FpgaI2c

概要 †

  • Nexys 4 付属のI2C温度計の SDA, SCL 信号線を直接スイッチで ON/OFFしながら、温度計を操作してみます。チャタリング防止や LED 表示などのため、ちょっと verilog で回路を作ります。
  • Nexys 4 付属の温度計, Analog Devices の ADT7420
    • 詳しい情報は以下の pdf に載っています。
    • ADT7420 をNexys 4 で使うとき、
      • Vivadoのxdcファイルの場合は、sclの PACKAGE_PIN は "F16",　sdaの PACKAGE_PINは "G16" を指定します。 
        ##Temperature Sensor
##Bank = 15, Pin name = IO_L14N_T2_SRCC_15,					Sch name = TMP_SCL
set_property PACKAGE_PIN F16 [get_ports scl]					
	set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports scl]
##Bank = 15, Pin name = IO_L13N_T2_MRCC_15,					Sch name = TMP_SDA
set_property PACKAGE_PIN G16 [get_ports sda]					
	set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports sda]
  • ISEのUCFの場合は、sclの LOCは "F16",　sdaの LOCは "G16" を指定します。 (Nexys4のマニュアルのpage 22, 12 Temperature Sensor で確認してください) 
    NET "scl"			LOC = "F16"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 15, Pin name = IO_L14N_T2_SRCC_15,					Sch name = TMP_SCL
NET "sda"			LOC = "G16"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 15, Pin name = IO_L13N_T2_MRCC_15,					Sch name = TMP_SDA
  • ADT7420 の(slave)device addressは、0x4b (=1001011) です。
  • 温度データを取り出すには、以下の手順を実行します。
    • Master がStart 信号を送信。... scl=1, sda=1の状態から、scl=1, sda=0 の状態にして、その後、scl=0, sda=0 とする。
    • これ以降、通信を終了するまで、Master またはdeviceが sda に high(=Z=1)または low(=0)を設定し、その状態で、Master が sclを 0->1->0 に変化することを繰り返す。
    • Master がdevice(ADT7420)のアドレス(0x4b)と、Masterからデータが送信されることを表す 0 (レジスタ番号書き込み)を送信。
    • device が ack 信号(成功していれば、0)を出力。 Master側ではこのとき、 sda 端子をZ状態(=1)として、入力を待つ。
    • Master がレジスタを表す 8bitのデータ(0000 0000)を出力。
    • device が ack 信号 0 を出力
    • Master がrestart 信号を送信(start と同じ)
    • Master が device address (0x4b)と、入力を表す 1を出力。
    • device が ack 信号 0 を出力
    • device が 最初の 8 bit を出力... この時のbit 列を Master 側で入力。
    • Master が ack 0 を出力。
    • device が次の8 bit を出力 ... この時の bit 列を Master 側で入力。
    • Master が nack 1 を出力。
    • 通信終了手順を行う。 ... sclを 1 にして、その間に sdaを 0から 1 にする。
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回路の概要 †

  • sw[7:0]と up button, left button, center button, right button をチャタリング防止回路に通し、その出力をswx[7:0], BUx, BLx, BCx, BRx とします。
  • sw[0]をチャタリング防止回路を通して(swx[o]), sda に接続します。
  • center button をチャタリング防止回路を通して(BCx), sclに接続します。
  • down button をリセット信号とします。
  • sda を led[8] に接続します。scl が 0->1 に変化するたびに、これをシフトして、過去8回のsda の High/Low の遷移を led[15:8] に表示します。 これを実現するために、レジスタ data[7:0] を使っています。
  • １つのポートで入出力を行う為、scl, sda は verilog の inout 型を使います。
  • data[7:0]の値を16進法4桁でLEDマトリックスの左側４個に出力する回路に接続します。
  • sw[7:0]をled[7:0]に接続します。
  • sw[7:0]を16進法4桁でLEDマトリックスの右側4個に出力する回路に接続します。
  • 回路図
    • i2c-1-circuit.jpg
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Vivado または ISEで以下の verilog を入力 †

  • verilog
    • top.v 
      module top(sSegAnode, sSegCathode, sw, led, cled1, cled2, 
                   bu, bd, bl, br, bc, scl, sda, bclck );
  output [7:0] sSegAnode;
  output [7:0] sSegCathode;
  output [15:0] led;     // led[8] ... if sda is sending, corresponding to the last sended sda, else corresponding to the last received sda
                        //               it is shifted to left when a positive edge of scl is detected.
		         //  led[0] corresponding to sw[0]
		         //  led[1] corresponding to sw[1]
			 //  led[2] corresponsing to center button, bc.
  output [2:0] cled1, cled2;
  input [15:0] sw;       // sw[15:8] ... for setting sda send data, sw[7:0] ... for controlling
                        //    sw[0] ... if 1 sda is high=Z=high impedance, else low;
            												  
  input bu, bd, bl, br, bc, bclck;    //  bd corresponding to !reset.
                        //  bc corresponding to scl.  scl=sw[0]|bc
			 //  if posedge bl is detected, sw is shown in hex in the 7seg led array.
  
