中文引用格式： 徐波，杜曉實(shí)，朱力可，等. 基于組件復(fù)用的可重構(gòu)I2C總線讀寫控制電路設(shè)計(jì)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2025，51(7)：89-94.
英文引用格式： Xu Bo，Du Xiaoshi，Zhu Like，et al. Design of reconfigurable I2C bus control circuit based on component reuse[J]. Application of Electronic Technique，2025，51(7)：89-94.
引言
隨著現(xiàn)代軟件無線電架構(gòu)不斷朝著綜合化、微型化和智能化的方向發(fā)展，如何平衡SWaP（Size，Weight and Power）三者之間的關(guān)系以及應(yīng)對(duì)各類復(fù)雜戰(zhàn)場應(yīng)用環(huán)境給系統(tǒng)設(shè)計(jì)者帶來極大的挑戰(zhàn)。為了滿足軟件實(shí)時(shí)性處理的要求，軟件無線電系統(tǒng)通常在高速采樣數(shù)據(jù)流與軟件處理之間利用FPGA先進(jìn)行預(yù)處理，把高速數(shù)據(jù)流降低到軟件處理能夠適應(yīng)的速度之內(nèi)[1]。但是由于歷史等諸多原因，當(dāng)前多數(shù)項(xiàng)目的FPGA設(shè)計(jì)中繼承代碼較多，暴露出邏輯代碼可移植性差、平臺(tái)依賴性強(qiáng)、代碼對(duì)開發(fā)人員的依賴度高、程序擴(kuò)展性弱、靈活性低、系統(tǒng)集成與整合難度大等問題。因此，如何增強(qiáng)設(shè)計(jì)的可重用性和擴(kuò)展性，成為當(dāng)前系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一個(gè)常見但卻很容易忽視的問題。
邏輯設(shè)計(jì)的特點(diǎn)介于軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)之間，即利用軟件方法設(shè)計(jì)硬件電路。軟件工程體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中通常采用模塊化的開發(fā)方式，遵循“高內(nèi)聚、低耦合”的原則[2]。“內(nèi)聚”即表示模塊內(nèi)部之間的緊密度，“高內(nèi)聚”是指一個(gè)模塊的功能明確、獨(dú)立，模塊內(nèi)部各元素功能聯(lián)系緊密，“高內(nèi)聚”設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是功能明確，一個(gè)模塊只負(fù)責(zé)一個(gè)功能，可維護(hù)性強(qiáng)，模塊內(nèi)部功能相關(guān)性高，修改功能后不會(huì)影響其他功能。“耦合”即表示功能模塊之間關(guān)聯(lián)度和依賴度，“低耦合”是指盡量減少各功能模塊之間依賴度，“低耦合”設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是，由于模塊間的依賴度降低，系統(tǒng)的可重用性和擴(kuò)展性相應(yīng)提高，同時(shí)模塊功能發(fā)生改變時(shí)不會(huì)影響其他模塊功能。“高內(nèi)聚、低耦合”的設(shè)計(jì)原則大大降低了功能修改的影響，提高了系統(tǒng)重用性。
芯片和FPGA設(shè)計(jì)中也大量借用了軟件工程中“高內(nèi)聚、低耦合”的設(shè)計(jì)思想，在專用芯片（ASIC）和片上系統(tǒng)（SoC）的設(shè)計(jì)中，將特定功能的模塊以IP核的方式進(jìn)行定制設(shè)計(jì)，最后根據(jù)需求將各功能IP核整合集成在通用總線上；在FPGA設(shè)計(jì)中，器件廠商或IP供應(yīng)商也提供了大量的IP軟/硬核用于系統(tǒng)的集成開發(fā)。
通用的低速通信IP核包括SPI、UART、CAN、GPIO和I2C等， I2C總線協(xié)議是一種用于芯片間相互通信的串行傳輸總線協(xié)議，它由串行時(shí)鐘SCL和串行數(shù)據(jù)線SDA完成全雙工數(shù)據(jù)傳送。由于I2C總線具有連線少、協(xié)議簡單、允許多機(jī)控制和同步、可擴(kuò)展性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于電子裝備中。
隨著工藝的不斷進(jìn)步，I2C總線協(xié)議版本也不斷演進(jìn)，因而導(dǎo)致各家芯片支持的波特率等規(guī)格差異很大。對(duì)ADI、Linear、TI和3PEAK公司的幾款常用芯片進(jìn)行了對(duì)比，如表1所示。如Linear公司的LTC2991只支持兩種模式：標(biāo)準(zhǔn)模式和快速模式[4]；即使是相同廠商的不同系列芯片，支持的波特率模式也有差別，比如ADI公司的ADT75芯片支持兩種模式：標(biāo)準(zhǔn)模式和快速模式[5]，但AD7994支持三種波特率模式：標(biāo)準(zhǔn)模式、快速模式和高速模式[6]。
表1 各廠商器件I2C接口速率
其次，由于各家芯片的應(yīng)用場景和功能不同，導(dǎo)致芯片內(nèi)部支持的寄存器讀寫屬性、數(shù)據(jù)位寬差異也較大。有的芯片內(nèi)部寄存器支持單字節(jié)讀寫操作，有的支持多字節(jié)讀寫操作，有的支持單字節(jié)寫入，多字節(jié)讀出操作等，在單字節(jié)和多字節(jié)的讀寫操作方式上也有差異，在發(fā)生芯片廠商更換等場景時(shí)，則需要重新定制設(shè)計(jì)，導(dǎo)致代碼通用化程度低。同時(shí)，近年國內(nèi)外對(duì)基于I2C協(xié)議的總線控制器均有大量研究應(yīng)用，總體來說有采用嵌入式處理器的軟件應(yīng)用方式、或者通過純硬件以及FPGA等方式等。文獻(xiàn)[3]給出了基于嵌入式處理器并利用普通I/O管腳模擬出I2C串口的方案；李雨桐等[10]給出了基于ADS1115的FPGA接口設(shè)計(jì)，由此證明了利用有限狀態(tài)機(jī)并結(jié)合ADS1115的I2C接口時(shí)序的方案可行性，但是該方案將狀態(tài)控制和接口時(shí)序控制共同設(shè)計(jì)，代碼耦合度高，不利于代碼的可重用。
為解決上述問題，本文討論并借鑒上述模塊化設(shè)計(jì)方法，提出一種總線控制的優(yōu)化策略，即基于組件復(fù)用方法設(shè)計(jì)了一種可重構(gòu)的I2C總線讀寫控制電路。以此為基礎(chǔ)，討論并提供AD7994、TPAFEA008和LTC2991芯片的總線控制接口設(shè)計(jì)實(shí)例與FPGA上的驗(yàn)證結(jié)果。
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作者信息：
徐波，杜曉實(shí)，朱力可，王萍
（中國西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036）
