Vivado使用项目实战：实现I2C温度传感器读取

从零开始用FPGA读取温度传感器：Vivado实战全记录

你有没有过这样的经历？明明代码写得一丝不苟，时序也反复推敲，可I2C总线上就是“静如止水”——SDA纹丝不动，SCL也没波形。或者更糟，读回来的数据全是0xFF，像在跟你开个无声的玩笑。

别急，这正是我们今天要一起攻克的实战项目：在Xilinx FPGA上，用Vivado从头搭建一个I2C主控制器，读取TMP102这类常见温度传感器的数据。这不是理论课，而是一次真实开发流程的完整复现——从创建工程、写状态机、加约束、仿真验证，到板级调试、抓波形、改bug，全程手把手。

为什么选I2C？因为它“小但难搞”

I2C看似简单：两根线，SCL和SDA。但它对时序要求严苛，又是开漏结构，还得处理三态控制和应答机制。对于初学者来说，它就像一块“试金石”——能通，说明你真懂了FPGA的时序和协同设计；不通，那问题往往藏得很深。

更重要的是，I2C是嵌入式系统中最常见的低速外设接口之一。掌握它，意味着你能轻松对接EEPROM、RTC、触摸屏、环境传感器……这些在工业控制、物联网节点中无处不在的模块。

而Vivado，作为Xilinx主流开发工具，它的价值不仅在于综合与实现，更在于那一套完整的硬件协同开发闭环：仿真、ILA在线调试、约束管理、IP集成。这次我们就用最“硬核”的方式，把这套流程走一遍。

I2C协议的本质：一场精确的“电平舞蹈”

在动手前，先搞清楚I2C到底在做什么。

两根线，四种动作

• SCL：时钟线，由主机（这里是FPGA）完全控制。
• SDA：数据线，双向，所有设备共用。

通信靠的是四个关键信号跳变：

记住一句话：SDA只能在SCL为低时改变，在SCL为高时必须保持稳定，否则可能误触发起始/停止条件。

一次温度读取的真实流程

以TMP102为例，我们要读它的温度寄存器（地址0x00），典型操作如下：

1. Start
2. 发送Slave_Write_Address（比如0b10010000）
3. 等待ACK
4. 发送寄存器地址0x00
5. 等待ACK
6. ReStart
7. 发送Slave_Read_Address（0b10010001）
8. 接收第一个字节
9. 回复ACK
10. 接收第二个字节
11. 回复NACK（表示不再接收）
12. Stop

整个过程涉及两次地址传输、一次寄存器选择、两次数据接收，中间夹着多个ACK/NACK判断。稍有延迟或提前，从机就可能“罢工”。

FPGA怎么“演”好I2C主机？状态机是核心

要在FPGA里实现这个流程，最可靠的方法是有限状态机（FSM） + 精确计数。

状态机怎么分？按通信阶段切

我把整个流程拆成13个状态，清晰对应每一步操作：

typedef enum logic [3:0] { IDLE, START, ADDR_WR, ACK1, REG_SET, RESTART, ADDR_RD, ACK2, READ_BYTE1, ACK3, READ_BYTE2, NACK, STOP, DONE } i2c_state_t;

每个状态干一件事，比如：

• START：拉高SCL和SDA → 拉低SDA
• ADDR_WR：逐位发送从机写地址（7位地址 + 0）
• ACK1：释放SDA，等待从机拉低（ACK）
• READ_BYTE1：在SCL上升沿采样SDA，移位保存

状态转移靠内部计数器推进。例如，发送8位地址需要8个SCL周期，我们就用一个bit_cnt从0计到7。

时钟怎么分？别让SCL太快

假设FPGA主频是100MHz，目标SCL = 100kHz，那么每个SCL周期是10μs，高低各5μs。

100MHz下，一个时钟周期是10ns，所以每半个SCL周期需要计数：

5μs / 10ns = 500

也就是说，SCL高/低电平各维持500个系统时钟。用一个clk_div计数器即可实现。

⚠️ 注意：实际设计中建议留些裕量，比如设为550，避免因布线延迟导致时序紧张。

Vivado实战：从创建工程到下载运行

第一步：建工程，选对芯片

打开Vivado，新建RTL工程：

• Project name:i2c_temp_reader
• Device: 根据你的开发板选择，比如Digilent Nexys A7-100T →xc7a100tcsg324-1
• 不勾选“Sources in external location”