  inout scl, sda;
  wire BNx, BWx, BEx, BCx;
  wire [7:0] swx;
  wire reset;
  wire sclRw, sdaRw; // write=1, read=0;
  reg [7:0] data;
  assign led[15:8]=data;
  assign led[7:0]=swx;
  assign reset=~bd;
  assign scl=BCx?1'bz:1'b0;
  assign cled1[2]=scl;
  assign sda=(swx[0])?1'bz:1'b0;
  assign cled2[2]=sda;
  always @(posedge scl, negedge reset) begin
    if(!reset) data<=0;
	 else
    data<={data[6:0],sda};
  end
    
  chattering #(12) chattering0(.clk(bclck), .reset(reset), 
             .in({bu,bl,br,bc,sw[7:0]}), .out({BNx,  BWx, BEx, BCx,swx}));
//  assign BNx=BN;
//  assign BWx=BW;
//  assign BEx=BE;
//  assign BCx=BC;
  sSegArray sSegArray0(.clk(bclck), .reset(reset), 
            .load(1), .d({data,swx}), .anode(sSegAnode), .cathode(sSegCathode));
  
endmodule
  • chattering.v 
    module chattering(clk, reset, in, out
);
parameter N=1;
input clk, reset;
input [N-1:0]in;
output [N-1:0]out;
reg [N-1:0]out;
reg [21:0] count;

always @(posedge clk or negedge reset)
if(!reset) count <=0;
else count <= count +1;

always @(posedge clk)
if(count==0) out <= in;

endmodule
  • sSegArray?.v 
    module sSegArray(
    clk,reset,load,d, 
	 anode, cathode
    ); 
parameter N=32;
input clk,reset,load;
input [N-1:0] d; 
output [7:0] anode;
output [7:0] cathode;
reg [7:0] anode;
reg [7:0] cathode;
reg [31:0] q;

wire [2:0] selectedSeg;
wire [7:0] wOneSeg;
reg segClk;

counter #(8) waitOneSeg(.clk(clk), .reset(reset), .load(0), .inc(1), .d(16'h0000), .q(wOneSeg));

//assign segClk= (wOneSeg==0)? ~segClk: segClk;
always @(posedge clk, negedge reset) begin
  if(!reset) segClk<=0;
  else
  if (wOneSeg==0) segClk<=~segClk; 
end

counter #(3) selector(.clk(segClk),.reset(reset),.load(0), .inc(1), .d(4'h0), .q(selectedSeg));
//counter #(3) selector(.clk(clk), .reset(reset), .load(0), .inc(1), .d(4'h0), .q(selectedSeg));
 
always @(posedge clk, negedge reset)
begin
  if(!reset) anode=8'hFE;   // note!  anode is connected by pnp transistor.  
  else                      // in order to active one 7seg, low should be setted to the 7seg. 
   case (selectedSeg)
	   3'b000: anode=8'hFE;
		3'b001: anode=8'hFD;
		3'b010: anode=8'hFB;
		3'b011: anode=8'hF7;
		3'b100: anode=8'hEF;
		3'b101: anode=8'hDF;
		3'b110: anode=8'hBF;
		3'b111: anode=8'h7F;
	endcase
end

reg [3:0] selectedVal;

always @(posedge clk, negedge reset)
begin
  if(!reset) cathode=8'h03;                   // note! when one segment of the cathode is low,
  else                                        //  and its anode is low, the segment glow.
  case (selectedVal)                         //          ca
    4'b0000: cathode=8'h03;   //8'hfc; 0              ------
    4'b0001: cathode=8'h9f;   //8'h60; 1              /     /
    4'b0010: cathode=8'h25;   //8'hda; 2              /cf   / cb 
    4'b0011: cathode=8'h0d;   //8'hf2; 3              /     /
    4'b0100: cathode=8'h99;   //8'h66; 4               -----
    4'b0101: cathode=8'h49;   //8'hb6; 5              /  cg  /
    4'b0110: cathode=8'h41;   //8'hbe; 6              /ce    / cc
    4'b0111: cathode=8'h1f;   //8'he0; 7              /      /
    4'b1000: cathode=8'h01;   //8'hfe; 8               ------     . ch
    4'b1001: cathode=8'h09;   //8'hf6; 9                  cd
    4'b1010: cathode=8'h11;   //8'hee; A
    4'b1011: cathode=8'hc1;   //8'h3e; B
    4'b1100: cathode=8'h63;   //8'h9c; C
    4'b1101: cathode=8'h85;   //8'h7c; D
    4'b1110: cathode=8'h61;   //8'h9e; E
    4'b1111: cathode=8'h71;   //8'h8e; F
   endcase
end

always @(posedge clk, negedge reset)
begin
  if(!reset) selectedVal=q[3:0];
  else
   case (selectedSeg)
	  3'b000: selectedVal=q[3:0];
	  3'b001: selectedVal=q[7:4];
	  3'b010: selectedVal=q[11:8];
	  3'b011: selectedVal=q[15:12];
	  3'b100: selectedVal=q[19:16];
	  3'b101: selectedVal=q[23:20];
	  3'b110: selectedVal=q[27:24];
	  3'b111: selectedVal=q[31:28];
	endcase
end

