基于FPGA的多路SPI接口并行数据采集系统
0 引言
随着数字技术发展与应用，越来越多的芯片被用于数据采集与数字交换。在这些芯片中，SPI (Serial Peripheral Interface)作为电路接口应用非常普遍，因而也成为了很多单片机的标准配置。然而很多单片机的SPI接口硬件资源非常有限，在需要同时使用较大数目SPI接口的数据采集系统中，只能对SPI接口扩展并分时复用，这样势必造成数据采集速度下降。FPGA具有高度并行的特点[1]，笔者根据实际应用，设计了基于FPGA的多路SPI接口并行系统，应用于需多个SPI接口同步运行的数据采集系统中。
1 SPI总线接口
SPI(串行外围设备接口)是Motorola公司推出的一种同步串行接口，具有传送速率高、连接线少等特点，常用于MCU与外设数据交换[2]。SPI只需要4条线就能完成主、从与外围器件全双工同步通信，这4条线分别为：串行时钟线(SCK)、主机输出从机输入线(MOSI)、主机输入从机输出线(MISO)、从机选择线(CS)。
SPI系统分为主机和从机两类，其中主机提供SPI时钟信号和片选信号，作为从机的输入；从机是接收SPI信号的任何集成电路，包括简单的TTL移位寄存器或其他MCU等。时钟极性(CPOL)和时钟相位(CPHA)的配合完成一次数据传输。其中，CPOL表示时钟在空闲状态的电平，CPHA决定数据在时钟的上升沿传送还是下降沿传送。CPOL与CPHA的不同，可以使SPI总线工作在4种模式下。
(1) CPOL=0，CPHA=0：SCK的空闲电平为低电平，数据在SCK的第一个跳变沿被采集；
(2) CPOL=0，CPHA=1：SCK的空闲电平为低电平，数据在SCK的第二个跳变沿被采集；
(3) CPOL=1，CPHA=0：SCK的空闲电平为高电平，数据在SCK的第一个跳变沿被采集；
(4) CPOL=1，CPHA=1：SCK的空闲电平为高电平，数据在SCK的第二个跳变沿被采集。
当SPI工作时，发送和接收操作都受控于SPI主机的时钟信号(SCK)和片选信号(CS)，从而保证通信同步。通常情况下，使用一个主机控制多个从机，典型的系统连接如图1。
2 主机端SPI接口模块设计
在笔者设计的数据采集系统中，使用了芯片级传感器——磁性旋转编码器AS5048A[3]，用来测量关节点位置，该芯片具备标准SPI输出。在本数据采集系统中需要同时用到10个SPI接口，设计采用FPGA为主机模式，AS5048A为从机模式。
本数据采集系统，在控制命令作用下通过10个SPI接口完成对10组AS5048A测量值读取并保存。因此，为实现数据采集目标需要使用硬件描述语言建立SPI总线接口模块，并设计主状态机控制系统运行状态。整个系统在FPGA上实现。
通过对SPI接口建立电路模型，最终生成一个如图2所示的模块。模块的各引脚定义如下：clk为外部输入时钟信号，由FPGA提供；rst_n为复位信号，当其为低电平时，系统恢复初始状态；spi_cmd为SPI接口数据发送控制信号；tx_data为待发送数据；spi_clk、spi_cs、spi_mosi和spi_miso分别为串行时钟信号、片选信号、主机输出从机输入和主机输入从机输出信号；rx_data为spi_miso信号经串并转换得到接收到的数据；tx_done与rx_done分别为数据发送完成与数据接收完成指示信号。
FPGA主状态机控制整个数据采集的运行状态。当主状态机发出读取控制信号，同时将AS5048A读取指令存入寄存器tx_data。FPGA作为主机为从机提供时钟信号和片选信号。当从机AS5048A被选中，并有时钟信号到来时，开始接收读取指令。在下一次接收读取指令的同时，AS5048A在串行时钟信号的下降沿把测量数据按位依次存入SPI接口模块缓冲器，直到时钟停止，等待下一次读取命令到来。接收完成以后将串并转换后的测量值存入寄存器rx_data。
3 SPI接口与并行数据采集的Verilog实现与验证
Verilog HDL是一种用于数字电子系统设计的硬件描述语言，以文本的形式描述数字系统硬件结构和行为。在FPGA开发中，设计者常用它来进行逻辑设计，完成数字逻辑系统的仿真验证、时序分析和逻辑综合。
本文中的设计包括SPI接口电路建模和主状态机，程序均采用Verilog HDL编写，在Mentor公司的HDL语言仿真软件ModelSim中成功编译，运行可以得到仿真波形进行时序分析。SPI接口电路仿真时序如图3所示，10个SPI接口在主状态机控制下并行数据采集时序如图4所示。
从图3可以看出SPI时钟信号spi_clk空闲电平为低电平，接收数据在其下降沿，上升沿发送数据，与设计一致。读取AS5048A测量值的控制信号spi_cmd上升沿到来后SPI接口开始发送读取指令，片选信号使能。在SPI时钟第一个周期上升沿，主机通过spi_mosi发送最高位至从机，移位寄存器tx_data左移一位；在第一个周期下降沿，主机通过spi_miso接收从机发送的数据最高位，移位寄存器rx_data左移一位。依次类推，值至96位二进制数发送/接收完成，片选信号恢复至高电平，SPI接口电路回到空闲状态。综合以上分析，SPI接口电路时序功能正确。
从图4可以看出10个SPI接口在主状态机的控制信号下并行运行，完成AS5048A的测量值读取，时序功能正确。
通过Altera公司的FPGA开发软件Quartus II将程序综合成电路网表，下载到FPGA芯片为Cyclone EP1C12Q240C8的开发板上进行验证，10路SPI接口可并行完成数据采集，通信功能与预期目标一致。
4 结语
本文简单介绍了SPI接口，包括SPI协议与SPI输入输出端口，建立了基于Verilog的SPI接口电路模型并仿真，并说明了其发送和接收数据的过程。而且，10个SPI接口在主状态机的控制信号下并行运行，稳定高效，解决了SPI接口资源有限时造成的通信速率下降的问题。随着技术的进步，FPGA速度越来越快，资源越来越丰富，基于FPGA的高速数据采集系统应用会更加广泛。
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