上海航天電子技術研究所 姜麗梅 孫 靜

基于SPI總線的422接口設計

上海航天電子技術研究所 姜麗梅 孫 靜

以SPI總線為基礎，本文介紹了一種SPI總線與422總線之間的轉換電路，同時給出了基于FPGA器件通過VerilogHDL 工程語言編程實現了一種常用數據格式的UART模塊，解決了工程應用中串口通訊的需求。

SPI總線；422總線；UART

引言

SPI(Serial Peripheral Interface)即串行外設接口總線是Motorola公司推出的一種同步串行接口技術，它具有高速、全雙工、協議簡單等優(yōu)點。與標準的串行接口不同，SPI是一個同步協議接口，全雙工通信，所有的傳輸都參照一個共同的時鐘，其傳輸速率可達幾Mb/S。

目前該總線已發(fā)展成為一種工業(yè)標準。但是測試工控機一般不支持SPI總線，為實現對使用SPI總線產品的測試，需要將SPI總線數據轉換成測試工控機可接收的數據格式，本文介紹一種SPI接口與同步422接口的轉換電路實現了兩種總線之間的數據交互。

1 SPI基本原理介紹

SPI總線分為主機(master)和從機(slave)兩部分，主機和從機之間通過4根信號線連接，包括SDI(從機輸入數據線)，SDO(從機輸出數據線)，SCLK(串行移位時鐘)，CS(從機片選信號)。SDI和SDO用于串行接收和發(fā)送數據，高位在前，低位在后。

其工作原理為：當有數據需要在主機和從機之間傳輸時，主機控制CS輸出有效電平(低電平)，SCLK輸出時鐘信號，主機和從機的數據在時鐘的上升沿或下降沿分別傳輸到SDI和SDO，在下一個時鐘沿，主機和從機接收數據。圖1是SPI的接口時序。

2 422總線簡介

圖1 SPI接口時序圖

圖2 SPI數據接收仿真波形圖

RS－422為全雙工串行數據通信接口標準，其優(yōu)點在于：(1)采用雙端差分輸入，總線的抗干擾能力強；(2)互連雙方的信號地分立，兩條信號線形成回路，避免了電平偏移；(3)輸出端采用雙端平衡驅動，其信號放大倍數高，信號傳輸距離遠。

3 詳細設計

隨著EDA技術的發(fā)展，FPGA已經在很多方面得到了廣泛應用，本文通過FPGA實現包括SPI接收模塊、SPI發(fā)送模塊以及422總線UART的設計，外圍通過NS公司的DS26LV31W和DS26LV32AW 實現422異步串行接口通訊。

為提高轉換效率，在SPI模塊與UART之間加入了1級FIFO緩存。整個設計結構緊湊、性能穩(wěn)定可靠。

圖4 RS-422數據發(fā)送波形圖

圖6 422數據接收仿真波形圖

3.1 SPI接收模塊的設計

SPI接收模塊主要功能為接收SPI總線數據，將其轉換成8位并行數據格式，轉換成422數據格式。具體轉換過程為：當板卡上電后，進入IDLE狀態(tài)，當檢測到片選信號CS有效時，接收模塊通過移位寄存器將有效的SPI串行數據轉換成FIFO輸入端口的8位并行數據，同時對應一個8位數據產生FIFO的寫信號，將數據寫入FIFO。422發(fā)送模塊判斷FIFO是否為空，不空則從FIFO中取出數據，把8位并行數據變換成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接口的設計

422異步串行接口一般采用專用的集成電路即UART實現，它們能實現較全面的串行通信功能，但在實際應用中通常只需要部分功能，造成一定資源的浪費。本文采用Verilog語言設計實現了1個簡單易用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位數據位，1位停止位（高電平有效）。字符的同步由起始位和停止位實現。

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數據格式依次發(fā)出1位起始位，8位數據位，1位停止位。狀態(tài)轉移圖如圖3所示：

圖3 422發(fā)送狀態(tài)轉移圖

(1)空閑：狀態(tài)機檢測前級FIFO中有沒有數據，當有數據時就進入起始狀態(tài)；

(2)起始：在該狀態(tài)下，發(fā)出1位低電平起始位，發(fā)送完畢后轉入數據狀態(tài)；

(3)數據：發(fā)送8位數據位，發(fā)送完畢后，進入停止狀態(tài)；

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

仿真波形如圖4所示。

圖5 422接收狀態(tài)轉移圖

422接收模塊按照422數據格式首先通過檢測下降沿來判斷一幀422數據的到來，然后按照采樣時鐘對8位串行數據進行采樣，在寄存器中進行移位操作。

根據奈奎斯特定理，采樣時鐘至少為422速率的2倍。在本文中，為確保采樣到的每一位數據正確，采樣時鐘設置為422速率的16倍，當檢測到起始位時，對應一幀422傳輸，計數器cnt從0開始一直計到146，當cnt[3:0]=4’b0111時，此時基本處于當前數據位的中間位置，數據較穩(wěn)定，將該時刻的數據保存至移位寄存器，當cnt計到140，此時8位串行數據已經全部移至移位寄存器，把當前移位寄存器的數據寫入數據寄存器。具體狀態(tài)轉移如圖5所示。仿真波形如圖6所示。

(1)空閑：狀態(tài)機對輸入信號進行下降沿檢測，當檢測到下降沿時，狀態(tài)進入起始狀態(tài)；

(2)起始：在該狀態(tài)下，檢測輸入信號，若起始位有效轉入數據狀態(tài)，無效轉入錯誤狀態(tài)；

(3)數據：將8位串行數據接收下來，轉入停止狀態(tài)；

(4)停止：檢測停止位是否有效，若停止位有效，當前一幀數據接收zz完畢，轉入空閑狀態(tài)，等待下一幀數據的到來，若無效，轉入錯誤狀態(tài)；

(5)錯誤：摒棄錯誤幀的數據，狀態(tài)轉入空閑狀態(tài)，準備接收下一幀的數據。

3.3 SPI發(fā)送模塊的設計

422數據轉換為SPI數據的過程為：板卡上電后，進入IDLE狀態(tài)，當檢測到有效的422數據起始位后，422接收模塊從一幀422數據中提取出8位數據，把串行422轉換成8位并行數據，同時對接收的數據進行幀頭幀尾校驗，校驗正確的數據寫入FIFO。SPI發(fā)送模塊首先判斷FIFO中的數據個數是否滿足一幀SPI數據的長度要求，若滿足要求，則從FIFO中取出數據，轉換成SPI數據格式發(fā)送出去，若長度不滿足要求，則繼續(xù)等待，直至FIFO中有足夠長度的數據。

仿真波形如圖7所示。

4.結論

本文介紹的SPI與422總線數據互換的設計方法在具體的項目實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展。

姜麗梅（1983—），女，碩士，現就職于上海航天技術研究院第八〇四研究所，從事通用嵌入式系統產品設計崗。

孫靜（1977—），女，碩士，現就職于上海航天技術研究院第八〇四研究所，從事通用嵌入式系統產品設計崗。