一種基于FPGA的SPI拓展應(yīng)用

　　An extended application of SPI based on FPGA陽勝波，謝嘉威，宋文生（中國電子科技集團(tuán)公司第三十四研究所 光纖通信部，廣西 桂林 541004）

　　摘要：基于FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）的SPI（串行設(shè)備接口）總線，實現(xiàn)主從設(shè)備之間的狀態(tài)查詢及數(shù)據(jù)采集。利用FPGA高集成、高速率、高可靠性及豐富的邏輯和I/O（輸入/輸出）資源的特點(diǎn)，解決現(xiàn)有的單片機(jī)I/O不充裕，運(yùn)行速度慢等問題。針對產(chǎn)品模塊化、小型化的需求，采用FPGA+ARM（RISC微處理器）的嵌入式數(shù)據(jù)采集方案，搭建SPI總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。設(shè)計滿足了數(shù)據(jù)采集實時性高，傳輸數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性的要求，確保了系統(tǒng)長期可靠地運(yùn)行，實現(xiàn)用戶對整個系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)控。

　　關(guān)鍵詞：FPGA；SPI

　　0 引言

　　SPI（Serial peripheral interface——串行設(shè)備接口）是摩托羅拉公司推出的一種同步串行通信接口 ^[1] 。用于MCU和外圍擴(kuò)展芯片之間的串行連接，現(xiàn)已發(fā)展成為一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) ^[2] 。一路SPI數(shù)據(jù)總線只占用3或4個I/O(Master Output Slave Input,MOSI; Master InputSlave Output, MISO;Serial Clock,SCK;Chip Select,CS)端口，可以簡化電路設(shè)計，節(jié)省端口資源，提高設(shè)計可靠性 ^[3] 。SPI總線主要特點(diǎn)：全雙工；可以當(dāng)作主機(jī)或者從機(jī)工作；提供頻率可編程時鐘；發(fā)送結(jié)束中斷標(biāo)志；寫沖突保護(hù)；總線競爭保護(hù)等?；谝陨咸攸c(diǎn)結(jié)合FPGA的特性，通過將SPI總線與FPGA相結(jié)合，可使SPI總線的應(yīng)用更加靈活多變，為解決通信技術(shù)問題提供更好的選擇和可行方案。

　　結(jié)合已交付的項目的經(jīng)驗（項目中主設(shè)備采用ARM芯片，從設(shè)備采用FPGA），探討基于FPGA的SPI總線傳輸方案在實際中的應(yīng)用，拓展SPI技術(shù)的應(yīng)用范圍，同時對設(shè)計中遇到的具體問題提出了有效的解決方案。

　　1 系統(tǒng)分析和設(shè)計

　　系統(tǒng)的SPI總線連接如圖1所示。系統(tǒng)中的各從設(shè)備可以按照實際需要，實時采集不同的狀態(tài)數(shù)據(jù)信息，并按SPI總線通信方式上報給主設(shè)備，主設(shè)備將最終的處理結(jié)果上報PC端，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)的實時監(jiān)控。

　　從設(shè)備需要采集的數(shù)據(jù)種類繁多，相對于使用單片機(jī)的單線程串行的工作方式來進(jìn)行多種數(shù)據(jù)采集處理的工作方案，使用FPGA的工作方式顯然是更優(yōu)的選擇（并行處理能力、運(yùn)行速度快、管腳多、體積小，同時具有處理復(fù)雜問題的邏輯功能），從集成性、可靠性、兼容性等方面綜合考慮，很明顯最佳的設(shè)計方案就是從設(shè)備使用FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理。

　　主設(shè)備主要向從設(shè)備發(fā)送查詢指令，同時將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性判斷并上傳電腦。相對于從設(shè)備來說，主設(shè)備處理過程比較簡單，選擇較靈活、功耗低的ARM嵌入式最為合適。并且ARM具有現(xiàn)成的SPI接口驅(qū)動供開發(fā)者使用，大大降低了開發(fā)成本。

　　2 系統(tǒng)時序

　　時序是通信系統(tǒng)中首要考慮的因素之一，時序無誤才能保證數(shù)據(jù)在傳輸、處理過程中的有效性，使系統(tǒng)保持正常的工作狀態(tài)。根據(jù)時序的不同，SPI總線有4種工作模式（SPI0，SPI1，SPI2，SPI3），見圖2，其中SPI0和SPI3兩種工作模式使用的最廣泛。通過配置系統(tǒng)的SPI總線的時鐘極性（CPOL）和時鐘相位（CPHA）可得到滿足傳輸要求的工作模式。

　　當(dāng)CPOL=0，串行同步時鐘的空閑狀態(tài)為低電平；當(dāng)CPOL=1，串行同步時鐘的空閑狀態(tài)為高電平?？梢?，CPOL對于SPI總線傳輸協(xié)議沒有較大的影響。

