基于FPGA的PCF8591的DAC（I2C）功能驱动-FPGA常见问题社区-FPGA CPLD-ChipDebug

基于FPGA的PCF8591的DAC（I2C）功能驱动

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====硬件说明====

PCF8591是集成了4路ADC和1路DAC的芯片，使用I2C总线通信。
I2C总线是由Philips公司开发的一种简单、双向二线制同步串行总线。它只需要两根线即可在连接于总线上的器件之间传送信息。主器件用于启动总线传送数据，并产生时钟以开放传送的器件，此时任何被寻址的器件均被认为是从器件。如果主机要发送数据给从器件，则主机首先寻址从器件，然后主动发送数据至从器件，最后由主机终止数据传送；如果主机要接收从器件的数据，首先由主器件寻址从器件，然后主机接收从器件发送的数据，最后由主机终止接收过程。这里不做过多的讲解，硬件连接如下：

图片[1]-基于FPGA的PCF8591的DAC（I2C）功能驱动-FPGA常见问题社区-FPGA CPLD-ChipDebug
fig.1 iic连接

本设计的硬件连接如下：

pcf8591硬件连接.jpg

本设计中FPGA作为I2C主设备，PCF8591作为I2C从设备，从设备的地址由固定地址和可编程地址组成，我们的外设底板已将可编程地址A0、A1、A2接地，所以7位地址为7’h48，加上最低位的读写控制，所以给PCF8591写数据时的寻址地址为8’h90，对PCF8591读数据时的寻址地址为8’h91。如下：

pcf8591_i2c地址.jpg

PCF8591集成了很多功能，当需要不同的功能时要对PCF8591做相应的配置，配置数据存储在名为CONTROL BYTE的寄存器中，下图展示了寄存器中部分bit的功能，详细请参考PCF8591的datasheet，本设计中我们只使用DAC功能，配置数据为8’h40。

图片[4]-基于FPGA的PCF8591的DAC（I2C）功能驱动-FPGA常见问题社区-FPGA CPLD-ChipDebug
Fig.4 Control byte.

====Verilog代码====

// --------------------------------------------------------------------
// >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> COPYRIGHT NOTICE <<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<
// --------------------------------------------------------------------
// Module: DAC_I2C
// 
// Author: Step
// 
// Description: DAC_I2C
// 
//
// --------------------------------------------------------------------
// Code Revision History :
// --------------------------------------------------------------------
// Version: |Mod. Date:   |Changes Made:
// V1.1     |2016/10/30   |Initial ver
// --------------------------------------------------------------------
module DAC_I2C
(
	input				clk_in,		//系统时钟
	input				rst_n_in,	//系统复位，低有效
 
	output	reg			dac_done,	//DAC采样完成标志
	input		[7:0]	dac_data,	//DAC采样数据
 
	output				scl_out,	//I2C总线SCL
	inout				sda_out		//I2C总线SDA
);
 
	parameter	CNT_NUM	=	15;
 
	localparam	IDLE	=	3'd0;
	localparam	MAIN	=	3'd1;
	localparam	START	=	3'd2;
	localparam	WRITE	=	3'd3;
	localparam	STOP	=	3'd4;
 
	//根据PCF8591的datasheet，I2C的频率最高为100KHz，
	//我们准备使用4个节拍完成1bit数据的传输，所以需要400KHz的时钟触发完成该设计
	//使用计数器分频产生400KHz时钟信号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		[2:0]		cnt_main;
	reg		[7:0]		data_wr;
	reg		[2:0]		cnt_start;
	reg		[2:0]		cnt_write;
	reg		[2:0]		cnt_stop;
	reg		[2:0] 		state;
 
