FPGAのI2CをIP使って実装してみた

FPGAでI2CのRead/Writeしてみました。

IPを使ってC言語で動かしています。

FPGAへの実装方法から、実際にオシロスコープで波形の確認まで紹介します。

FPGAのI2CをIP使って実装してみた
XilinxのIPを使ってI2C通信
I2Cのピンを内部プルアップに設定
1. カメラIFのリセットを対応
C言語でI2Cの通信テスト
1. プログラムの概要
2. 参考にさせていただいた記事
FPGAのI2Cの波形測定
1. プログラム通りのI2C波形
2. I2Cの通信速度100KHzも確認
まとめ

FPGAのI2CをIP使って実装してみた

FPGAでI2CのRead/Writeをしてみました。

FPGAはXilinxのSpartan7で、通信先のI2CのデバイスはカメラIC(OV5647)です。

FPGAでIPを使ったブロックデザインからC言語による実装までテストしています。

最後にはオシロスコープ使って実際のI2Cの波形測定まで実施しました。

プログラムで指定したスレーブアドレス(0x36)、レジスタ(0x300B)にWriteしています。

そして、必要なデータ(0x47)をReadできています。

実際に測定した下記動画含めて、一連の流れを紹介していきます。

XilinxのFPGAの評価ボードを使用

XilinxのFPGAの中でもスペックの低いSpartan7の評価ボードでテストしています。

I2CとUARTの2つのIFを試しています。

I2C…カメラIF(MIPI CSI-2)の初期設定用
UART…デバッグ用のシリアル通信(FPGAとPC間)用

今回使った評価ボードに関しては下記記事で紹介しています。(リンク先はこちら)

XilinxのFPGAの評価ボードを購入してみた。Spartan7に入門！

XilinxのFPGA評価ボードを購入して動かしてみました。最新のSpartan-7が搭載されて、カメラやHDMIと多くのIFと接続できるボードです。開発環境の構築からFPGAの書き込み方法まで分かりやすく紹介します。

カメラIF(MIPI CSI-2)のI2Cと通信

カメラIF(MIPI CSI-2)のデバイスは初期設定でI2Cを使うケースが多いです。

FPGAの評価ボードに取り付ける、汎用的なラズパイ用のカメラもI2Cを使っています。

今回はカメラ動作までは実施しませんが、簡単にI2C通信テストをしてみます。

今回は紹介していませんが、MIPI CSI-2に関しては下記記事で紹介しています。

MIPI CSI-2の規格を調べて波形を確認してみた

I2CはXilinxのIP Coreを使用

I2Cに関してはXilinxのIP Coreを使って(楽して)通信しました。

デフォルトで使えるIPのため、誰でも自由に使用することができます。

AXIバスを使う必要があるため、ソフトCPU(MicroBlaze)からI2Cを制御します。

IPコアを使ったハードウェア構築方法・配線に関しては下記記事に記載しています。

FPGAをC言語でプログラミングしてみた！Xilinx編

デバッグ用にシリアル(UART)通信も使用

デバッグ用のシリアル(UART)通信はUSBシリアル通信ケーブルを使用しています。

ボードにはTXD,RXDとGNDを接続している形となります。

FPGAの書き込みはJTAGケーブル

FPGAのプログラム書き込みはJTAGケーブルで行います。

ソフトウェア開発環境の「Vitis」でも自動認識して、書き込むことが可能です。

※USB経由でFPGAに書き込める評価ボードならJTAGケーブルは必要ありません。

専用のJTAG-USBケーブルについては下記をご参考ください。(リンク先はこちら)

XilinxをJTAG-USBケーブルで書き込み！JTAG-HS2を試してみた

JTAG-HS2を使ってXilinxのFPGAにプログラムを書き込んでみました。従来の純正のダウンロードケーブルより、小型で非常に使いやすいです。 JTAG-USBケーブルを使ったFPGAへの書き込み方法を分かりやすく紹介します。