　　傳輸協(xié)議的模式選擇主要通過配置時鐘相位（CPHA）實現(xiàn)。當(dāng)CPHA=0，在串行同步時鐘的第一個跳變沿（上升或下降）數(shù)據(jù)被采樣；當(dāng)CPHA=1，在串行同步時鐘的第二個跳變沿（上升或下降）數(shù)據(jù)被采樣。確保SPI主、從設(shè)備之間的正常通信，就必須滿足二者的時鐘相位和時鐘極性一致 ^[4] 。

　　現(xiàn)以某項目（采用SPI0模式）為例，選擇其中1路SPI總線并對其時序進(jìn)行詳細(xì)闡述。時序圖如圖3。

　　片選信號cs在主設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)前跳變?yōu)榈碗娖?，使被選中的從設(shè)備SPI通信端口開啟；從設(shè)備完成數(shù)據(jù)發(fā)送的一段時間后，片選信號cs跳變回高電平，從設(shè)備SPI通信端口關(guān)閉。主設(shè)備發(fā)送查詢/控制命令的數(shù)據(jù)幀長度為a個字節(jié)，每個字節(jié)包含8位有效數(shù)據(jù)，每位數(shù)據(jù)占用一個時鐘脈沖信號；當(dāng)有數(shù)據(jù)發(fā)送時，sck伴有對應(yīng)的同步時鐘信號，無數(shù)據(jù)發(fā)送則無時鐘脈沖信號。同時，相鄰字節(jié)間存在時間間隔t，在t時間內(nèi)sck無時鐘脈沖，即同步時鐘信號是一份一份的，每份包含8個時鐘脈沖。

　　因此，一幀完整的查詢/控制指令，其數(shù)據(jù)中的每個字節(jié)占用8個時鐘信號，主設(shè)備發(fā)送一條幀長度為a字節(jié)的數(shù)據(jù)需要8×a個時鐘脈沖信號；假設(shè)從設(shè)備的緩存模塊fifo和發(fā)送模塊datatx完成對應(yīng)的數(shù)據(jù)反饋過程所需最少時鐘脈沖信號個數(shù)為8×n。為保證系統(tǒng)的通信功能正常，sck傳輸?shù)臅r鐘脈沖數(shù)應(yīng)不少于該SPI總線完成一次查詢/控制所需時鐘信號個數(shù)（8×（a+n））。

　　3 技術(shù)難點(diǎn)及解決方案

　　3.1 數(shù)據(jù)同步

　　從圖3的SPI時序圖可看出，有數(shù)據(jù)才有時鐘脈沖，總線的時鐘不是連續(xù)而是一份一份的（每份為8個連續(xù)時鐘信號），為了保證系統(tǒng)能正常通訊，必須確保數(shù)據(jù)在主、從設(shè)備中同步傳輸，這就增加了系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸過程中的難度。

　　就從設(shè)備而言，必須滿足從設(shè)備在接收/發(fā)送狀態(tài)下，經(jīng)過每一份時鐘信號中接收/發(fā)送的都是的一個完整且有效的字節(jié)。即主設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)的每個有效字節(jié)的第1位都是在第（8×x-7）個時鐘信號（x為整數(shù)，0<x<a）被從設(shè)備的接收模塊采樣（上升沿采樣，下同），然后依次采樣直至該字節(jié)的最后一位在第（8×x）個時鐘信號被采樣。同時，要求主設(shè)備接收數(shù)據(jù)的每個字節(jié)的第1位都是在第（8×y-7）個時鐘信號輸出（y為整數(shù)，n>y>a），然后依次采樣直至該字節(jié)的最后一位在第（8×y）個時鐘信號輸出完畢，如圖5所示。

　　為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步，可以采用如下方式：

　　(1) 從設(shè)備利用片選信號cs復(fù)位清零。通過片選信號cs的下降沿，觸發(fā)從設(shè)備中的數(shù)據(jù)采集模塊datarx、數(shù)據(jù)緩存模塊fifo及數(shù)據(jù)發(fā)送模塊datatx的計數(shù)清零，確保系統(tǒng)在片選有效后的第一個時鐘脈沖開始計數(shù)，避免因計數(shù)錯誤造成數(shù)據(jù)采樣失效。若采用第一個時鐘脈沖進(jìn)行計數(shù)清零，會使數(shù)據(jù)的采集滯后1位，以致采集到無效數(shù)據(jù)，造成通訊失效。

　　(2) 利用時鐘信號sck計數(shù)。本文SPI總線采用SPI0工作模式，利用時鐘信號sck的上升沿觸發(fā)采集模塊內(nèi)部計數(shù)器計數(shù)，確保模塊的數(shù)據(jù)采樣同步，獲得有效數(shù)據(jù)。

　　(3) 從設(shè)備中的數(shù)據(jù)發(fā)送模塊datatx提前發(fā)送數(shù)據(jù)。

　　假設(shè)數(shù)據(jù)發(fā)送模塊datatx在數(shù)據(jù)發(fā)送過程中，某字節(jié)的第1位在第（8×y-7）個時鐘信號輸出（y為整數(shù)，n>y>a，時鐘信號的上升沿輸出數(shù)據(jù)，下同），第八位在第（8×y）個時鐘信號輸出，那么將會出現(xiàn)如圖6所示的情況。