always @(posedge clk, negedge reset)
begin
  if(!reset) q=0;
  else
  if(load) q=d;
end

endmodule
  • counter.v 
    module counter(clk, reset, load, inc, d, q );
parameter N=16;

input clk, reset, load, inc;
input [N-1:0] d; 
output [N-1:0] q;
reg [N-1:0] q;

always @(posedge clk or negedge reset)
if(!reset) q <=0;
else if(load) q<=d; 
else if(inc) q<=q+1;
endmodule
  • top.xdc (Vivadoの場合) 
    ## Clock signal
##Bank = 35, Pin name = IO_L12P_T1_MRCC_35,					Sch name = CLK100MHZ
set_property PACKAGE_PIN E3 [get_ports bclck]	
	set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports bclck]
#	create_clock -add -name sys_clk_pin  -period 10.00 -waveform {0 5} [get_ports bclk]
 
## Switches
##Bank = 34, Pin name = IO_L21P_T3_DQS_34,					Sch name = SW0
set_property PACKAGE_PIN U9 [get_ports {sw[0]}]					
	set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {sw[0]}]
##Bank = 34, Pin name = IO_25_34,							Sch name = SW1
set_property PACKAGE_PIN U8 [get_ports {sw[1]}]					
	set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {sw[1]}]
##Bank = 34, Pin name = IO_L23P_T3_34,						Sch name = SW2
set_property PACKAGE_PIN R7 [get_ports {sw[2]}]					
	set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {sw[2]}]
##Bank = 34, Pin name = IO_L19P_T3_34,						Sch name = SW3
set_property PACKAGE_PIN R6 [get_ports {sw[3]}]					
	set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {sw[3]}]
##Bank = 34, Pin name = IO_L19N_T3_VREF_34,					Sch name = SW4
set_property PACKAGE_PIN R5 [get_ports {sw[4]}]					
	set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {sw[4]}]
##Bank = 34, Pin name = IO_L20P_T3_34,						Sch name = SW5
set_property PACKAGE_PIN V7 [get_ports {sw[5]}]					
	set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {sw[5]}]
##Bank = 34, Pin name = IO_L20N_T3_34,						Sch name = SW6
set_property PACKAGE_PIN V6 [get_ports {sw[6]}]					
	set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {sw[6]}]
##Bank = 34, Pin name = IO_L10P_T1_34,						Sch name = SW7
set_property PACKAGE_PIN V5 [get_ports {sw[7]}]					
	set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {sw[7]}]
##Bank = 34, Pin name = IO_L8P_T1-34,						Sch name = SW8
set_property PACKAGE_PIN U4 [get_ports {sw[8]}]					
	set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {sw[8]}]
##Bank = 34, Pin name = IO_L9N_T1_DQS_34,					Sch name = SW9
set_property PACKAGE_PIN V2 [get_ports {sw[9]}]					
	set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {sw[9]}]
##Bank = 34, Pin name = IO_L9P_T1_DQS_34,					Sch name = SW10
set_property PACKAGE_PIN U2 [get_ports {sw[10]}]					
	set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {sw[10]}]
##Bank = 34, Pin name = IO_L11N_T1_MRCC_34,					Sch name = SW11
set_property PACKAGE_PIN T3 [get_ports {sw[11]}]					
	set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {sw[11]}]
##Bank = 34, Pin name = IO_L17N_T2_34,						Sch name = SW12
set_property PACKAGE_PIN T1 [get_ports {sw[12]}]					
	set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {sw[12]}]
##Bank = 34, Pin name = IO_L11P_T1_SRCC_34,					Sch name = SW13
set_property PACKAGE_PIN R3 [get_ports {sw[13]}]					
	set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {sw[13]}]
##Bank = 34, Pin name = IO_L14N_T2_SRCC_34,					Sch name = SW14
set_property PACKAGE_PIN P3 [get_ports {sw[14]}]					
	set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {sw[14]}]
##Bank = 34, Pin name = IO_L14P_T2_SRCC_34,					Sch name = SW15
set_property PACKAGE_PIN P4 [get_ports {sw[15]}]					
	set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {sw[15]}]