FPGAの開発環境を用意

C言語でプログラムするためにも、XilinxのFPGAのソフト開発環境(Vitis)を用意します。

本来VitisはOS,メモリなどにインストール要件があります。

但し、今回のテストレベルならば家庭用のノートPCでも十分に実施可能でした。

Vitisの簡単な使い方・インストールに関しては下記記事に記載しています。

VitisのインストールをWindowsで試してみた

VitisをWindowsのPCにインストールしてみました。本来、Vitisのインストール要件ではLinuxで高スペックPCが推奨されています。 Vitisが家庭用のPCでも動作できるのか試してみました。

XilinxのIPを使ってI2C通信

開発環境VivadoのIPの検索画面で「IIC」と入力すれば、I2CのIPが設置できます。

XilinxのIPの設定に関してはデフォルトで使用しています。

通信速度としても標準的な100KHzです。

I2Cのピンを内部プルアップに設定

FPGAのピン設定であるXDC(制約)ファイルに関しては下記設定をしています。

set_property -dict {PACKAGE_PIN N14 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports uart_rtl_0_rxd]
set_property -dict {PACKAGE_PIN M14 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports uart_rtl_0_txd]

set_property -dict {PACKAGE_PIN J1 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {gpio_rtl_0_tri_o[0]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN A13 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {gpio_rtl_0_tri_o[1]}]

set_property -dict {PACKAGE_PIN K11 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports iic_rtl_0_scl_io]
set_property -dict {PACKAGE_PIN K12 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports iic_rtl_0_sda_io]

set_property PULLUP true [get_ports iic_rtl_0_scl_io]
set_property PULLUP true [get_ports iic_rtl_0_sda_io]

set_property -dict {PACKAGE_PIN H4 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports clk_100M]

set_property -dict {PACKAGE_PIN M12 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports cam_gpio]

set_property -dict {PACKAGE_PIN N14 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports uart_rtl_0_rxd]

set_property -dict {PACKAGE_PIN M14 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports uart_rtl_0_txd]

set_property -dict {PACKAGE_PIN J1 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {gpio_rtl_0_tri_o[0]}]

set_property -dict {PACKAGE_PIN A13 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {gpio_rtl_0_tri_o[1]}]

set_property -dict {PACKAGE_PIN K11 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports iic_rtl_0_scl_io]

set_property -dict {PACKAGE_PIN K12 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports iic_rtl_0_sda_io]

set_property PULLUP true [get_ports iic_rtl_0_scl_io]

set_property PULLUP true [get_ports iic_rtl_0_sda_io]

set_property -dict {PACKAGE_PIN H4 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports clk_100M]

set_property -dict {PACKAGE_PIN M12 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports cam_gpio]

カメラコネクタのI2Cピン箇所は13ピン(SCL)、14ピン(SDA)となります。

今回のFPGA評価ボードだけではなく、ラズパイでも同じです。

FPGAの評価ボード・カメラ両方にプルアップ抵抗が搭載されていました。

FPGAの内臓プルアップしなくても動作すると思いますが、(一応)設定をしときます。

※XDCファイルの「set_property PULLUP true [get_ports～]」の箇所です

カメラIFのリセットを対応

今回ハードウェアのデザインとして、特に難しいことはしていません。

IPの接続方法を紹介した下記記事から基本変更無しです。

FPGAをC言語でプログラミングしてみた！Xilinx編

差分としては、今回カメラIFを使っているのリセット信号を1本追加しただけです。

C言語でI2Cの通信テスト

実際に使ったC言語のI2C通信のテストプログラムは下記となります。

Xilinxのソフトウェア開発環境であるVitisで実行しました。

#include "xparameters.h"
#include "XIic.h"

u8 readReg(u16 reg_addr)
{
	u8 write_buf[3];
	write_buf[0] = (reg_addr >> 8) & 0xff;
	write_buf[1] = reg_addr & 0xff;
	u8 read_buf;
	XIic_Send(0x40800000, 0x36, write_buf, 2, 0);
	XIic_Recv(0x40800000, 0x36, &read_buf, 1, 0);
	return read_buf;
}

int main()
{
	//usleep(10000000); // 10sec sleep
	u8 data;
	data = readReg(0x300b);
	xil_printf("%x\r\n", data);

	return 0;
}