上海航天電子技術(shù)研究所 姜麗梅 孫 靜

基于SPI總線的422接口設(shè)計(jì)

上海航天電子技術(shù)研究所 姜麗梅 孫 靜

以SPI總線為基礎(chǔ)，本文介紹了一種SPI總線與422總線之間的轉(zhuǎn)換電路，同時(shí)給出了基于FPGA器件通過VerilogHDL 工程語言編程實(shí)現(xiàn)了一種常用數(shù)據(jù)格式的UART模塊，解決了工程應(yīng)用中串口通訊的需求。

SPI總線；422總線；UART

引言

SPI(Serial Peripheral Interface)即串行外設(shè)接口總線是Motorola公司推出的一種同步串行接口技術(shù)，它具有高速、全雙工、協(xié)議簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。與標(biāo)準(zhǔn)的串行接口不同，SPI是一個(gè)同步協(xié)議接口，全雙工通信，所有的傳輸都參照一個(gè)共同的時(shí)鐘，其傳輸速率可達(dá)幾Mb/S。

目前該總線已發(fā)展成為一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。但是測(cè)試工控機(jī)一般不支持SPI總線，為實(shí)現(xiàn)對(duì)使用SPI總線產(chǎn)品的測(cè)試，需要將SPI總線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成測(cè)試工控機(jī)可接收的數(shù)據(jù)格式，本文介紹一種SPI接口與同步422接口的轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)了兩種總線之間的數(shù)據(jù)交互。

1 SPI基本原理介紹

SPI總線分為主機(jī)(master)和從機(jī)(slave)兩部分，主機(jī)和從機(jī)之間通過4根信號(hào)線連接，包括SDI(從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線)，SDO(從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線)，SCLK(串行移位時(shí)鐘)，CS(從機(jī)片選信號(hào))。SDI和SDO用于串行接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，高位在前，低位在后。

其工作原理為：當(dāng)有數(shù)據(jù)需要在主機(jī)和從機(jī)之間傳輸時(shí)，主機(jī)控制CS輸出有效電平(低電平)，SCLK輸出時(shí)鐘信號(hào)，主機(jī)和從機(jī)的數(shù)據(jù)在時(shí)鐘的上升沿或下降沿分別傳輸?shù)絊DI和SDO，在下一個(gè)時(shí)鐘沿，主機(jī)和從機(jī)接收數(shù)據(jù)。圖1是SPI的接口時(shí)序。

2 422總線簡(jiǎn)介

圖1 SPI接口時(shí)序圖

圖2 SPI數(shù)據(jù)接收仿真波形圖

RS－422為全雙工串行數(shù)據(jù)通信接口標(biāo)準(zhǔn)，其優(yōu)點(diǎn)在于：(1)采用雙端差分輸入，總線的抗干擾能力強(qiáng)；(2)互連雙方的信號(hào)地分立，兩條信號(hào)線形成回路，避免了電平偏移；(3)輸出端采用雙端平衡驅(qū)動(dòng)，其信號(hào)放大倍數(shù)高，信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)。

3 詳細(xì)設(shè)計(jì)

隨著EDA技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)PGA已經(jīng)在很多方面得到了廣泛應(yīng)用，本文通過FPGA實(shí)現(xiàn)包括SPI接收模塊、SPI發(fā)送模塊以及422總線UART的設(shè)計(jì)，外圍通過NS公司的DS26LV31W和DS26LV32AW 實(shí)現(xiàn)422異步串行接口通訊。

為提高轉(zhuǎn)換效率，在SPI模塊與UART之間加入了1級(jí)FIFO緩存。整個(gè)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定可靠。

圖4 RS-422數(shù)據(jù)發(fā)送波形圖

圖6 422數(shù)據(jù)接收仿真波形圖

3.1 SPI接收模塊的設(shè)計(jì)

SPI接收模塊主要功能為接收SPI總線數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換成8位并行數(shù)據(jù)格式，轉(zhuǎn)換成422數(shù)據(jù)格式。具體轉(zhuǎn)換過程為：當(dāng)板卡上電后，進(jìn)入IDLE狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到片選信號(hào)CS有效時(shí)，接收模塊通過移位寄存器將有效的SPI串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成FIFO輸入端口的8位并行數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)應(yīng)一個(gè)8位數(shù)據(jù)產(chǎn)生FIFO的寫信號(hào)，將數(shù)據(jù)寫入FIFO。422發(fā)送模塊判斷FIFO是否為空，不空則從FIFO中取出數(shù)據(jù)，把8位并行數(shù)據(jù)變換成422串口形式發(fā)送出去。仿真波形如圖2所示。

3.2 422總線UART接口的設(shè)計(jì)

422異步串行接口一般采用專用的集成電路即UART實(shí)現(xiàn)，它們能實(shí)現(xiàn)較全面的串行通信功能，但在實(shí)際應(yīng)用中通常只需要部分功能，造成一定資源的浪費(fèi)。本文采用Verilog語言設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了1個(gè)簡(jiǎn)單易用422幀格式的UART。