## LEDs
##Bank = 34, Pin name = IO_L24N_T3_34,						Sch name = LED0
set_property PACKAGE_PIN T8 [get_ports {led[0]}]					
	set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {led[0]}]
##Bank = 34, Pin name = IO_L21N_T3_DQS_34,					Sch name = LED1
set_property PACKAGE_PIN V9 [get_ports {led[1]}]					
	set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {led[1]}]
##Bank = 34, Pin name = IO_L24P_T3_34,						Sch name = LED2
set_property PACKAGE_PIN R8 [get_ports {led[2]}]					
	set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {led[2]}]
##Bank = 34, Pin name = IO_L23N_T3_34,						Sch name = LED3
set_property PACKAGE_PIN T6 [get_ports {led[3]}]					
	set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {led[3]}]
##Bank = 34, Pin name = IO_L12P_T1_MRCC_34,					Sch name = LED4
set_property PACKAGE_PIN T5 [get_ports {led[4]}]					
	set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {led[4]}]
##Bank = 34, Pin name = IO_L12N_T1_MRCC_34,					Sch	name = LED5
set_property PACKAGE_PIN T4 [get_ports {led[5]}]					
	set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {led[5]}]
##Bank = 34, Pin name = IO_L22P_T3_34,						Sch name = LED6
set_property PACKAGE_PIN U7 [get_ports {led[6]}]					
	set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {led[6]}]
##Bank = 34, Pin name = IO_L22N_T3_34,						Sch name = LED7
set_property PACKAGE_PIN U6 [get_ports {led[7]}]					
	set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {led[7]}]
##Bank = 34, Pin name = IO_L10N_T1_34,						Sch name = LED8
set_property PACKAGE_PIN V4 [get_ports {led[8]}]					
	set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {led[8]}]
##Bank = 34, Pin name = IO_L8N_T1_34,						Sch name = LED9
set_property PACKAGE_PIN U3 [get_ports {led[9]}]					
	set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {led[9]}]
##Bank = 34, Pin name = IO_L7N_T1_34,						Sch name = LED10
set_property PACKAGE_PIN V1 [get_ports {led[10]}]					
	set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {led[10]}]
##Bank = 34, Pin name = IO_L17P_T2_34,						Sch name = LED11
set_property PACKAGE_PIN R1 [get_ports {led[11]}]					
	set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {led[11]}]
##Bank = 34, Pin name = IO_L13N_T2_MRCC_34,					Sch name = LED12
set_property PACKAGE_PIN P5 [get_ports {led[12]}]					
	set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {led[12]}]
##Bank = 34, Pin name = IO_L7P_T1_34,						Sch name = LED13
set_property PACKAGE_PIN U1 [get_ports {led[13]}]					
	set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {led[13]}]
##Bank = 34, Pin name = IO_L15N_T2_DQS_34,					Sch name = LED14
set_property PACKAGE_PIN R2 [get_ports {led[14]}]					
	set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {led[14]}]
##Bank = 34, Pin name = IO_L15P_T2_DQS_34,					Sch name = LED15
set_property PACKAGE_PIN P2 [get_ports {led[15]}]					
	set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {led[15]}]

##Bank = 34, Pin name = IO_L5P_T0_34,						Sch name = LED16_R
set_property PACKAGE_PIN K5 [get_ports {cled1[2]}]					
	set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {cled1[2]}]
##Bank = 15, Pin name = IO_L5P_T0_AD9P_15,					Sch name = LED16_G
set_property PACKAGE_PIN F13 [get_ports {cled1[1]}]				
	set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {cled1[1]}]
##Bank = 35, Pin name = IO_L19N_T3_VREF_35,					Sch name = LED16_B
set_property PACKAGE_PIN F6 [get_ports {cled1[0]}]					
	set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {cled1[0]}]
##Bank = 34, Pin name = IO_0_34,								Sch name = LED17_R
set_property PACKAGE_PIN K6 [get_ports {cled2[2]}]					
	set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {cled2[2]}]
##Bank = 35, Pin name = IO_24P_T3_35,						Sch name =  LED17_G
set_property PACKAGE_PIN H6 [get_ports {cled2[1]}]					
	set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {cled2[1]}]
##Bank = CONFIG, Pin name = IO_L3N_T0_DQS_EMCCLK_14,			Sch name = LED17_B
set_property PACKAGE_PIN L16 [get_ports {cled2[0]}]					
	set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {cled2[0]}]

##7 segment display
##Bank = 34, Pin name = IO_L2N_T0_34,						Sch name = CA
set_property PACKAGE_PIN L3 [get_ports {sSegCathode[7]}]					
	set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {sSegCathode[7]}]
##Bank = 34, Pin name = IO_L3N_T0_DQS_34,					Sch name = CB
set_property PACKAGE_PIN N1 [get_ports {sSegCathode[6]}]					
	set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {sSegCathode[6]}]
##Bank = 34, Pin name = IO_L6N_T0_VREF_34,					Sch name = CC
set_property PACKAGE_PIN L5 [get_ports {sSegCathode[5]}]					
	set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {sSegCathode[5]}]
##Bank = 34, Pin name = IO_L5N_T0_34,						Sch name = CD
set_property PACKAGE_PIN L4 [get_ports {sSegCathode[4]}]					
	set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {sSegCathode[4]}]
##Bank = 34, Pin name = IO_L2P_T0_34,						Sch name = CE
set_property PACKAGE_PIN K3 [get_ports {sSegCathode[3]}]					
	set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {sSegCathode[3]}]
##Bank = 34, Pin name = IO_L4N_T0_34,						Sch name = CF
set_property PACKAGE_PIN M2 [get_ports {sSegCathode[2]}]					
	set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {sSegCathode[2]}]
##Bank = 34, Pin name = IO_L6P_T0_34,						Sch name = CG
set_property PACKAGE_PIN L6 [get_ports {sSegCathode[1]}]					
	set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {sSegCathode[1]}]

##Bank = 34, Pin name = IO_L16P_T2_34,						Sch name = DP
set_property PACKAGE_PIN M4 [get_ports sSegCathode[0]]							
	set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports sSegCathode[0]]


