1、概述
根据实际项目需求，设计和开发一个基于I2C总线的IMU驱动控制，实现FPGA对 IMU（BMI088）的数据采集，并实际验证。
2、 逻辑视图
把系统功能分解，模块划分，梳理出数据流和控制流如下：
核心模块：
IMU 控制器：通过 I2C 读取 IMU 原始数据（加速度/角速度），产生采样有效信号和包起始/结束标志。
数据打包模块：将 IMU 数据按照自定义协议（如 UDP/RoCE）打包成 AXI-Stream 流。
10GbE MAC+PHY：将以太网帧发送到 SFP+ 光模块。
3、IMU控制器
这边采用的是ICM-42688-P型号，这是 是 TDK InvenSense 推出的一款 6 轴惯性测量单元（IMU），专为无人机和机器人应用而设计。集成了一个 16 位三轴加速度计和一个汽车级 16 位三轴陀螺仪；
4、IMU控制器+FSM
imu_top是一个可配置的惯性测量单元（IMU）数据采集与打包模块，实现 IMU 数据与图像数据的精确时间对齐，并通过 10GbE 网络发送，主要完成以下任务：
通过I2C接口读取外部 IMU 传感器（如加速度计、陀螺仪）的原始数据（8-bit 字节流）。
为每一次完整的采样（一个数据包）打上来自PTP（精确时间协议）的64 位时间戳（秒 + 纳秒）。
将[时间戳 + IMU 数据]打包成AXI-Stream格式输出，供后续模块（如网络打包、DMA 等）使用。
提供APB 从接口，允许外部处理器（或软核）配置内部寄存器（例如设置采样率、滤波参数等）。
具体代码如下：
// SPDX-FileCopyrightText: Copyright (c) 2023-2024 NVIDIA CORPORATION & AFFILIATES. All rights reserved. // SPDX-License-Identifier: Apache-2.0 // // Licensed under the Apache License, Version 2.0 (the "License"); // you may not use this file except in compliance with the License. // You may obtain a copy of the License at // //功能： //通过I2C接口读取IMU传感器（如加速度计/陀螺仪）的原始数据，为每一帧（或每一次采样）打上来自PTP（精确时间协议）的64位时间戳，然后将数据打包成AXI-Stream格式输出。同时支持APB总线配置内部寄存器 // http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0 // // Unless required by applicable law or agreed to in writing, software // distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS, // WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied. // See the License for the specific language governing permissions and // limitations under the License. module imu_top import apb_pkg::*; import regmap_pkg::*; #( parameter RAM_DEPTH = 128, //内部可以缓存 128个采样点 parameter W_DATA = 64, localparam W_KEEP = W_DATA/8 ) ( // PTP PTP 时钟域 input i_ptp_clk, //PTP 时钟（通常来自10GbE恢复时钟） input i_ptp_rst, //PTP 域复位 input [63:0] i_ptp_ts, //PTP 时间戳（秒+纳秒） // Register Interface APB 配置接口 input i_aclk, //APB/IMU 采样时钟（通常50MHz） input i_arst, //APB 域复位 input apb_m2s i_apb_m2s, //APB 主到从信号（地址、数据、控制） output apb_s2m o_apb_s2m, //APB 从到主信号（就绪、读数据） // AXIS Interface AXIS 输出 output [W_DATA-1:0] o_axis_tdata, //输出数据（打包后的IMU+时间戳） output o_axis_tvalid, //数据有效 output o_axis_tlast, //帧/包结束标志 output o_axis_tuser, //用户定义（本模块置0） output [W_KEEP-1:0] o_axis_tkeep, //每个字节有效掩码（64位对应8个字节） input i_axis_tready, //下游模块准备好接收 // Interrupt IMU控制和I2C input [1:0] i_start, //启动采样触发信号（比如来自VSYNC） //I2C Ports input scl_i, output scl_o, input sda_i, output sda_o ); logic imu_data_valid; //数据有效 logic [7:0] imu_data; //原始IMU数据 8bit logic eop; //End of Packet logic sop; //表示一帧数据的开始（例如一次完整采样的第一个字节） logic sample_last; //本采样点最后一个字节 logic [63:0] imu_ts; logic imu_ts_vld; logic imu_sop_ptp_sync; logic [7:0] axis_tdata; logic axis_tvalid; imu #( .NUM_INST ( 1 ), .RAM_DEPTH ( RAM_DEPTH ) ) imu_inst ( .i_aclk ( i_aclk ), .i_arst ( i_arst ), .scl_i ( scl_i ), .sda_i ( sda_i ), .scl_o ( scl_o ), .sda_o ( sda_o ), .i_start ( i_start ), .o_data ( imu_data ), //原始IMU数据 8bit .o_data_valid ( imu_data_valid ), //数据有效 .o_busy ( ), .o_sample_last ( sample_last ), ////本采样点最后一个字节 .o_eop ( eop ), //End of Packet .o_sop ( sop ), //表示一帧数据的开始（例如一次完整采样的第一个字节） .o_bus_en ( ), .i_apb_m2s ( i_apb_m2s ), .o_apb_s2m ( o_apb_s2m ) ); // Append PTP timestamp to each sample 跨时钟域模块 //将i_aclk域的脉冲sop转换成i_ptp_clk域的单周期脉冲imu_sop_ptp_sync。 //作用：告诉PTP域“有一个新的IMU采样开始了，请记录当前时间”。 pulse_sync imu_data_pulse_ptp_sync_inst ( .src_clk ( i_aclk ), .src_rst ( i_arst ), .dst_clk ( i_ptp_clk ), .dst_rst ( i_ptp_rst ), .i_src_pulse ( sop ), .o_dst_pulse ( imu_sop_ptp_sync ) ); //跨时钟域模块 因为PTP时间戳来自独立时钟域（i_ptp_clk），而IMU数据在i_aclk域，需要将采样启动事件（sop）同步到PTP域，再把PTP时间戳采样回来。 //当imu_sop_ptp_sync有效时，将PTP时间寄存器i_ptp_ts的值“抓拍”并传递到i_aclk域，输出imu_ts_vld和imu_ts。 reg_cdc # ( .NBITS ( 64 ), .REG_RST_VALUE ( '0 ) ) u_ptp_cdc ( .i_a_clk ( i_ptp_clk ), .i_a_rst ( i_ptp_rst ), .i_a_val ( imu_sop_ptp_sync ), .i_a_reg ( i_ptp_ts ), .i_b_clk ( i_aclk ), .i_b_rst ( i_arst ), .o_b_val ( imu_ts_vld ), .o_b_reg ( imu_ts ) ); typedef enum logic [3:0] { IMU_IDLE, IMU_WAIT_TS, IMU_TS, IMU_DATA, IMU_SOP } imu_fsm_t; //状态机 imu_fsm_t ，状态机在i_aclk域运行，负责将IMU数据与时间戳组合成AXIS流。 imu_fsm_t imu_state; logic [2:0] cnt; logic [7:0] imu_data_r; always_ff @ (posedge i_aclk) begin if (i_arst) begin imu_state <= IMU_IDLE; //空闲，等待sop（IMU采样开始） cnt <= '0; imu_data_r <= '0; end else begin imu_state <= imu_state; case (imu_state) IMU_IDLE: begin ////空闲，等待sop（IMU采样开始） if (sop) begin imu_state <= IMU_WAIT_TS; imu_data_r <= imu_data; end cnt <= '0; end IMU_WAIT_TS: begin //等待reg_cdc返回有效时间戳（imu_ts_vld） if (imu_ts_vld) begin imu_state <= IMU_TS; end end IMU_TS: begin //输出64位时间戳（8个字节，每个周期输出1字节，共8周期） cnt <= cnt + 1; if (cnt == 3'd7) begin imu_state <= IMU_SOP; end end IMU_SOP: begin //输出IMU数据的第一个字节（在sop时锁存的imu_data_r） imu_state <= IMU_DATA; end IMU_DATA: begin //连续输出后续IMU数据（imu_data_valid有效时）直到eop拉高，回到IDLE if (eop) begin imu_state <= IMU_IDLE; end end endcase end end always_comb begin case (imu_state) IMU_IDLE: begin //空闲，等待sop（IMU采样开始） axis_tdata = '0; axis_tvalid = '0; end IMU_WAIT_TS: begin //等待reg_cdc返回有效时间戳（imu_ts_vld） axis_tdata = '0; axis_tvalid = '0; end IMU_TS: begin //输出64位时间戳（8个字节，每个周期输出1字节，共8周期） axis_tdata = imu_ts[cnt*8+:8]; axis_tvalid = '1; end IMU_SOP: begin //输出IMU数据的第一个字节（在sop时锁存的imu_data_r） axis_tdata = imu_data_r; axis_tvalid = '1; end IMU_DATA: begin //连续输出后续IMU数据（imu_data_valid有效时）直到eop拉高，回到IDLE axis_tdata = imu_data; axis_tvalid = imu_data_valid; end endcase end //通用AXIS宽度转换+缓冲模块 //它将输入的8-bit数据流收集到内部FIFO中，当凑满64位时，输出一个64位的AXIS包。 //同时传递tlast（这里接sample_last，即采样点最后一个字节标志）和tkeep（指示输出64位中哪些字节有效） //因为IMU数据长度不一定正好是8的倍数，tkeep可以标记最后一个非完整64位字中的有效字节。 //个典型的数据包结构（假设IMU一次采样输出12字节）： // [ 时间戳 0-7 ] [ IMU字节0 ] [ IMU字节1 ] ... [ IMU字节11 ] // └───────── 8字节 ─────────┘└────────── 12字节 ──────────┘ axis_buffer #( .IN_DWIDTH ( 8 ), .OUT_DWIDTH ( W_DATA ), .BUF_DEPTH ( 16 ), .WAIT2SEND ( 0 ), .DUAL_CLOCK ( 0 ) ) u_axis_buffer ( .in_clk ( i_aclk ), .in_rst ( i_arst ), .out_clk ( i_aclk ), .out_rst ( i_arst ), .i_axis_rx_tvalid ( axis_tvalid ), .i_axis_rx_tdata ( axis_tdata ), .i_axis_rx_tlast ( sample_last ), .i_axis_rx_tuser ( '0 ), .i_axis_rx_tkeep ( '1 ), .o_axis_rx_tready ( ), .o_axis_tx_tvalid ( o_axis_tvalid ), .o_axis_tx_tdata ( o_axis_tdata ), .o_axis_tx_tlast ( o_axis_tlast ), .o_axis_tx_tuser ( o_axis_tuser ), .o_axis_tx_tkeep ( o_axis_tkeep ), .i_axis_tx_tready ( i_axis_tready ) ); endmodule5、总结
imu_top是一个高度模块化、参数化、支持跨时钟域的 IMU 数据采集 IP 核。它解决了三个关键问题：
低延迟 I2C 读取：通过
imu控制器高效获取传感器字节流。精确时间戳：利用 PTP 时钟和 CDC 电路，为每个采样点打上纳秒级时间标签。
标准化输出：将变长的 IMU 数据打包成 AXI-Stream，方便集成到更大的数据通路（如 DMA、网络、存储）。
