《電子技術(shù)應(yīng)用》
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教程:基于FPGA實現(xiàn)多路UART/SPI通信系統(tǒng)

2022-10-24
來源:FPGA技術(shù)江湖
關(guān)鍵詞: SPI UART 通信系統(tǒng) FPGA

  第一部分 設(shè)計概述 /Design IntroducTIon

  本次的設(shè)計為多路UART/SPI通信系統(tǒng),,可以實現(xiàn)一對多的通信,。系統(tǒng)可以運行在UART模式,也可以運行在SPI模式,。我選擇這一課題的原因主要是目前我所在的實驗室需要寫基于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,,又可以為我后面的項目做準(zhǔn)備。在完成課題的過程中,,主要用到了FPGA狀態(tài)機(jī),、總線等方面的知識。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)用場合,,如實時控制,、監(jiān)測等。

  當(dāng)系統(tǒng)運行在UART模式下,可以實現(xiàn)一個發(fā)送端最多向四個接收端發(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,實現(xiàn)信號線復(fù)用,。UART通信簡單,,僅需要一根信號線,但是其缺點是只能實現(xiàn)單向通信,,接收端無法給發(fā)送端反向發(fā)送數(shù)據(jù),。但是這一缺點也可以通過采用兩個UART系統(tǒng)來彌補(bǔ)。

  當(dāng)系統(tǒng)運行在SPI模式下,,可以實現(xiàn)一個主機(jī)與多個從機(jī)之間的通信,,且在通信過程中,系統(tǒng)是全雙工的,。主機(jī)通過選擇性拉低某一個或者某幾個從機(jī)的片選信號,,實現(xiàn)對于從機(jī)的選擇。

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  第二部分 系統(tǒng)組成及功能說明 /System ConstrucTIon & FuncTIon DescripTIon

  計劃功能

  程序?qū)崿F(xiàn)UART和SPI的通信,,并可以通過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,。如果相符則點亮LED,如果不符則不點亮,。在SPI模式下,,主機(jī)給從機(jī)、從機(jī)給主機(jī)同時發(fā)送數(shù)據(jù),,若接收到的數(shù)據(jù)和已知數(shù)據(jù)相符,,則點亮LED,,如果不符,,則不點亮。同時,,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,實現(xiàn)對最多四個接收端的區(qū)分,;SPI的尋址方式是通過拉低需要選定的從機(jī)的SS信號,,實現(xiàn)對最多四個接收端的區(qū)分。

  目前所有的功能均已實現(xiàn),。最初計劃通信系統(tǒng)在兩個不同的FPGA板上實現(xiàn),,但是另外一塊板出了問題,目前只能在一塊板上驗證。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,。

 

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  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)的信號選擇信號為0111時系統(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)動電路,,負(fù)責(zé)判斷接收到的信號和已知信號是否一致,當(dāng)接收到的信號和一直信號一致時,,驅(qū)動LED點亮,。

 

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  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LED點亮。

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  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現(xiàn),。

  測試方法:

  接通電源后,首先按動RST,,對板卡進(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,,完成了地址的判斷。將接收到的信號傳送給LED驅(qū)動模塊后,,經(jīng)過判斷符合已知的8'hbb,。LED2信號置位,點亮紅色LED2,,而在UART模式下,,綠色的LED1不被點亮。綜合以上現(xiàn)象,,UART模式可以運行,。

  按動KEY1,紅色和綠色的LED均被點亮,且綠色LED亮度弱于紅色LED,。紅色LED點亮證明主機(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)來的數(shù)據(jù),且經(jīng)過LED驅(qū)動模塊的判斷,,和已知數(shù)據(jù)相符,。綠色LED燈點亮證明從機(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)只接了一個從機(jī),因此只有1/4的時間,,接收到的信號和已知信號相同,,在其他3/4時間中接收到的均為8'bzz,和已知信號不符,,不點亮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點亮,。



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