##Bank = 34, Pin name = IO_L18N_T2_34,						Sch name = AN0
set_property PACKAGE_PIN N6 [get_ports {sSegAnode[0]}]					
	set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {sSegAnode[0]}]
##Bank = 34, Pin name = IO_L18P_T2_34,						Sch name = AN1
set_property PACKAGE_PIN M6 [get_ports {sSegAnode[1]}]					
	set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {sSegAnode[1]}]
##Bank = 34, Pin name = IO_L4P_T0_34,						Sch name = AN2
set_property PACKAGE_PIN M3 [get_ports {sSegAnode[2]}]					
	set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {sSegAnode[2]}]
##Bank = 34, Pin name = IO_L13_T2_MRCC_34,					Sch name = AN3
set_property PACKAGE_PIN N5 [get_ports {sSegAnode[3]}]					
	set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {sSegAnode[3]}]
##Bank = 34, Pin name = IO_L3P_T0_DQS_34,					Sch name = AN4
set_property PACKAGE_PIN N2 [get_ports {sSegAnode[4]}]					
	set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {sSegAnode[4]}]
##Bank = 34, Pin name = IO_L16N_T2_34,						Sch name = AN5
set_property PACKAGE_PIN N4 [get_ports {sSegAnode[5]}]					
	set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {sSegAnode[5]}]
##Bank = 34, Pin name = IO_L1P_T0_34,						Sch name = AN6
set_property PACKAGE_PIN L1 [get_ports {sSegAnode[6]}]					
	set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {sSegAnode[6]}]
##Bank = 34, Pin name = IO_L1N_T034,							Sch name = AN7
set_property PACKAGE_PIN M1 [get_ports {sSegAnode[7]}]					
	set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {sSegAnode[7]}]

##Buttons
##Bank = 15, Pin name = IO_L3P_T0_DQS_AD1P_15,				Sch name = CPU_RESET
#set_property PACKAGE_PIN C12 [get_ports btnCpuReset]				
	#set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports btnCpuReset]
##Bank = 15, Pin name = IO_L11N_T1_SRCC_15,					Sch name = BTNC
set_property PACKAGE_PIN E16 [get_ports bc]						
	set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports bc]
##Bank = 15, Pin name = IO_L14P_T2_SRCC_15,					Sch name = BTNU
set_property PACKAGE_PIN F15 [get_ports bu]						
	set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports bu]
##Bank = CONFIG, Pin name = IO_L15N_T2_DQS_DOUT_CSO_B_14,	Sch name = BTNL
set_property PACKAGE_PIN T16 [get_ports bl]						
	set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports bl]
##Bank = 14, Pin name = IO_25_14,							Sch name = BTNR
set_property PACKAGE_PIN R10 [get_ports br]						
	set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports br]
##Bank = 14, Pin name = IO_L21P_T3_DQS_14,					Sch name = BTND
set_property PACKAGE_PIN V10 [get_ports bd]						
	set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports bd]

##Temperature Sensor
##Bank = 15, Pin name = IO_L14N_T2_SRCC_15,					Sch name = TMP_SCL
set_property PACKAGE_PIN F16 [get_ports scl]					
	set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports scl]
##Bank = 15, Pin name = IO_L13N_T2_MRCC_15,					Sch name = TMP_SDA
set_property PACKAGE_PIN G16 [get_ports sda]					
	set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports sda]
##Bank = 15, Pin name = IO_L1P_T0_AD0P_15,					Sch name = TMP_INT
#set_property PACKAGE_PIN D14 [get_ports tmpInt]					
	#set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports tmpInt]
##Bank = 15, Pin name = IO_L1N_T0_AD0N_15,					Sch name = TMP_CT
#set_property PACKAGE_PIN C14 [get_ports tmpCT]						
	#set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports tmpCT]
  • top.ucf (ISEの場合) 
    ## Clock signal
NET "bclck"   LOC = "E3"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";					#Bank = 35, Pin name = IO_L12P_T1_MRCC_35,					Sch name = CLK100MHZ
#NET "clk" TNM_NET = sys_clk_pin;
#TIMESPEC TS_sys_clk_pin = PERIOD sys_clk_pin 100 MHz HIGH 50%; 

