06 读写I2C接口的RTC时钟芯片

软件版本：VIVADO2021.1

操作系统：WIN10 64bit

硬件平台：适用XILINX A7/K7/Z7/ZU/KU系列FPGA

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1 概述

本节课继续利用I2C总线控制器实现对RTC时钟芯片，DS1337的读写访问，进一步验证我们设计的i2c控制器的可靠性。有了前面的基础，这节课内容学习起来很轻松。本节课主要是基于我们编写的I2C控制器的应用，侧重点是应用，所以不再给出RTL级别的仿真结果，直接通过控制器访问DS1337芯片。

2 RTC时钟DS1337介绍

DS1337是低功耗、两线制串行读写接口、日历和时钟数据按BCD码存取的时钟/日历芯片。它提供秒、分、小时、星期、日期、月和年等时钟日历数据。另外它还集成了如下几点功能：

（1）56字节掉电时电池保持的SRAM 数据存储器

（2）可编程的方波信号输出

（3）掉电检测和自动切换电池供电模式

DS1337的寄存器地址空间如下，我们的代码也就是读写一下地址空间。

地址空间中详细的参数定义如下表

写时序如下：

写时序很容易理解，和我们前面写EEPROM一样，先发送器件地址为1101000，再发送寄存器的地址，之后是连续写数据。

读时序如下：

读时序我们采用上图的方式，这种方式比较方便，大家学习I2C的课程，如果和ZYNQ 部分SDK对比会发现SDK里面操作比较麻烦，而且采取的不是这种方式，这是因为SDK里面的I2C控制不能发送Repeated Start位的原因。其实作为FPGA开发者，感觉FPGA编程熟练后，写这种接口代码还是非常方便。

我们这里只针对时、分、秒的读写，而且上电后默认的控制寄存器不需要设置，采用默认参数就可以。

3 用户程序设计

3.1 用户接口时序

先温习下前面课程内容中关于I2C控制器的功能模块可以接口信号：

IO_sda为I2C双向数据总线

O_scl为I2C时钟

I_wr_cnt写数据字节长度，包含了器件地址，发送I_iic_req前，预设该值

I_rd_cnt读数据字节长度，仅包含读回有效部分，发送I_iic_req前，预设该值

I_wr_data写入的数据

O_rd_data读出的数据，如果是读请求，当O_iic_busy从高变低代表数据读回有效

I_iic_req I2C操作请求，根据I_rd_cnt是否大于0决定是否有读请求

I_iic_mode是否支持随机读写，发送I_iic_req前，预设该值

O_iic_busy总线忙

请求一次I2C传输的控制时序如下：

首先在O_iic_busy=0即I2C总线空闲情况下，设置I_wr_cnt，I_rd_cnt，I_wr_data,并且设置I_iic_req=1，启动I2C传输。当O_iic_busy=1说明I2C控制器开始传输，这时候可以设置I_iic_req=0，结束本次请求，并且等待O_iic_busy=0，当O_iic_busy=0代表本次传

传输结束.如果发送的是读请求(当I_rd_cnt>0)，则此时O_rd_data有效可以读走数据。

3.2 RTC读写程序设计

3.2.1状态机介绍

3.2.2 RTC读写用户程序源码

/*******************************rtc_clock_ds1337*********************

--1.本实验目基于米联客I2C控制器，实现对RTC时钟芯片的读写访问

--2.本实验通过串口打印读取的RTC时钟时间值

*********************************************************************/

`timescale 1ns / 1ns//仿真时间刻度/精度

module rtc_clock_ds1337(

input wire I_sysclk,//系统时钟输入

output wire O_iic_scl, //I2C总线，SCL时钟

inout wire IO_iic_sda, //I2C总线，SDA数据

output wire O_uart_tx, //UART串行发送总线

output wire O_card_power_en

);

assign O_card_power_en = 1'b1; //子卡上电

localparam SYSCLKHZ = 50_000_000; //定义系统时钟

localparam T1000MS_CNT = (SYSCLKHZ-1); //定义访问RTC的时间间隔为1000MS

localparam [7:0] RTC_DEV_ADDR = 8'b1101_0000;

reg [8 :0] rst_cnt = 9'd0;//上电延迟复位

reg [29:0] t_cnt = 30'd0;//定时计数器

wire t_en = (t_cnt==T1000MS_CNT);//定时使能

wire [23:0] wr_data;//写数据信号

wire [23:0] rd_data;//读数据信号

wire iic_busy;//I2C总线忙

reg [7 :0] wr_cnt = 8'd0;//写数据计数器

reg [7 :0] rd_cnt = 8'd0;//读数据计数器

reg iic_req = 1'b0;//i2c 控制器请求信号

reg [2 :0] TS_S = 3'd0;//状态机

reg [7 :0] rtc_addr;//RTC的寄存器地址

reg wr_done = 1'b0; //写RTC初值完成信号

//初始化时间的BDC码，12:00:00

wire [7 :0] WSecond = {4'd0,4'd0};//妙

wire [7 :0] WMinute = {4'd0,4'd0};//分

wire [7 :0] WHour = {4'd1,4'd2};//时

reg [23:0] rtime = 24'd0; //用于保存读取的时间，格式为BCD码

assign wr_data = {WHour,WMinute,WSecond};//写数据初值

//**********上电延迟复位***************************/

always@(posedge I_sysclk) begin

if(!rst_cnt[8])

rst_cnt <= rst_cnt + 1'b1;

end

//**********500ms定时计数器**********************/

always@(posedge I_sysclk) begin

if(t_cnt == T1000MS_CNT)

t_cnt <= 0;

else

t_cnt <= t_cnt + 1'b1;

end

//读写RTC时钟芯片状态机

always@(posedge I_sysclk) begin

if(!rst_cnt[8])begin//复位初始化寄存器

rtc_addr <= 8'd0;

iic_req <= 1'b0;

wr_done <= 1'b0;

rd_cnt <= 8'd0;

wr_cnt <= 8'd0;

