器件都會產生1位應答信號。當16位數據被讀出后，主器件發送1位非應答信號，傳輸結束。

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3? IP應用實例

3.1? 硬件設計

本文使用I2C控制IP對圖像傳感器MT9M011寄存器進行并行配置。硬件設計基于SOPC技術，將系統組件庫提供的32位Nios II軟核處理器、SDRAM接口模塊、TIMER定時器模塊(提供SignaltapII中對信號進行采樣的頻率)、PIO模塊以及I2C控制IP(配置為主設備)集成在一塊FPGA內。QuartusII頂層原理略——編者注。

3.2? 軟件設計

軟件的編寫有兩種方式：一種是對I2C控制IP應用程序編程接口(API)函數的操作；另一種是利用Altera提供的讀寫函數對寄存器進行操作。為了提高系統運行的速度，采用第二種方法。系統軟件部分是在NiosII IDE中，通過編寫C代碼完成的。

對CMOS寄存器的并行配置程序主要包括以下兩個部分：

①IP初始化設置：包括設置波特率、設置本地址寄存器、設置時鐘寄存器值。

②選擇CMOS1，對其寄存器進行讀寫；選擇CMOS2，對其寄存器進行讀寫。寄存器選擇曝光寄存器。

關鍵代碼如下：

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函數checkBus查詢狀態寄存器的麗來判斷I2C總線忙／閑狀態，checkProgres函數查詢狀態寄存器的PIN來判斷總線數據是否傳輸完成。為了便于觀察讀出的數據和寫入的數據是否一致，通常將程序包含在while語句中。

4? 實驗驗證

將硬件系統生成的下載文件燒寫到FPGA芯片上并運行C代碼程序，用QuartusII自帶的SignahapII邏輯分析儀對I2C總線上的數據進行觀察。圖3為所得到的波形，信號由上至下分別為CMOS2／CMOS1上的I2C總線信號m_sclk_2、m_sda_2、m_sclk_1、m_sda_1。前半部分給CMOS1寫入0x06、0x07，然后讀出；后半部分對CMOS2寫入相同的數并讀出。此波形滿足MT9M011圖像傳感器時序讀寫要求。

5 系統擴展

在需要多路CMOS配置的應用中，使用該I2C控制IP可以很容易地實現多路并行CMOS寄存器配置。例如，8路并行CMOS配置系統：在電路板上焊接8片CMOS傳感器芯片，通過對分配器3路信號的控制??? 將使能并行加載到8塊CMOS芯片，3路控制信號和使能信號通過對SOPC系統的PIO接口模塊的控制來實現，配置數據的傳輸則在I2C控制IP的控制下完成。電路板結構簡單，系統容易實現。

結? 語

本文所介紹的I2C IP可作為自定義組件加載到SOPC系統中，使系統的設計更為靈活，功能擴展上具有較大的潛力。在采用CMOS圖像傳感器的成像系統中，I2C接口應用普遍，本文通過給出該IP應用實例，說明了該IP的使用具有廣闊的前景和較高的應用價值。