6-DE10-Nano的HDMI方块移动案例——使用Modelsim仿真I2C控制器

ModelSim是Model Technology（Mentor Graphics的子公司）的HDL硬件描述语言的仿真软件。该软件可以用来实现对设计的VHDL、Verilog HDL 或是两种语言混合的程序进行仿真。这里的仿真是对设计进行功能仿真（也称之为前仿真），其目的是验证电路功能是否符合设计要求。

本篇主要是对I2C_Controller模块进行功能仿真。test_bench的核心是模拟FPGA给出数据24'h729803，同时也模拟I2C外设来接收该数据并给出应答反馈。

1. 首先用Quartus打开HDMI_block_move工程(HDMI_block_move工程下载链接: https://pan.baidu.com/s/1XxFFj-3UTfB_Er-yz0f_Cg 提取码: tera)，然后在该工程路径下新建一个Verilog test bench仿真文件。右击File------New，选择Verilog HDL File，然后点击OK：

2. 将下面代码拷贝到新建的.v文件当中：

复制代码

`timescale 1ns/1ps
module tb_I2C_Controller();   // 输出信号定义  reg CLOCK;  reg [23:0] I2C_DATA;  reg GO;  reg RESET;
  // 双向信号定义（I2C_SDAT需要上拉电阻模拟总线特性）  wire I2C_SDAT;  reg sdat_drive;  // 用于模拟从机应答的驱动信号
  // 输入信号定义  wire I2C_SCLK;  wire END;  wire ACK;
  // 上拉电阻模拟（I2C总线默认高电平）  assign I2C_SDAT = sdat_drive ? 1'bz : 1'b0;
  // 例化被测试模块I2C_Controller uut (  .CLOCK(CLOCK),  .I2C_DATA(I2C_DATA),  .GO(GO),  .RESET(RESET),  .I2C_SDAT(I2C_SDAT),  .I2C_SCLK(I2C_SCLK),  .END(END),  .ACK(ACK));
reg [7:0] cnt_I2Cclk;    // 时钟生成（100MHz，周期10ns）initial begin  CLOCK = 0;  forever #5 CLOCK = ~CLOCK; end
// 主仿真过程initial begin  // 初始化信号  I2C_DATA = 24'h729803;  // 待写入的目标数据  GO = 0;  RESET = 0;  sdat_drive = 1;  // 初始释放总线（上拉为高）
  // 复位过程  #20 RESET = 1;   // 20ns后释放复位
  // 等待模块进入空闲状态  #50;
  // 启动I2C写入过程  GO = 1;  #10 GO = 0;      // 提供一个时钟周期的GO脉冲  cnt_I2Cclk = 0;         // 模拟从机应答（在每个字节传输的第9个时钟周期拉低SDA）  // 监控时钟线，在需要应答时拉低SDA  forever @(negedge I2C_SCLK) begin    cnt_I2Cclk <= cnt_I2Cclk +1 ;    if (cnt_I2Cclk == 29) begin      $stop;    end    if (uut.CNT == 8) begin  // 第9位传输时      sdat_drive = 0;  // 产生应答信号（低电平）    end     else begin      sdat_drive = 1;  // 其他时间释放总线    end  end        endendmodule

3. 点击Save按钮，将文件保存为tb_I2C_Controller.v。

4. 安装Quartus软件的时候也记得安装Modelsim 工具（这些安装步骤在后期文章里面会发布），接下来要将Modelsim 的安装路径设置一下就才可以在仿真时自动调用指定的仿真工具。首先是在Tools菜单下面找到Options：

5. 在弹出的对话框中选择EDA Tool Options ，点击...指定软件路径： D:\intelFPGA_lite\17.1\modelsim_ase\win32aloem：

6. 接下来设置仿真文件路径。点击Assignments------Settings：

7. 点击 Simulation，仿真工具选择ModelSim-Altera, 然后点选Compile test bench圆圈，点击Test Benches...

8. 点击New...

9. 然后填写Test bench name 名称为tb_I2C_Controller，接着点击File name处对应的...按钮：

10. 选择tb_I2C_Controller.v文件，然后点击Open：

11. 接着点击Add将仿真文件添加到Test Bench，依次点击OK、OK、Apply和 OK退出窗口：

12. 在仿真之前要先点击Start Analysis&Synthesis按钮进行分析和综合：

13. 再点击Tools------Run Simulation Tool_RTL Simulation进行仿真：

14. 点击Zoom Full按钮将显示全部波形。

15. 最后波形生成如下：

通过波形可以看到，用于触发I2C写操作的GO信号拉高一个时钟周期后，I2C开始写数据的操作。现在要写的数据是24'h729803，二进制是0111_0010_1001_1000_0000_0011，将波形放大分三段截图将看到如下内容：

数据发送的状态循环是ST=2 → ST=3 → ST=4 → ST=5 → ST=2，这个循环发送1位数据，共循环9次（8位数据+ACK），第9位（1'b1）是确保在第9个时钟周期主机释放SDA总线。

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

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

END