news 2026/10/1 19:00:13

5-DE10-Nano的HDMI方块移动案例——基于FPGA的I2C控制模块设计

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张小明

前端开发工程师

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5-DE10-Nano的HDMI方块移动案例——基于FPGA的I2C控制模块设计

I2C_WRITE_WDATA.v模块实现I2C写时序,I2C_Controller (I2C控制器)例化了I2C_WRITE_WDATA.v模块,同时增加了I2C数据线SDA的三态缓冲电路。I2C_HDMI_Config.v 是顶层模块,该模块例化了I2C_Controller模块,对系统时钟进行了分频,并控制寄存器的配置。


1 I2C写操作的Verilog实现


I2C_WRITE_WDATA.v是一个I2C写数据模块,用于通过I2C总线向从设备ADV7513写入数据。


该模块接口定义如下:


该模块实现了一个状态机,其功能是向从设备写入多个字节数据。它按照I2C协议生成起始条件、发送从设备地址(包括读/写位)、发送数据字节以及产生停止条件。同时,它还会检测从设备的应答信号,并在传输完成后给出结束信号。具体过程如下图:

为了能更好的理解这个状态机的控制逻辑,下面画出I2C传输某个寄存器的过程波形如下:


2 I2C的三态门电路Verilog实现


I2C_Controller.v里面例化了一个I2C_WRITE_WDATA.v模块:


该模块将I2C_WRITE_WDATA.v模块的SDAI 和SDAO 之间增加了一个三态门电路:


在I2C_WRITE_WDATA模块中,SDAO是输出信号,用于控制数据线的输出状态。当需要输出高电平时,SDAO设置为1,使得I2C_SDAT为高阻,由上拉电阻拉高;当需要输出低电平时,SDAO设置为0,将I2C_SDAT拉低。同时,I2C_WRITE_WDATA模块还接收SDAI(即I2C_SDAT)作为输入,用于读取总线上的实际状态(例如检测ACK信号)。


3 I2C配置寄存器的Verilog设计


这是一个HDMI的寄存器配置模块,它使用了一个查找表(LUT)来存储配置数据,然后通过I2C控制器(实现了I2C协议)对HDMI transmitter的寄存器逐个进行写入配置。


时钟分频


一般FPGA开发板板载系统时钟是50MHz, 但是I2C 的时钟不能太高,从手册上看, 最大不能超过400KHz,所以设计代码的时候需要分频。


Verilog代码里面将50MHz时钟分频为20KHz时钟:


配置寄存器


寄存器配置的值通过查找表(LUT)来存储, 代码里面主要配置了31个寄存器,其他的没有配置的就表示使用的是默认的配置,有关于ADV7513的寄存器查找请参考2 ADV7513寄存器配置章节。


寄存器数据的配置采用一个三状态的状态机去控制:

状态机完整代码如下:

这个状态机确保了HDMI配置数据的可靠传输,具备完整的错误处理和重试机制,是HDMI初始化过程中的核心控制逻辑。


I2C设备地址


ADV7513的PD引脚接2K电阻到地:

参考ADV7513_Hardware_User's_Guide_R0.pdf文档可知其I2C读、写地址是0x72/0x73:


HDMI_TX_INT信号


HDMI_TX_INT信号低电平有效,具体描述可以参考ADV7513_Hardware_User's_Guide_R0.pdf的第17页:


在DE10-Nano的开发板电路中,

该引脚默认被拉高到3.3V,当触发中断事件发生时,由软件控制该信号发生电平变化。


I2C_HDMI_Config.v文件里面设置若HDMI_TX_INT信号为低电平,则重新配置寄存器:

往期阅读

1-DE10-Nano的HDMI方块移动案例——显示器时序(DMT)标准介绍

2-DE10-Nano的HDMI方块移动案例——HDMI接口介绍(含TMDS)

3-DE10-Nano的HDMI方块移动案例——ADV7513芯片解读

4-DE10-Nano的HDMI方块移动案例——I2C通信协议

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