　　由于總線采用SPI0工作模式，那么主設(shè)備將通過同步時鐘信號的上升沿觸發(fā)數(shù)據(jù)采集，此時采集到的數(shù)據(jù)正處于電平跳變中，以致主設(shè)備采集到不確定的無效數(shù)據(jù)。

　　結(jié)合圖6可以發(fā)現(xiàn)，datatx模塊通過提前發(fā)送數(shù)據(jù)，能有效的解決該問題，數(shù)據(jù)傳輸示意圖如下。

　　當(dāng)datatx模塊在發(fā)送某個字節(jié)時，利用上一字節(jié)的最后一個時鐘脈沖（第(8×y-8)個時鐘脈沖）的下降沿觸發(fā)該字節(jié)第1位的發(fā)送，第(8×y-7)個時鐘脈沖的下降沿觸發(fā)該字節(jié)第2位的發(fā)送，直至該字節(jié)第8位在第(8×y-1)個時鐘脈沖的下降沿發(fā)送完畢。使用這種方法，主設(shè)備在每個sck時鐘信號的上升沿都能同步采集到正確的數(shù)據(jù)，確?？偩€通信正常。

　　3.2 多個從設(shè)備并聯(lián)的問題

　　筆者在調(diào)試過程中，系統(tǒng)連接板上只接入1臺主設(shè)備和1臺從設(shè)備，系統(tǒng)能正常運(yùn)行。但在接入多個從設(shè)備后（從設(shè)備的接口類型一致），會出現(xiàn)一個或者幾個從設(shè)備工作失效。具體表現(xiàn)為從設(shè)備沒有任何信息反饋，且故障無規(guī)律可循：

　　a)與從設(shè)備插入插槽的位置沒有特定規(guī)律。例如，有A、B兩臺從設(shè)備，連接板有5個插槽（編號1-5）。A插入1，B插入2，此時B失效。將B依次換至剩余插槽，可能會出現(xiàn)B失效、A失效，甚至兩者失效的情況。然而，在A、B都能正常運(yùn)行的情況下，互調(diào)A、B位置，也可能出現(xiàn)上述三種失效現(xiàn)象?；蛘邔脑O(shè)備B換成完全相同的從設(shè)備C，這種新的組合相較于之前A+B的組合，在接入方式完全相同的情況下又可能產(chǎn)生不同的結(jié)果。

　　b)與從設(shè)備的插入數(shù)量沒有特定規(guī)律。連接板上從設(shè)備數(shù)量的增加或者減少，對整個系統(tǒng)的好壞并沒有特定方向的影響。加上插槽位置對系統(tǒng)工作的影響也很復(fù)雜。

　　為了解決這個問題，筆者做過如下依次嘗試，但情況并沒有發(fā)生好轉(zhuǎn)，從設(shè)備依舊沒有任何信號輸出：

　　a)將待機(jī)狀態(tài)的從設(shè)備輸出置高阻；

　　b)I/O設(shè)置上/下拉電阻；

　　最終筆者通過對設(shè)備內(nèi)部的信號輸入至信號處理部份采用SIGNALTAP進(jìn)行實時分析、觀察，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理模塊fifo在固定位置丟失一個同步時鐘脈沖（fifo的所有觸發(fā)只與同步時鐘sck有關(guān)）。經(jīng)過分析，決定在fifo中加入異步時鐘參與觸發(fā)和計數(shù)，故障現(xiàn)象沒有再次發(fā)生，多個從設(shè)備并聯(lián)的問題得到了有效解決。

　　4 結(jié)論

　　利用ARM+FPGA模式搭建了SPI總線，使SPI接口技術(shù)的使用更加靈活多變，豐富了系統(tǒng)的I/O數(shù)量，增強(qiáng)了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力，拓展了SPI技術(shù)的應(yīng)用范圍，實現(xiàn)了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的長期可靠傳輸，為后端用戶的決策提供了穩(wěn)定可靠的理論依據(jù)。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]Xilinx Limited.CoolRunner-II Serial Peripheral Interface Master.2002

　　[2]蔡向東。單片機(jī)軟件模擬SPI接口的解決方案[ J ].信息技術(shù)，2006(6):18-20

　　[3]李大江，崔建明。一種基于FPGA的可配置SPI+Master接口設(shè)計實現(xiàn)[ J ].電子技術(shù)應(yīng)用，2010(10):60-62

　　[4]張經(jīng)愛，許凱華，劉玉華?；贛SP430的模擬SPI串口通信的實現(xiàn)[ J ].計算機(jī)工程與設(shè)計，2008 ，29(5):1169-1171

　　作者簡介

　　陽勝波（1989-），男，本科，助理工程師，主要研究方向：光纖通信技術(shù)。

　　謝嘉威（1989-），男，本科，助理工程師，主要研究方向：光纖通信技術(shù)。

　　宋文生（1978-），男，本科，高級工程師，主要研究方向：光纖通信技術(shù)。

　　本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第5期第65頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處