## Switches
NET "sw<0>"			LOC = "U9"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 34, Pin name = IO_L21P_T3_DQS_34,					Sch name = SW0
NET "sw<1>"			LOC = "U8"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 34, Pin name = IO_25_34,							Sch name = SW1
NET "sw<2>"			LOC = "R7"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 34, Pin name = IO_L23P_T3_34,						Sch name = SW2
NET "sw<3>"			LOC = "R6"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 34, Pin name = IO_L19P_T3_34,						Sch name = SW3
NET "sw<4>"			LOC = "R5"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 34, Pin name = IO_L19N_T3_VREF_34,					Sch name = SW4
NET "sw<5>"			LOC = "V7"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 34, Pin name = IO_L20P_T3_34,						Sch name = SW5
NET "sw<6>"			LOC = "V6"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 34, Pin name = IO_L20N_T3_34,						Sch name = SW6
NET "sw<7>"			LOC = "V5"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 34, Pin name = IO_L10P_T1_34,						Sch name = SW7
NET "sw<8>"			LOC = "U4"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 34, Pin name = IO_L8P_T1-34,						Sch name = SW8
NET "sw<9>"			LOC = "V2"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 34, Pin name = IO_L9N_T1_DQS_34,					Sch name = SW9
NET "sw<10>"			LOC = "U2"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 34, Pin name = IO_L9P_T1_DQS_34,					Sch name = SW10
NET "sw<11>"			LOC = "T3"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 34, Pin name = IO_L11N_T1_MRCC_34,					Sch name = SW11
NET "sw<12>"			LOC = "T1"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 34, Pin name = IO_L17N_T2_34,						Sch name = SW12
NET "sw<13>"			LOC = "R3"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 34, Pin name = IO_L11P_T1_SRCC_34,					Sch name = SW13
NET "sw<14>"			LOC = "P3"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 34, Pin name = IO_L14N_T2_SRCC_34,					Sch name = SW14
NET "sw<15>"			LOC = "P4"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 34, Pin name = IO_L14P_T2_SRCC_34,					Sch name = SW15

## LEDs
NET "led<0>"			LOC = "T8"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 34, Pin name = IO_L24N_T3_34,						Sch name = LED0
NET "led<1>"			LOC = "V9"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 34, Pin name = IO_L21N_T3_DQS_34,					Sch name = LED1
NET "led<2>"			LOC = "R8"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 34, Pin name = IO_L24P_T3_34,						Sch name = LED2
NET "led<3>"			LOC = "T6"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 34, Pin name = IO_L23N_T3_34,						Sch name = LED3
NET "led<4>"			LOC = "T5"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 34, Pin name = IO_L12P_T1_MRCC_34,					Sch name = LED4
NET "led<5>"			LOC = "T4"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 34, Pin name = IO_L12N_T1_MRCC_34,					Sch	name = LED5
NET "led<6>"			LOC = "U7"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 34, Pin name = IO_L22P_T3_34,						Sch name = LED6
NET "led<7>"			LOC = "U6"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 34, Pin name = IO_L22N_T3_34,						Sch name = LED7
NET "led<8>"			LOC = "V4"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 34, Pin name = IO_L10N_T1_34,						Sch name = LED8
NET "led<9>"			LOC = "U3"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 34, Pin name = IO_L8N_T1_34,						Sch name = LED9
NET "led<10>"			LOC = "V1"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 34, Pin name = IO_L7N_T1_34,						Sch name = LED10
NET "led<11>"			LOC = "R1"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 34, Pin name = IO_L17P_T2_34,						Sch name = LED11
NET "led<12>"			LOC = "P5"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 34, Pin name = IO_L13N_T2_MRCC_34,					Sch name = LED12
NET "led<13>"			LOC = "U1"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 34, Pin name = IO_L7P_T1_34,						Sch name = LED13
NET "led<14>"			LOC = "R2"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 34, Pin name = IO_L15N_T2_DQS_34,					Sch name = LED14
NET "led<15>"			LOC = "P2"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 34, Pin name = IO_L15P_T2_DQS_34,					Sch name = LED15

NET "cled1<2>"			LOC = "K5"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 34, Pin name = IO_L5P_T0_34,						Sch name = LED16_R
#NET "cled1<1>"		LOC = "F13"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 15, Pin name = IO_L5P_T0_AD9P_15,					Sch name = LED16_G
#NET "cled1<0>"		LOC = "F6"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 35, Pin name = IO_L19N_T3_VREF_35,					Sch name = LED16_B
NET "cled2<2>"			LOC = "K6"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 34, Pin name = IO_0_34,								Sch name = LED17_R
#NET "cled2<1>"		LOC = "H6"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 35, Pin name = IO_24P_T3_35,						Sch name =  LED17_G
#NET "cled2<0>"		LOC = "L16"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = CONFIG, Pin name = IO_L3N_T0_DQS_EMCCLK_14,			Sch name = LED17_B

## 7 segment display
NET "sSegCathode<7>"			LOC = "L3"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 34, Pin name = IO_L2N_T0_34,						Sch name = CA
NET "sSegCathode<6>"			LOC = "N1"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 34, Pin name = IO_L3N_T0_DQS_34,					Sch name = CB
NET "sSegCathode<5>"			LOC = "L5"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 34, Pin name = IO_L6N_T0_VREF_34,					Sch name = CC
NET "sSegCathode<4>"			LOC = "L4"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 34, Pin name = IO_L5N_T0_34,						Sch name = CD
NET "sSegCathode<3>"			LOC = "K3"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 34, Pin name = IO_L2P_T0_34,						Sch name = CE
NET "sSegCathode<2>"			LOC = "M2"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 34, Pin name = IO_L4N_T0_34,						Sch name = CF
NET "sSegCathode<1>"			LOC = "L6"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 34, Pin name = IO_L6P_T0_34,						Sch name = CG

NET "sSegCathode<0>"				LOC = "M4"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 34, Pin name = IO_L16P_T2_34,						Sch name = DP

