范小燁

摘要：I2C總線協(xié)議是由Phlips公司研發(fā)并推行的一款高性能的串行總線。它具有多主機系統(tǒng)總線仲裁功能和高速設備與低速設備的同步功能。本篇文章的設計應用I2C串口協(xié)議對溫度感應芯片LM75A進行正確的讀寫控制。以quartus 2為平臺進行仿真，利用LB0學習板上的溫度傳感器LM75A和LED顯示器，設計實現(xiàn)溫度檢測的控制電路，讀出當前溫度信息。

關鍵詞：I2C總線協(xié)議；quartus 2；溫度檢測；

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）27-6536-03

Abstract：I2C bus protocol was developed and implemented by the company Phlips a high-performance serial bus. It has a multi-master system bus arbitration function devices and high-speed and low-speed device synchronization. This article is designed to use I2C serial protocol LM75A temperature sensor chip to read and write properly controlled. In quartus 2 simulation platform， using temperature sensors LM75A LB0 learning and LED display board， design temperature detection control circuit reads the current temperature information.

Key words： I2C； quartus 2； temperature detection

通信協(xié)議是一種通信雙方必須服從的約定，其中包括的一系列問題有：數(shù)據(jù)格式的傳輸，同步模式，傳輸速率，傳輸程序，錯誤檢測和校正模式，控制字符定義等。根據(jù)同步方式的不同分為同步協(xié)議和異步協(xié)議。串口通信是指主機和從機之間傳輸數(shù)據(jù)的一種通訊的形式。它通過數(shù)據(jù)傳輸線、地線和控制線等實現(xiàn)。這類通信方式的優(yōu)點是數(shù)據(jù)線少，能夠使系統(tǒng)的硬件設計大大簡化，在遠距離傳輸中可以降低開銷，提高系統(tǒng)可靠性。缺點是傳輸速度沒有并行傳輸快。

在工程設計中經(jīng)常使用的串行通信總線有： I2C總線、SPI總線和Microwire/PLUS。該文只針對I2C串行通信總線進行討論。

I2C串行通信總線是負責微控制器和外設電路之間的通信連接的高性能串口通信協(xié)議。

本文溫度檢測設計所用溫度芯片LM75A 是一個集成了帶隙溫度傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的溫度檢測芯片，可以直接輸出當前環(huán)境溫度的11位二進制值。該芯片可以提供過熱檢測輸出。溫度檢測在日常生活中有非常廣泛的應用，例如火災報警，家用電器過熱檢測等等，簡單的溫度檢測設計可以為我們的生活帶來極大的方便，保護我們的生命財產(chǎn)安全。

1 I2C串行總線

1.1概述

PHILIPS公司從改善硬件工作效率的角度出發(fā)，開發(fā)了一種用于內(nèi)部IC控制的簡單雙向兩線串行總線I2C。支持任何一種IC制造工藝，并且具有品種眾多的I2C可兼容芯片。強大的兼容性和可用性讓該通信總線成為世界工業(yè)化的重要成員。兩根雙向信號線（數(shù)據(jù)線SDA和時鐘線SCL）組成了I2C總線。

接收器收到一個完整的數(shù)據(jù)字節(jié)后只要將SCL時鐘線置為低，就可以使主機進入等待狀態(tài)，并且利用這段時間去完成一些必須的工作，如處理內(nèi)部中斷服務等。完成其他工作后釋放SCL線接著進行數(shù)據(jù)傳送的工作。

2 數(shù)據(jù)的傳送格式

1） 字節(jié)傳送不應答：在數(shù)據(jù)傳輸中，每個字節(jié)必須是8位，每個字節(jié)應該由對方反饋一個ACK信號代表對方在線。非應答信號正常情況下出現(xiàn)在所有字節(jié)的最后。這些一般會在通信雙方約定的通信協(xié)議中規(guī)定。需要注意的是SCL必須由主機發(fā)送，否則會出現(xiàn)嚴重的后果。