添加两个文件：

• i2c_temp_sensor_top.v：顶层模块
• i2c_master_ctrl.v：I2C主控核心

第二步：引脚约束（XDC）不能错

I2C信号必须接到支持inout的IO上。以PMOD JA为例：

set_property PACKAGE_PIN J17 [get_ports {scl_io}] ;# PMOD JA1 set_property PACKAGE_PIN K16 [get_ports {sda_io}] ;# PMOD JA2 set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {scl_io sda_io}] set_property CONFIG_PACKAGE_PIN_PULL none [get_ports {scl_io sda_io}] ;# 关闭内部弱上拉，外接电阻更稳 # 复位按键 set_property PACKAGE_PIN C12 [get_ports {btn_rst}] set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports btn_rst]

🔧 实践提示：虽然FPGA IO有弱上拉，但I2C总线最好外接4.7kΩ上拉电阻到3.3V。我吃过亏——没接电阻，通信成功率不到30%。

第三步：三态控制是关键

FPGA的SDA和SCL都是inout端口，必须通过oe（output enable）控制方向：

// 在顶层连接 wire scl_o, sda_o; wire scl_i, sda_i; wire scl_oe, sda_oe; assign scl_io = scl_oe ? scl_o : 1'bz; assign sda_io = sda_oe ? sda_o : 1'bz; assign scl_i = scl_io; assign sda_i = sda_io;

• 当oe=1，输出由o决定
• 当oe=0，呈高阻态，允许从机驱动

在状态机中，只有主机发送数据或生成Start/Stop时才使能输出；接收ACK时需释放SDA，让从机拉低。

仿真验证：别等上板才发现逻辑错了

写Testbench，模拟一次完整读取：

initial begin clk = 0; forever #5 clk = ~clk; // 100MHz end initial begin rst_n = 0; start_req = 0; slave_addr = 7'b1001000; reg_addr = 8'h00; #100 rst_n = 1; #100 start_req = 1; #20 start_req = 0; wait(done); $display("✅ 温度读取完成，值为: %h %h", temp_data[15:8], temp_data[7:0]); #100 $finish; end

用Vivado Simulator跑一下，重点看：

• Start条件是否正确生成（SDA下降早于SCL）
• 地址和寄存器是否匹配
• ACK是否在第9个SCL周期被采样
• 两个字节是否完整接收

如果仿真都过不去，上板只会更糟。

板级调试：ILA是你最好的朋友

仿真通过了，烧录到板子，结果还是没数据？

别慌，插入ILA核，实时抓信号！

在Block Design中添加ILA IP，监控这些信号：

• state：当前状态机状态
• scl_o,sda_o：实际输出
• scl_oe,sda_oe：输出使能
• ack_err：是否有ACK错误

重新综合、实现、生成比特流，下载后打开Hardware Manager，点击“Debug Probes”，就能看到实时波形。

常见坑点与解决方法

有一次我折腾了半天，最后发现是TMP102的ADDR引脚接地不良，导致地址变成了0x4C而不是默认的0x48。焊好之后，立马通了。

系统扩展：让温度看得见

光读出来还不够，我们得让它“说话”。

可以在系统中加入：

• UART Lite模块：将温度值格式化为字符串，发送到PC串口助手
• LED指示灯：用4个LED显示粗略温度区间（如<25°C蓝，>30°C红）
• OLED显示：通过SPI驱动SSD1306，本地显示温度曲线

甚至可以加个MicroBlaze软核，跑FreeRTOS，定时采集并上传云端。

写在最后：为什么这个项目值得做？

因为它是从理论到落地的完整闭环。

你不仅写了Verilog，还用了Vivado的约束、仿真、ILA调试、比特流生成——这些都是工程师日常工作的缩影。你学会了：

• 如何用状态机建模复杂时序
• 如何处理inout端口和三态控制
• 如何通过ILA定位硬件bug
• 如何与真实传感器“对话”

下次当你面对SPI、UART、甚至是自定义协议时，你会更有底气。

如果你也在用Vivado做FPGA开发，不妨试试这个项目。哪怕只为了亲眼看到那一行“Temperature: 26.5°C”从串口蹦出来，也值得。

毕竟，硬件的魅力就在于——你写的每一行代码，最终都会变成实实在在的电信号，在芯片间流动。

欢迎在评论区分享你的I2C踩坑经历，或者你用FPGA连过的最奇怪的传感器是什么？