NET "sSegAnode<0>"			LOC = "N6"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 34, Pin name = IO_L18N_T2_34,						Sch name = AN0
NET "sSegAnode<1>"			LOC = "M6"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 34, Pin name = IO_L18P_T2_34,						Sch name = AN1
NET "sSegAnode<2>"			LOC = "M3"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 34, Pin name = IO_L4P_T0_34,						Sch name = AN2
NET "sSegAnode<3>"			LOC = "N5"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 34, Pin name = IO_L13_T2_MRCC_34,					Sch name = AN3
NET "sSegAnode<4>"			LOC = "N2"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 34, Pin name = IO_L3P_T0_DQS_34,					Sch name = AN4
NET "sSegAnode<5>"			LOC = "N4"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 34, Pin name = IO_L16N_T2_34,						Sch name = AN5
NET "sSegAnode<6>"			LOC = "L1"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 34, Pin name = IO_L1P_T0_34,						Sch name = AN6
NET "sSegAnode<7>"			LOC = "M1"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 34, Pin name = IO_L1N_T034,							Sch name = AN7

## Buttons
#NET "btnCpuReset"		LOC = "C12"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 15, Pin name = IO_L3P_T0_DQS_AD1P_15,				Sch name = CPU_RESET
NET "bc"				LOC = "E16"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 15, Pin name = IO_L11N_T1_SRCC_15,					Sch name = BTNC
NET "bu"				LOC = "F15"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 15, Pin name = IO_L14P_T2_SRCC_15,					Sch name = BTNU
NET "bl"				LOC = "T16"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = CONFIG, Pin name = IO_L15N_T2_DQS_DOUT_CSO_B_14,	Sch name = BTNL
NET "br"				LOC = "R10"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 14, Pin name = IO_25_14,							Sch name = BTNR
NET "bd"				LOC = "V10"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 14, Pin name = IO_L21P_T3_DQS_14,					Sch name = BTND
 
## Temperature Sensor
#NET "tmpSCL"			LOC = "F16"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 15, Pin name = IO_L14N_T2_SRCC_15,					Sch name = TMP_SCL
#NET "tmpSDA"			LOC = "G16"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 15, Pin name = IO_L13N_T2_MRCC_15,					Sch name = TMP_SDA
#NET "tmpInt"			LOC = "D14"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 15, Pin name = IO_L1P_T0_AD0P_15,					Sch name = TMP_INT
#NET "tmpCT"			LOC = "C14"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 15, Pin name = IO_L1N_T0_AD0N_15,					Sch name = TMP_CT
NET "scl"			LOC = "F16"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 15, Pin name = IO_L14N_T2_SRCC_15,					Sch name = TMP_SCL
NET "sda"			LOC = "G16"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 15, Pin name = IO_L13N_T2_MRCC_15,					Sch name = TMP_SDA
#NET "tmpInt"			LOC = "D14"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 15, Pin name = IO_L1P_T0_AD0P_15,					Sch name = TMP_INT
#NET "tmpCT"			LOC = "C14"	| IOSTANDARD = "LVCMOS33";		#Bank = 15, Pin name = IO_L1N_T0_AD0N_15,					Sch name = TMP_CT
  • ISEの画面の例
    • 入力終了後の状態(上のverilog のコピペで良いです)
      • i2c-1-1.jpg
    • 構文チェック
      • i2c-1-2.jpg
↑

verilog のコンパイルと bit ファイルの作成 †

  • startup clock を jtag に変更
    • Generate programming file を右クリック, Process Properties を選択
      • i2c-1-3.jpg
    • Process Properties ウィンドウの Startup Options を選択し、FPGA Start-Up Clock をJTAG-Clockに変更し、OKをクリック
      • i2c-1-4.jpg
  • bitファイルの生成
    • Process Window で, Generate programming file をダブルクリック。もしくは、右クリックして、rerun all.
      • i2c-1-6.jpg
↑

Nexys4とパソコンの接続, bit ファイルのダウンロード †

  • パソコンとNexys4を接続
    • i2c-1-7-s.jpg
  • bitファイルのダウンロード
    • Process Windowで Configure Target Device をダブルクリック
      • i2c-1-8.jpg
    • Warning ウィンドウで　OKをクリック
      • i2c-1-9.jpg
    • ISE IMPACT ウィンドウが表示される。
      • i2c-1-10.jpg
    • ISE iMPACT ウィンドウでBoundary Scan をダブルクリック
      • i2c-1-11.jpg
    • ISE iMPACT の "Right click to Add Device or Initiate JTAG chain" のところで右クリック
      • i2c-1-12.jpg
    • 出てきたダイアログで, Add Xilinx Device を選択
      • i2c-1-13.jpg
    • ダウンロードする bit ファイルを間違えないように選択(過去に保存した bit ファイルが最初に出る場合があります)
      • i2c-1-14.jpg
    • チップのアイコンが表示されるので, そこを右クリックして, 出てきたメニューから "program"を選択。
      • i2c-1-16.jpg
    • Device Programming Properties のウィンドウで OK をクリック
      • i2c-1-17.jpg
    • bit ファイルのダウンロード状況(転送状況)が表示される。
      • i2c-1-18.jpg
    • ダウンロードが終了すると、ボードの7セグメントLEDに"0000 0000"が表示される(スライドスイッチがすべてOffの場合)。
      • i2c-1-19-s.jpg　
        (スライドスイッチ 0 がONになっているので、左端が1になっています。)
↑