2） 數(shù)據(jù)幀格式：I2C總線上傳輸數(shù)據(jù)信號和地址信號。第一個字節(jié)是"片選信號"，由7位從機地址加1位方向控制位組成。從機接收到自己的地址時才可以發(fā)送應答信號且必須應答主機以表示自己在線可以進行通信。此時其他地址的從機不被允許通信。如果主機發(fā)起的是群呼時，外圍從機設備不能發(fā)送數(shù)據(jù)。

其中傳送方向的“讀寫”是站在主機的立場上定義的?！白x”是主機收到從機的數(shù)據(jù)，“寫”是主機對從機發(fā)送數(shù)據(jù)。

3） 總線的尋址：I2C總線通信協(xié)議中規(guī)定采用尋址字節(jié)為7位（即起始信號后的第一個字節(jié)）。 從地址的可編程部分確定總線最多可以訪問設備目。7位的I2C總線可以連接127個不同地址的外圍設備進行通信，其中0號是群呼的地址。

2 LM75A溫度芯片

2.1 概述

LM75A 溫度檢測芯片有3位用戶可選的邏輯地址，所以同一通信總線上可以不發(fā)生地址沖突的同時連接8個器件進行通信。

溫度寄存器用來實現(xiàn)0.125℃一個跳度的溫度變化精度是一個 11 位的二進制數(shù)的補碼。芯片裝置正常接通電源時，操作系統(tǒng)為比較模型的工作方式，起始溫度為80℃，75℃滯后。在這個時候，LM75A芯片就可以當做一個能獨立使用的溫度控制器件，其溫度臨界值就是上述的預定義溫度設定點。

2.2 功能特點

LM75A芯片最大的特點就是可以將檢測到的環(huán)境溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出，設計者可以直接讀取數(shù)字信息。而且可以對預定義的溫度進行反應，可對溫度臨界值進行編程設置。

除此之外，該芯片低功耗，輸出數(shù)據(jù)精度達到0.125，符合一般的設計要求。

2.3 OS輸出與I2C接口

溫度值將被存入芯片的寄存器Temp 中。I2C 總線可以隨時隨地根據(jù)主機運行需要從 Temp 寄存器中讀取11位二進制的溫度數(shù)值。并且溫度的讀取不影響模＼數(shù)轉(zhuǎn)換操作的進行。在正常工作模式下，溫度值得模數(shù)轉(zhuǎn)換每隔100ms 進行一次，并且每一次的轉(zhuǎn)換都會更新寄存器的值。在關中斷工作模式下，器件進入空閑狀態(tài)，數(shù)據(jù)不進行轉(zhuǎn)換，但是I2C 接口仍然有效，即temp中的數(shù)值可以被讀取。

3 電路設計及仿真結果

用I2C串口通信協(xié)議編寫程序讀取LM75A的溫度寄存器TEMP中的數(shù)據(jù)，并通過FPGA顯示在數(shù)碼管上。該程序是如前所述，默認設備在正常工作模式下，F(xiàn)PGA器件先發(fā)送“10100010”末位的0代表寫數(shù)據(jù)，然后為字地址也就是寄存器指針地址00H”，然后再發(fā)送設備地址“10100011”末位代表讀，兩個連續(xù)讀之后，屏蔽無效位數(shù)碼管顯示溫度。。需要注意的是在inout口讀數(shù)據(jù)之前，一定要設為三態(tài)釋放總線，然后才能讀出數(shù)據(jù)。

4 結束語

本次實驗設計證明，通過I2C串口通信協(xié)議可以完成許多外圍設備芯片的功能組合應用，實現(xiàn)強大的設計靈活性。在本設計基礎上加入比較器，蜂鳴器等簡單的原件功能即可以在FPGA上開發(fā)出溫度報警器，過熱檢測裝置等可以應用于實際生活中的各種器件。

本設計及仿真很好的完成了設計的目的和既定要求，并作為I2C串口通信協(xié)議的基礎應用，為更高級的開發(fā)應用打下基礎。

參考文獻：

[1] 潘松，黃繼業(yè).EDA技術實用教程[M]——VHDL版.2013.

[2] 鄒益民.FPGA/CPLD技術實用教程. 中國電力出版社，2010.

[3] LM75A Product data sheet Supersedes data of 2001 Jul 16.