基于SPI总线的422接口设计

上海航天电子技术研究所 姜丽梅 孙 静

基于SPI总线的422接口设计

上海航天电子技术研究所 姜丽梅 孙 静

以SPI总线为基础，本文介绍了一种SPI总线与422总线之间的转换电路，同时给出了基于FPGA器件通过VerilogHDL 工程语言编程实现了一种常用数据格式的UART模块，解决了工程应用中串口通讯的需求。

SPI总线；422总线；UART

引言

SPI(Serial Peripheral Interface)即串行外设接口总线是Motorola公司推出的一种同步串行接口技术，它具有高速、全双工、协议简单等优点。与标准的串行接口不同，SPI是一个同步协议接口，全双工通信，所有的传输都参照一个共同的时钟，其传输速率可达几Mb/S。

目前该总线已发展成为一种工业标准。但是测试工控机一般不支持SPI总线，为实现对使用SPI总线产品的测试，需要将SPI总线数据转换成测试工控机可接收的数据格式，本文介绍一种SPI接口与同步422接口的转换电路实现了两种总线之间的数据交互。

1 SPI基本原理介绍

SPI总线分为主机(master)和从机(slave)两部分，主机和从机之间通过4根信号线连接，包括SDI(从机输入数据线)，SDO(从机输出数据线)，SCLK(串行移位时钟)，CS(从机片选信号)。SDI和SDO用于串行接收和发送数据，高位在前，低位在后。

其工作原理为：当有数据需要在主机和从机之间传输时，主机控制CS输出有效电平(低电平)，SCLK输出时钟信号，主机和从机的数据在时钟的上升沿或下降沿分别传输到SDI和SDO，在下一个时钟沿，主机和从机接收数据。图1是SPI的接口时序。

2 422总线简介

图1 SPI接口时序图

图2 SPI数据接收仿真波形图

RS－422为全双工串行数据通信接口标准，其优点在于：(1)采用双端差分输入，总线的抗干扰能力强；(2)互连双方的信号地分立，两条信号线形成回路，避免了电平偏移；(3)输出端采用双端平衡驱动，其信号放大倍数高，信号传输距离远。

3 详细设计

随着EDA技术的发展，FPGA已经在很多方面得到了广泛应用，本文通过FPGA实现包括SPI接收模块、SPI发送模块以及422总线UART的设计，外围通过NS公司的DS26LV31W和DS26LV32AW 实现422异步串行接口通讯。

为提高转换效率，在SPI模块与UART之间加入了1级FIFO缓存。整个设计结构紧凑、性能稳定可靠。

图4 RS-422数据发送波形图

图6 422数据接收仿真波形图

3.1 SPI接收模块的设计

SPI接收模块主要功能为接收SPI总线数据，将其转换成8位并行数据格式，转换成422数据格式。具体转换过程为：当板卡上电后，进入IDLE状态，当检测到片选信号CS有效时，接收模块通过移位寄存器将有效的SPI串行数据转换成FIFO输入端口的8位并行数据，同时对应一个8位数据产生FIFO的写信号，将数据写入FIFO。422发送模块判断FIFO是否为空，不空则从FIFO中取出数据，把8位并行数据变换成422串口形式发送出去。仿真波形如图2所示。

3.2 422总线UART接口的设计

422异步串行接口一般采用专用的集成电路即UART实现，它们能实现较全面的串行通信功能，但在实际应用中通常只需要部分功能，造成一定资源的浪费。本文采用Verilog语言设计实现了1个简单易用422帧格式的UART。

UART的帧格式包括空闲状态（高电平有效），1位起始位（低电平有效），8位数据位，1位停止位（高电平有效）。字符的同步由起始位和停止位实现。

UART接口包括422接收模块和422发送模块。

422发送模块按照422数据格式依次发出1位起始位，8位数据位，1位停止位。状态转移图如图3所示：

图3 422发送状态转移图

(1)空闲：状态机检测前级FIFO中有没有数据，当有数据时就进入起始状态；

(2)起始：在该状态下，发出1位低电平起始位，发送完毕后转入数据状态；

(3)数据：发送8位数据位，发送完毕后，进入停止状态；

(4)停止：发送1位高电平停止位，发送后进入空闲状态，等待下次数据的到来。

仿真波形如图4所示。

图5 422接收状态转移图

422接收模块按照422数据格式首先通过检测下降沿来判断一帧422数据的到来，然后按照采样时钟对8位串行数据进行采样，在寄存器中进行移位操作。

根据奈奎斯特定理，采样时钟至少为422速率的2倍。在本文中，为确保采样到的每一位数据正确，采样时钟设置为422速率的16倍，当检测到起始位时，对应一帧422传输，计数器cnt从0开始一直计到146，当cnt[3:0]=4’b0111时，此时基本处于当前数据位的中间位置，数据较稳定，将该时刻的数据保存至移位寄存器，当cnt计到140，此时8位串行数据已经全部移至移位寄存器，把当前移位寄存器的数据写入数据寄存器。具体状态转移如图5所示。仿真波形如图6所示。

(1)空闲：状态机对输入信号进行下降沿检测，当检测到下降沿时，状态进入起始状态；

(2)起始：在该状态下，检测输入信号，若起始位有效转入数据状态，无效转入错误状态；

(3)数据：将8位串行数据接收下来，转入停止状态；

(4)停止：检测停止位是否有效，若停止位有效，当前一帧数据接收zz完毕，转入空闲状态，等待下一帧数据的到来，若无效，转入错误状态；

(5)错误：摒弃错误帧的数据，状态转入空闲状态，准备接收下一帧的数据。

3.3 SPI发送模块的设计

422数据转换为SPI数据的过程为：板卡上电后，进入IDLE状态，当检测到有效的422数据起始位后，422接收模块从一帧422数据中提取出8位数据，把串行422转换成8位并行数据，同时对接收的数据进行帧头帧尾校验，校验正确的数据写入FIFO。SPI发送模块首先判断FIFO中的数据个数是否满足一帧SPI数据的长度要求，若满足要求，则从FIFO中取出数据，转换成SPI数据格式发送出去，若长度不满足要求，则继续等待，直至FIFO中有足够长度的数据。

仿真波形如图7所示。

4.结论

本文介绍的SPI与422总线数据互换的设计方法在具体的项目实践中取得了良好的效果，通过该方法，使得SPI总线的使用范围得到了大大扩展。

姜丽梅（1983—），女，硕士，现就职于上海航天技术研究院第八〇四研究所，从事通用嵌入式系统产品设计岗。

孙静（1977—），女，硕士，现就职于上海航天技术研究院第八〇四研究所，从事通用嵌入式系统产品设计岗。