基于 FPGA 實現(xiàn)多路UART/SPI通信系統(tǒng)

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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習的知識，又可以為我后面的項目做準備。在完成課題的過程中，主要用到了FPGA狀態(tài)機、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。

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

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)送一串數(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，主機給從機、從機給主機同時發(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、主機和從機均寫在一塊板子里，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；inst_SPItop1為主機。當主機的信號選擇信號為0111時系統(tǒng)中的從機被選中。在主機、從機內(nèi)部， inst_SPImaster為SPI主機端口，inst_SPIslave為SPI從機端口，inst_leddriver為led驅(qū)動電路，負責判斷接收到的信號和已知信號是否一致，當接收到的信號和一直信號一致時，驅(qū)動LED點亮。

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。

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，對板卡進行復(fù)位，復(fù)位后的通信模式默認為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點亮證明主機成功選中從機、發(fā)送給從機數(shù)據(jù)且從機已經(jīng)接收到主機發(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燈點亮證明從機給主機也成功發(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，主機只接了一個從機，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。