【黑金云课堂】FPGA技术教程FPGA基础：I2C 总线通信技术

FPGA 基础第 11 期 I2C 总线通信技术，选自ALINX 黑金云课堂 FPGA 免费直播课。该课程由 ALINX 资深工程师团队倾力打造，从 0 到 1 系统化教学，帮助每位工程师跨过 FPGA 开发门槛。

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一、I2C基本原理

总线特点半双工、同步、多主多从的串行通信总线，仅需两根线：SDA（数据线） 和 SCL（时钟线）。

物理层关键

开漏输出 + 上拉电阻实现“线与”逻辑。

上拉电阻影响上升时间和功耗：标准模式（100kHz）推荐 4.7kΩ，快速模式（400kHz）推荐 2.2kΩ / 1.8kΩ。

协议层核心

起始条件 (START)：SCL高电平时SDA由高→低。

停止条件 (STOP)：SCL高电平时SDA由低→高。

数据帧：8位数据，高位优先，每字节后跟1位应答位（ACK/NACK）。

地址帧：7位从机地址 + 1位读写位（0=写，1=读）。

通信流程

写操作：START → 地址+写 → ACK → 数据 → ACK → STOP。

读操作：START → 地址+写 → ACK → 寄存器地址 → ACK → 重复START → 地址+读 → ACK → 读数据 → NACK → STOP。

二、EEPROM读写实验（AT24C02）

实验目标通过FPGA对AT24C02进行字节/页写和读操作。

硬件连接SDA/SCL接上拉电阻（4.7kΩ）至5V。

关键注意写入操作后需等待至少 5ms（写入周期），或通过轮询ACK确认。

FPGA实现通过状态机模拟I2C时序，控制起始、地址、数据、停止及应答检测。

// I2C主设备模块定义
module i2c_master
(input clk, rst_n,
inout sda, scl,
input [6:0] addr);

// 写EEPROM状态机
case (state)
IDLE: begin scl=1; sda=1; end
START: sda=0; // 起始条件
ADDR: sda=addr[bit]; // 发地址
DATA: sda=data[bit]; // 发数据
STOP: sda=0; scl=1; sda=1; // 停止
endcase

// 读EEPROM状态机
case (state)
RD_ADDR: sda=addr[bit];
RD_DATA: begin // 释放SDA
sda=1'bz; // 高阻态
data_rd=sda; // 采样数据
end
endcase

三、LM75温度传感器读取实验

实验目标FPGA通过I2C读取LM75温度值。

LM75要点

地址格式：1001 A2 A1 A0，最多挂载8个设备。

温度寄存器地址：0x00，16位数据，高9位有效（符号位+整数位）。

温度计算公式：实际温度 = (原始数据 >> 7) × 0.5°C。

FPGA实现状态机先写寄存器地址（0x00），再读2字节数据，最后移位计算温度。

```verilog
// 状态机：写寄存器地址 & 读温度数据
always @(posedge clk) begin
    case (i2c_state)
        WRITE_ADDR: begin  // 阶段1: 写0x00
            sda_out <= lm75_addr[7:0];
            if (ack) i2c_state <= READ_DATA;
        end
        READ_DATA: begin  // 阶段2: 读2字节
            temp_raw[15:8] <= sda_in; // 高8位
            temp_raw[7:0]  <= sda_in; // 低8位
            i2c_state <= IDLE;
        end
    endcase
end

四、总结与进阶

核心回顾

双线、开漏、上拉电阻、起始/停止、地址/数据帧、应答机制、主读/主写流程。

常见总线对比

I2C：2线，多主多从，低速，常用于传感器、EEPROM。

SPI：4线，单主多从，高速，常用于ADC/DAC。

UART：2线（TX/RX），异步，常用于上位机通信。

进阶学习

多主设备仲裁、10位地址模式、软件I2C（Bit-Banging）、逻辑分析仪调试。

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