TS_S <= 2'd0;

end

else begin

case(TS_S)

0:if(wr_done == 1'b0)begin//上电后，wr_done=0，对RTC时间寄存器初始化，给定初始时间

wr_done <= 1'b1;//设置wr_done=1

rtc_addr <= 8'd0;//设置需要访问的寄存器起始地址

TS_S <= 3'd1;//下一个状态

end

else begin //已经对RTC芯片初始化完成

iic_req <= 1'b0; //重置 iic_req =0

if(t_en)//每间隔1000ms进行一次读操作

TS_S <= 3'd3;//下一个状态，进入读寄时间寄存器状态机

end

1:if(!iic_busy)begin//当总线非忙，才可以操作I2C控制器

iic_req <= 1'b1;//请求操作I2C控制器

rd_cnt <= 8'd0;//由于本操作是写数据，不需要读数据，读数据寄存器设置0

wr_cnt <= 8'd5;//需要写入5 BYTES,包括1字节的器件地址，1字节的寄存器起始地址，3字节的BCD时间参数

TS_S <= 3'd2;//下一个状态机

end

2:if(iic_busy)begin//等待总线忙

iic_req <= 1'b0;//重置 iic_req =0

TS_S <= 3'd3;//下一个状态机

end

3:if(!iic_busy)begin//该状态读RTC时间寄存器

iic_req <= 1'b1;//请求操作I2C控制器

rtc_addr <= 8'd0;//读RTC寄存器的起始地址

wr_cnt <= 8'd2;//读操作需要些1BYTE器件地址，1BYTE 寄存器起始地址

rd_cnt <= 8'd3;//读取3个时间寄存器

TS_S <= 3'd4;//下一个状态

end

4:if(iic_busy)begin//等待总线空闲

iic_req <= 1'b0;//重置 iic_req =0

TS_S <= 3'd0;//下一个状态

end

default: TS_S <= 3'd0;//default状态回到0

endcase

end

//***********保存从RTC读取到的时间寄存器，时间为BCD格式***********//

always@(posedge I_sysclk) begin

if(!rst_cnt[8])

rtime <=0;

else if(TS_S == 3)

rtime[23: 0] <= rd_data;//读取的时间包括时:分：秒，BCD格式

end

//例化I2C控制模块

uii2c#

(

.WMEN_LEN(5),//最大支持一次写入4BYTE(包含器件地址)

.RMEN_LEN(3),//最大支持一次读出3BYTE

.CLK_DIV(SYSCLKHZ/50000)//100KHZ I2C总线时钟

)

uii2c_inst

(

.I_clk(I_sysclk),//系统时钟

.I_rstn(rst_cnt[8]),//系统复位

.O_iic_scl(O_iic_scl),//I2C SCL总线时钟

.IO_iic_sda(IO_iic_sda),//I2C SDA数据总线

.I_wr_data({wr_data,rtc_addr,RTC_DEV_ADDR}),//写数据寄存器

.I_wr_cnt(wr_cnt),//需要写的数据BYTES

.O_rd_data(rd_data), //读数据寄存器

.I_rd_cnt(rd_cnt),//需要读的数据BYTES

.I_iic_req(iic_req),//I2C控制器请求

.I_iic_mode(1'b1),//读模式

.O_iic_busy(iic_busy)//I2C控制器忙

//.O_iic_bus_error(iic_bus_error),//总线错误信号标志

//.IO_iic_sda_dg(iic_sda_dg)//debug iic_sda

);

//以下完成BCD码赚ASCII码，这样通过串口打印可以方便观察

function signed[7:0] ascii ; //定义ascii码转换函数，只需要转换BCD数据

input[7:0] bcd; //输入参数

begin

case(bcd)

0 : ascii = {8'h30};//ascii 码0

1 : ascii = {8'h31};//ascii 码1

2 : ascii = {8'h32};//ascii 码2

3 : ascii = {8'h33};//ascii 码3

4 : ascii = {8'h34};//ascii 码4

5 : ascii = {8'h35};//ascii 码5

6 : ascii = {8'h36};//ascii 码6

7 : ascii = {8'h37};//ascii 码7

8 : ascii = {8'h38};//ascii 码8

9 : ascii = {8'h39};//ascii 码9

default:ascii = {8'h00};

endcase

end

endfunction

//例化UART发送模块

uart_tx_block #

(

.TX_BYTES(10),//设置需要发送的字节数

.BAUD_DIV(SYSCLKHZ/115200 -1) //设置串口波特率

)

u_uart_tx_block

(

.I_sysclk(I_sysclk),//系统时钟输入

.O_uart_tx(O_uart_tx),//UART 串行总线数据发送

//高位，8'h0a,8'h0d，为回车+换行控制字符

.I_uart_tx_buf({8'h0a,8'h0d,ascii(rtime[3:0]),ascii(rtime[7:4]),8'h2d,ascii(rtime[11:8]),ascii(rtime[15:12]),8'h2d,ascii(rtime[19:16]),ascii(rtime[23:20])}),