実行 †

  • 手順詳細
    • bitファイルのダウンロード終了時点で、自動的に回路に電源が供給されて、回路が動き始めます。
    • sw[0](sda) を1にします。center button (scl)は、押していない時に0, 押したときに 1 になります。
    • sclを1 にして、sda を 1->0にします。（center button を1にして、その状態のまま, sw[0]を1から0にする）
    • sclを0にします。(center buttonを離す)
    • sdaを1にして、sclを 0->1->0にします。(sw[0]を1にして、center button を押して離す)... これで device の7bit のアドレスのMSBの1bit がデバイス側に送られます。
    • sdaを0にして、sclを 0->1->0にします。
    • sdaを0のまま、sclを 0->1->0にします。
    • sdaを1にして、sclを 0->1->0にします。
    • sdaを0にして、sclを 0->1->0にします。
    • sdaを1にして、sclを 0->1->0にします。
    • sdaを1のまま、sclを 0->1->0にします。ここまでが、ADT7420のアドレス, 0x4bの出力です。
    • sdaを0にして、sclを 0->1->0にします。write (=0)の出力です。
    • sdaを1(Z)にして、sclを0->1->0にします。ADT7420から ack(=0)が出力され、led[8]に表示されるはずです。
    • sdaを0にして、sclを8回、0->1->0にします。 ... register 0の指定です。
    • sdaを1(Z)にして、sclを0->1->0にし、ADT7420から ackを入力します。
    • sdaを1のまま、sclを1にします。
    • sclを1のまま、sdaを0にして、restart します。そのあと、sclを0にします。
    • sdaを1にして、sclを 0->1->0にします。
    • sdaを0にして、sclを 0->1->0にします。
    • sdaを0のまま、sclを 0->1->0にします。
    • sdaを1にして、sclを 0->1->0にします。
    • sdaを0にして、sclを 0->1->0にします。
    • sdaを1にして、sclを 0->1->0にします。
    • sdaを1のまま、sclを 0->1->0にします。ADT7420のアドレス, 0x4bの再出力です。
    • sdaを1にして、sclを 0->1->0にします。read (=1)の出力です。
    • sdaを1のまま、sclを 0->1->0にし、ADT7420からackを入力します。
    • sdaを1のまま、sclを8回 0->1->0します。このとき、ADT7420から温度データが送られてきて、それが、led[8]から入力され、右にシフトされます。最初の bit は、符号を表します。符号を含む最初の8bitは、全16bitのMSB側の8bitです。
    • sdaを0にして、sclを 0->1->0にして、Master から ADT7420へ ack (0)を送ります。
    • sdaを1にして、そのまま、sclを8回 0->1->0します。このとき、ADT7420から温度データの下位8bitが送られてきて、それが、led[8]から入力され、右にシフトされます。入力された全16bitのうち、符号を除く上位8bit、（つまり、最初の1byte(8bit)のうち、2番目以降の7bit と、次に入力された1byte の最初の1bit ）が、摂氏で表した温度の整数部分を表します。
    • 最後に、sdaを0, sclを1, そのまま sdaを1, にすることによって、通信終了信号がMaster からADT7420へ送られます。これで一通りのサイクルが終了します。
  • 実際に操作しているところの動画です。
  • 説明
    • 最初のスイッチの操作 ... I2C通信開始信号送信
      • center button を押して sclを 1にして、押したままにしておく。
        i2c-1-23.jpg
      • スライドスイッチをOffからONにして, sdaを1にする。
        i2c-1-24.jpg
      • スライドスイッチをONからOFFにする。
        i2c-1-25.jpg
    • アドレスの送信の最初の部分
      • sclを0にしたあと, sdaを1にして、sclを 0->1->0
        i2c-1-26.jpg
      • led[8]が点灯(1がsdaに流れたことを示す)。
        i2c-1-27.jpg
    • 再スタート, アドレス指定, 読み込みbit (1)送信, ack受信(0)受信の後, 最初に読み込んだ8bitのデータが 00010000
      • i2c-1-r-data-2.jpg
    • 次の8bit が, 11010000
      • i2c-1-r-data-3.jpg
    • この２つの01の列を接続した16bitの値が計測された温度です。最初の1bitは符号で、そのあとの8bit が摂氏で表した温度の小数点より大きいあたい、残りが、小数点より小さい値です。
    • 従って、0010 0001 が摂氏の小数点より大きい値となり、摂氏33度であることがわかります(ボードの熱で、ちょっと高い温度になるようです)。小数点以下の部分は、101なので 1/2 + 1/8=0.5+0.125=0.625となり、整数部分に加えると、33.625度、ということになります。
      • 実際に赤外線温度計で計測すると、摂氏33.6度となっており、かなり近い値が計測されていることが確認できます。
      • i2c-1-28.jpg
↑

考察 †

  • 手でI2Cデバイスを制御するのは大変。ちょっと間違えたら１からやり直し。
  • tinyCPUを作ったのだから、それを使って、プログラムで制御したらいいじゃん。
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