UART的幀格式包括空閑狀態(tài)（高電平有效），1位起始位（低電平有效），8位數(shù)據(jù)位，1位停止位（高電平有效）。字符的同步由起始位和停止位實(shí)現(xiàn)。

UART接口包括422接收模塊和422發(fā)送模塊。

422發(fā)送模塊按照422數(shù)據(jù)格式依次發(fā)出1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位。狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖3所示：

圖3 422發(fā)送狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

(1)空閑：狀態(tài)機(jī)檢測(cè)前級(jí)FIFO中有沒有數(shù)據(jù)，當(dāng)有數(shù)據(jù)時(shí)就進(jìn)入起始狀態(tài)；

(2)起始：在該狀態(tài)下，發(fā)出1位低電平起始位，發(fā)送完畢后轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)狀態(tài)；

(3)數(shù)據(jù)：發(fā)送8位數(shù)據(jù)位，發(fā)送完畢后，進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)；

(4)停止：發(fā)送1位高電平停止位，發(fā)送后進(jìn)入空閑狀態(tài)，等待下次數(shù)據(jù)的到來。

仿真波形如圖4所示。

圖5 422接收狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

422接收模塊按照422數(shù)據(jù)格式首先通過檢測(cè)下降沿來判斷一幀422數(shù)據(jù)的到來，然后按照采樣時(shí)鐘對(duì)8位串行數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，在寄存器中進(jìn)行移位操作。

根據(jù)奈奎斯特定理，采樣時(shí)鐘至少為422速率的2倍。在本文中，為確保采樣到的每一位數(shù)據(jù)正確，采樣時(shí)鐘設(shè)置為422速率的16倍，當(dāng)檢測(cè)到起始位時(shí)，對(duì)應(yīng)一幀422傳輸，計(jì)數(shù)器cnt從0開始一直計(jì)到146，當(dāng)cnt[3:0]=4’b0111時(shí)，此時(shí)基本處于當(dāng)前數(shù)據(jù)位的中間位置，數(shù)據(jù)較穩(wěn)定，將該時(shí)刻的數(shù)據(jù)保存至移位寄存器，當(dāng)cnt計(jì)到140，此時(shí)8位串行數(shù)據(jù)已經(jīng)全部移至移位寄存器，把當(dāng)前移位寄存器的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)寄存器。具體狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖5所示。仿真波形如圖6所示。

(1)空閑：狀態(tài)機(jī)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行下降沿檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到下降沿時(shí)，狀態(tài)進(jìn)入起始狀態(tài)；

(2)起始：在該狀態(tài)下，檢測(cè)輸入信號(hào)，若起始位有效轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)狀態(tài)，無效轉(zhuǎn)入錯(cuò)誤狀態(tài)；

(3)數(shù)據(jù)：將8位串行數(shù)據(jù)接收下來，轉(zhuǎn)入停止?fàn)顟B(tài)；

(4)停止：檢測(cè)停止位是否有效，若停止位有效，當(dāng)前一幀數(shù)據(jù)接收zz完畢，轉(zhuǎn)入空閑狀態(tài)，等待下一幀數(shù)據(jù)的到來，若無效，轉(zhuǎn)入錯(cuò)誤狀態(tài)；

(5)錯(cuò)誤：摒棄錯(cuò)誤幀的數(shù)據(jù)，狀態(tài)轉(zhuǎn)入空閑狀態(tài)，準(zhǔn)備接收下一幀的數(shù)據(jù)。

3.3 SPI發(fā)送模塊的設(shè)計(jì)

422數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為SPI數(shù)據(jù)的過程為：板卡上電后，進(jìn)入IDLE狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到有效的422數(shù)據(jù)起始位后，422接收模塊從一幀422數(shù)據(jù)中提取出8位數(shù)據(jù)，把串行422轉(zhuǎn)換成8位并行數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行幀頭幀尾校驗(yàn)，校驗(yàn)正確的數(shù)據(jù)寫入FIFO。SPI發(fā)送模塊首先判斷FIFO中的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)是否滿足一幀SPI數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度要求，若滿足要求，則從FIFO中取出數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成SPI數(shù)據(jù)格式發(fā)送出去，若長(zhǎng)度不滿足要求，則繼續(xù)等待，直至FIFO中有足夠長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)。

仿真波形如圖7所示。

4.結(jié)論

本文介紹的SPI與422總線數(shù)據(jù)互換的設(shè)計(jì)方法在具體的項(xiàng)目實(shí)踐中取得了良好的效果，通過該方法，使得SPI總線的使用范圍得到了大大擴(kuò)展。

姜麗梅（1983—），女，碩士，現(xiàn)就職于上海航天技術(shù)研究院第八〇四研究所，從事通用嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)崗。

孫靜（1977—），女，碩士，現(xiàn)就職于上海航天技術(shù)研究院第八〇四研究所，從事通用嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)崗。