	always@(posedge clk_400khz or negedge rst_n_in) begin
		if(!rst_n_in) begin	//如果按键复位，将相关数据初始化
			scl_out_r <= 1'd1;
			sda_out_r <= 1'd1;
			cnt <= 1'b0;
			cnt_main <= 1'b0;
			cnt_start <= 1'b0;
			cnt_write <= 3'd0;
			cnt_stop <= 1'd0;
			dac_done <= 1'b1;
			state <= IDLE;
		end else begin
			case(state)
				IDLE:begin	//软件自复位，主要用于程序跑飞后的处理
						scl_out_r <= 1'd1;
						sda_out_r <= 1'd1;
						cnt <= 1'b0;
						cnt_main <= 1'b0;
						cnt_start <= 1'b0;
						cnt_write <= 3'd0;
						cnt_stop <= 1'd0;
						dac_done <= 1'b1;
						state <= MAIN;
					end
				MAIN:begin
						if(cnt_main >= 3'd3) cnt_main <= 3'd3;  //对MAIN中的子状态执行控制cnt_main
						else cnt_main <= cnt_main + 1'b1;
						case(cnt_main)
							3'd0:	begin state <= START; end	//I2C通信时序中的START
							3'd1:	begin data_wr <= 8'h90; state <= WRITE; end	//A0,A1,A2都接了GND，写地址为8'h90
							3'd2:	begin data_wr <= 8'h40; state <= WRITE; end	//control byte为8'h40，打开DAC功能
							3'd3:	begin data_wr <= dac_data; state <= WRITE; dac_done <= 1'b0; end	//需要进行DAC转换的数据
							3'd4:	begin state <= STOP; end	//I2C通信时序中的结束STOP
							default: state <= IDLE;	//如果程序失控，进入IDLE自复位状态
						endcase
					end
				START:begin	//I2C通信时序中的起始START
						if(cnt_start >= 3'd5) cnt_start <= 1'b0;	//对START中的子状态执行控制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	//将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每个周期2.5us，需要两个周期
							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每个周期2.5us，需要两个周期
							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每个周期2.5us，需要两个周期，返回MAIN
							default: state <= IDLE;	//如果程序失控，进入IDLE自复位状态
						endcase
					end
				WRITE:begin	//I2C通信时序中的写操作WRITE和相应判断操作ACK
						if(cnt <= 3'd6) begin	//共需要发送8bit的数据，这里控制循环的次数
							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	//两个变量都恢复初值
							else begin cnt_write <= cnt_write + 1'b1; cnt <= cnt; end
						end
						case(cnt_write)
							//按照I2C的时序传输数据
							3'd0:	begin scl_out_r <= 1'b0; sda_out_r <= data_wr[7-cnt]; end	//SCL拉低，并控制SDA输出对应的位
							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每个周期2.5us，需要两个周期
							3'd3:	begin scl_out_r <= 1'b0; end	//SCL拉低，准备发送下1bit的数据
							//获取从设备的响应信号并判断
							3'd4:	begin sda_out_r <= 1'bz; dac_done <= 1'b1; end	//释放SDA线，准备接收从设备的响应信号
							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	//获取从设备的响应信号并判断
							3'd7:	begin scl_out_r <= 1'b0; state <= MAIN; end	//SCL拉低，返回MAIN状态
							default: state <= IDLE;	//如果程序失控，进入IDLE自复位状态
						endcase
					end
				STOP:begin	//I2C通信时序中的结束STOP
						if(cnt_stop >= 3'd5) cnt_stop <= 1'b0;	//对STOP中的子状态执行控制cnt_stop
						else cnt_stop <= cnt_stop + 1'b1;
						case(cnt_stop)
							3'd0:	begin sda_out_r <= 1'b0; end	//SDA拉低，准备STOP
							3'd1:	begin sda_out_r <= 1'b0; end	//SDA拉低，准备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状态
							default: state <= IDLE;	//如果程序失控，进入IDLE自复位状态
						endcase
					end
				default:;
			endcase
		end
	end
 
	assign	scl_out = scl_out_r;	//对SCL端口赋值
	assign	sda_out = sda_out_r;	//对SDA端口赋值
 
endmodule

 

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