基于 FPGA 實(shí)現(xiàn)多路UART/SPI通信系統(tǒng)

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第一部分 設(shè)計(jì)概述 /Design Introduction

本次的設(shè)計(jì)為多路UART/SPI通信系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)一對(duì)多的通信。系統(tǒng)可以運(yùn)行在UART模式，也可以運(yùn)行在SPI模式。我選擇這一課題的原因主要是目前我所在的實(shí)驗(yàn)室需要寫基于UART的快速通信。這一課題既可以幫助我鞏固之前學(xué)習(xí)的知識(shí)，又可以為我后面的項(xiàng)目做準(zhǔn)備。在完成課題的過(guò)程中，主要用到了FPGA狀態(tài)機(jī)、總線等方面的知識(shí)。這一課題可以應(yīng)用在需要高速異步串行或同步串行通信的應(yīng)用場(chǎng)合，如實(shí)時(shí)控制、監(jiān)測(cè)等。

當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在UART模式下，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)發(fā)送端最多向四個(gè)接收端發(fā)送信息，且有效信息中包含地址碼，接收端可以根據(jù)發(fā)送端發(fā)送的地址碼判斷該信息是否是發(fā)送給自己的，實(shí)現(xiàn)信號(hào)線復(fù)用。UART通信簡(jiǎn)單，僅需要一根信號(hào)線，但是其缺點(diǎn)是只能實(shí)現(xiàn)單向通信，接收端無(wú)法給發(fā)送端反向發(fā)送數(shù)據(jù)。但是這一缺點(diǎn)也可以通過(guò)采用兩個(gè)UART系統(tǒng)來(lái)彌補(bǔ)。

當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在SPI模式下，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)主機(jī)與多個(gè)從機(jī)之間的通信，且在通信過(guò)程中，系統(tǒng)是全雙工的。主機(jī)通過(guò)選擇性拉低某一個(gè)或者某幾個(gè)從機(jī)的片選信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于從機(jī)的選擇。

第二部分 系統(tǒng)組成及功能說(shuō)明 /System Construction & Function Description

計(jì)劃功能

程序?qū)崿F(xiàn)UART和SPI的通信，并可以通過(guò)按鍵的方式在兩種模式之間切換。在UART模式下，發(fā)送端給接收端發(fā)送一串?dāng)?shù)據(jù)，接收端判斷是否和已知數(shù)據(jù)相符。如果相符則點(diǎn)亮LED，如果不符則不點(diǎn)亮。在SPI模式下，主機(jī)給從機(jī)、從機(jī)給主機(jī)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，若接收到的數(shù)據(jù)和已知數(shù)據(jù)相符，則點(diǎn)亮LED，如果不符，則不點(diǎn)亮。同時(shí)，UART和SPI均有尋址功能。UART的尋址方式是在數(shù)據(jù)位前面加兩位地址位，實(shí)現(xiàn)對(duì)最多四個(gè)接收端的區(qū)分；SPI的尋址方式是通過(guò)拉低需要選定的從機(jī)的SS信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)最多四個(gè)接收端的區(qū)分。

目前所有的功能均已實(shí)現(xiàn)。最初計(jì)劃通信系統(tǒng)在兩個(gè)不同的FPGA板上實(shí)現(xiàn)，但是另外一塊板出了問(wèn)題，目前只能在一塊板上驗(yàn)證。發(fā)送端和接收端、主機(jī)和從機(jī)均寫在一塊板子里，內(nèi)部的通信線也直接用FPGA內(nèi)部的線連接?？偟目驁D如下。其中，inst_clkwiz是系統(tǒng)自帶的分頻器，將外部100M的始終編程10M，降低了通信速率，但是可以使通信系統(tǒng)更加穩(wěn)定；inst_SPIpart是SPI通信模塊；inst_UART是UART通信模塊；inst_modeselection是通信模式選擇模塊。

SPI內(nèi)部的構(gòu)造如下。其中，inst_SPItop為從機(jī)；inst_SPItop1為主機(jī)。當(dāng)主機(jī)的信號(hào)選擇信號(hào)為0111時(shí)系統(tǒng)中的從機(jī)被選中。在主機(jī)、從機(jī)內(nèi)部， inst_SPImaster為SPI主機(jī)端口，inst_SPIslave為SPI從機(jī)端口，inst_leddriver為led驅(qū)動(dòng)電路，負(fù)責(zé)判斷接收到的信號(hào)和已知信號(hào)是否一致，當(dāng)接收到的信號(hào)和一直信號(hào)一致時(shí)，驅(qū)動(dòng)LED點(diǎn)亮。

UART部分的框圖如下。其中，inst_UARTtop1為發(fā)送端；inst_UARTtop為接收端。發(fā)送端給接收端發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)接收端接收到的數(shù)據(jù)和已知數(shù)據(jù)相同，驅(qū)動(dòng)LED點(diǎn)亮。

第三部分 完成情況及性能參數(shù) /Final Design & Performance Parameters

除了兩塊板相互通信以外，所有的功能均可以在一塊板子上實(shí)現(xiàn)。

測(cè)試方法：

接通電源后，首先按動(dòng)RST，對(duì)板卡進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位后的通信模式默認(rèn)為UART模式。紅色的LED被點(diǎn)亮。這證明在該模式下，接收端已經(jīng)完整接收到了十位信號(hào)，完成了地址的判斷。將接收到的信號(hào)傳送給LED驅(qū)動(dòng)模塊后，經(jīng)過(guò)判斷符合已知的8’hbb。LED2信號(hào)置位，點(diǎn)亮紅色LED2，而在UART模式下，綠色的LED1不被點(diǎn)亮。綜合以上現(xiàn)象，UART模式可以運(yùn)行。

按動(dòng)KEY1,紅色和綠色的LED均被點(diǎn)亮，且綠色LED亮度弱于紅色LED。紅色LED點(diǎn)亮證明主機(jī)成功選中從機(jī)、發(fā)送給從機(jī)數(shù)據(jù)且從機(jī)已經(jīng)接收到主機(jī)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，且經(jīng)過(guò)LED驅(qū)動(dòng)模塊的判斷，和已知數(shù)據(jù)相符。綠色LED燈點(diǎn)亮證明從機(jī)給主機(jī)也成功發(fā)送數(shù)據(jù)，且也和已知數(shù)據(jù)相符。綠色LED亮度弱于紅色LED的原因是，主機(jī)只接了一個(gè)從機(jī)，因此只有1/4的時(shí)間，接收到的信號(hào)和已知信號(hào)相同，在其他3/4時(shí)間中接收到的均為8’bzz，和已知信號(hào)不符，不點(diǎn)亮LED。因此亮度更弱。

KEY1，系統(tǒng)又轉(zhuǎn)換到UART模式，綠色LED熄滅，紅色LED點(diǎn)亮。