基于FPGA的SPI总线传输技术提供更好的选择和可行方案

引言

S     PI   （Serial peripheral in     te       rf   ace——串行设备     接口   ）是摩托罗拉公司推出的一种同步串行通信接口。用于     MCU   和外围扩展芯片之间的串行连接，现已发展成为一种工业标准 。一路SPI数据总线只占用3或4个     I/O   （Master Output Slave Input，MOSI; Master InputSlave Output，     MI   SO;Serial Clock，SCK;Chip Select，CS）端口，可以简化     电路   设计，节省端口资源，提高设计可靠性 。SPI总线主要特点：全双工；可以当作主机或者从机工作；提供频率可编程     时钟   ；发送结束中断标志；写冲突保护；总线竞争保护等。基于以上特点结合     FPGA   的特性，通过将SPI总线与FPGA相结合，可使SPI总线的应用更加灵活多变，为解决通信技术问题提供更好的选择和可行方案。

结合已交付的项目的经验（项目中主设备采用     ARM   芯片，从设备采用FPGA），探讨基于FPGA的SPI总线传输方案在实际中的应用，拓展SPI技术的应用范围，同时对设计中遇到的具体问题提出了有效的解决方案。

1、系统分析和设计

系统的SPI总线连接如图1所示。系统中的各从设备可以按照实际需要，实时采集不同的状态数据信息，并按SPI总线通信方式上报给主设备，主设备将最终的处理结果上报PC端，从而实现对系统的实时     监控   。

从设备需要采集的数据种类繁多，相对于使用     单片机   的单线程串行的工作方式来进行多种     数据采集   处理的工作方案，使用FPGA的工作方式显然是更优的选择（并行处理能力、运行速度快、管脚多、体积小，同时具有处理复杂问题的逻辑功能），从集成性、可靠性、兼容性等方面综合考虑，很明显最佳的设计方案就是从设备使用FPGA进行数据采集、处理。

主设备主要向从设备发送查询指令，同时将采集到的数据进行有效性判断并上传电脑。相对于从设备来说，主设备处理过程比较简单，选择较灵活、功耗低的ARM嵌入式最为合适。并且ARM具有现成的SPI接口驱动供开发者使用，大大降低了开发成本。

2、系统时序

时序是通信系统中首要考虑的因素之一，时序无误才能保证数据在传输、处理过程中的有效性，使系统保持正常的工作状态。根据时序的不同，SPI总线有4种工作模式（SPI0，SPI1，SPI2，SPI3），见图2，其中SPI0和SPI3两种工作模式使用的最广泛。通过配置系统的SPI总线的时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）可得到满足传输要求的工作模式。

当CPOL=0，串行同步时钟的空闲状态为低电平；当CPOL=1，串行同步时钟的空闲状态为高电平。可见，CPOL对于SPI总线传输协议没有较大的影响。

传输协议的模式选择主要通过配置时钟相位（CPHA）实现。当CPHA=0，在串行同步时钟的第一个跳变沿（上升或下降）数据被采样；当CPHA=1，在串行同步时钟的第二个跳变沿（上升或下降）数据被采样。确保SPI主、从设备之间的正常通信，就必须满足二者的时钟相位和时钟极性一致 ［4］ 。

现以某项目（采用SPI0模式）为例，选择其中1路SPI总线并对其时序进行详细阐述。时序图如图3。

片选信号cs在主设备发送数据前跳变为低电平，使被选中的从设备SPI通信端口开启；从设备完成数据发送的一段时间后，片选信号cs跳变回高电平，从设备SPI通信端口关闭。主设备发送查询/控制命令的数据帧长度为a个字节，每个字节包含8位有效数据，每位数据占用一个时钟脉冲信号；当有数据发送时，sck伴有对应的同步时钟信号，无数据发送则无时钟脉冲信号。同时，相邻字节间存在时间间隔t，在t时间内sck无时钟脉冲，即同步时钟信号是一份一份的，每份包含8个时钟脉冲。

因此，一帧完整的查询/控制指令，其数据中的每个字节占用8个时钟信号，主设备发送一条帧长度为a字节的数据需要8×a个时钟脉冲信号；假设从设备的缓存模块f     if   o和发送模块datatx完成对应的数据反馈过程所需最少时钟脉冲信号个数为8×n。为保证系统的通信功能正常，sck传输的时钟脉冲数应不少于该SPI总线完成一次查询/控制所需时钟信号个数（8×（a+n））。

3、技术难点及解决方案

3.1 数据同步

从图3的SPI时序图可看出，有数据才有时钟脉冲，总线的时钟不是连续而是一份一份的（每份为8个连续时钟信号），为了保证系统能正常通讯，必须确保数据在主、从设备中同步传输，这就增加了系统在数据传输过程中的难度。

就从设备而言，必须满足从设备在接收/发送状态下，经过每一份时钟信号中接收/发送的都是的一个完整且有效的字节。即主设备发送数据的每个有效字节的第1位都是在第（8×x-7）个时钟信号（x为整数，0《x《a）被从设备的接收模块采样（上升沿采样，下同），然后依次采样直至该字节的最后一位在第（8×x）个时钟信号被采样。同时，要求主设备接收数据的每个字节的第1位都是在第（8×y-7）个时钟信号输出（y为整数，n》y》a），然后依次采样直至该字节的最后一位在第（8×y）个时钟信号输出完毕，如图5所示。

为了实现数据同步，可以采用如下方式：

（1） 从设备利用片选信号cs复位清零。通过片选信号cs的下降沿，触发从设备中的数据采集模块datarx、数据缓存模块fifo及数据发送模块datatx的计数清零，确保系统在片选有效后的第一个时钟脉冲开始计数，避免因计数错误造成数据采样失效。若采用第一个时钟脉冲进行计数清零，会使数据的采集滞后1位，以致采集到无效数据，造成通讯失效。

（2） 利用时钟信号sck计数。本文SPI总线采用SPI0工作模式，利用时钟信号sck的上升沿触发采集模块内部计数器计数，确保模块的数据采样同步，获得有效数据。

（3） 从设备中的数据发送模块datatx提前发送数据。

假设数据发送模块datatx在数据发送过程中，某字节的第1位在第（8×y-7）个时钟信号输出（y为整数，n》y》a，时钟信号的上升沿输出数据，下同），第八位在第（8×y）个时钟信号输出，那么将会出现如图6所示的情况。

由于总线采用SPI0工作模式，那么主设备将通过同步时钟信号的上升沿触发数据采集，此时采集到的数据正处于电平跳变中，以致主设备采集到不确定的无效数据。

结合图6可以发现，datatx模块通过提前发送数据，能有效的解决该问题，数据传输示意图如下。

当datatx模块在发送某个字节时，利用上一字节的最后一个时钟脉冲（第（8×y-8）个时钟脉冲）的下降沿触发该字节第1位的发送，第（8×y-7）个时钟脉冲的下降沿触发该字节第2位的发送，直至该字节第8位在第（8×y-1）个时钟脉冲的下降沿发送完毕。使用这种方法，主设备在每个sck时钟信号的上升沿都能同步采集到正确的数据，确保总线通信正常。

3.2 多个从设备并联的问题

笔者在调试过程中，系统连接板上只接入1台主设备和1台从设备，系统能正常运行。但在接入多个从设备后（从设备的接口类型一致），会出现一个或者几个从设备工作失效。具体表现为从设备没有任何信息反馈，且故障无规律可循：

a）与从设备插入插槽的位置没有特定规律。例如，有A、B两台从设备，连接板有5个插槽（编号1-5）。A插入1，B插入2，此时B失效。将B依次换至剩余插槽，可能会出现B失效、A失效，甚至两者失效的情况。然而，在A、B都能正常运行的情况下，互调A、B位置，也可能出现上述三种失效现象。或者将从设备B换成完全相同的从设备C，这种新的组合相较于之前A+B的组合，在接入方式完全相同的情况下又可能产生不同的结果。

b）与从设备的插入数量没有特定规律。连接板上从设备数量的增加或者减少，对整个系统的好坏并没有特定方向的影响。加上插槽位置对系统工作的影响也很复杂。

为了解决这个问题，笔者做过如下依次尝试，但情况并没有发生好转，从设备依旧没有任何信号输出：

a）将待机状态的从设备输出置高阻；

b）I/O设置上/下拉     电阻   ；

最终笔者通过对设备内部的信号输入至信号处理部份采用SIGNALTAP进行实时分析、观察，发现数据处理模块fifo在固定位置丢失一个同步时钟脉冲（fifo的所有触发只与同步时钟sck有关）。经过分析，决定在fifo中加入异步时钟参与触发和计数，故障现象没有再次发生，多个从设备并联的问题得到了有效解决。

4、结论

利用ARM+FPGA模式搭建了SPI总线，使SPI接口技术的使用更加灵活多变，丰富了系统的I/O数量，增强了系统的数据处理能力，拓展了SPI技术的应用范围，实现了系统数据的长期可靠传输，为后端用户的决策提供了稳定可靠的理论依据。

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