基于FPGA的数据并转串SPI发送模块的设计

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一、摘要：

SPI 接口应用十分广泛，在很多情况下，人们会用软件模拟的方法来产生SPI 时序或是采用带SPI 功能模块的MCU。但随着可编程逻辑技术的发展，人们往往需要自己设计简单的SPI 发送模块。本文介绍一种基于FPGA 的将并行数据以SPI 串行方式自动发送出去的方法。

二、关键字：

VHDL、FPGA、SPI、串行数据输出选择模块、移位脉冲产生模块、SPI 时钟采集信号和无相移的SPI 基准时钟产生模块、SPI 时钟输出选择模块、8bit SPI 时钟采集生成模块、16bit SPI 时钟采集生成模块、24bit SPI 时钟采集生成模块、8bit 数据移位模块、16bit 数据移位模块、24bit 数据移位模块。

三、功能框图：


SPI_MODES 为输入模式选择端口：
--"01"is 8bit 传输模式
--"10"is 16bit 传输模式
--"11"is 24bit 传输模式

CLKS 为整个模块的基准时钟

DBINOUTS 为并行数据输入端口：
--8bit 模式为DBINOUTS(7 downto 0)
--16bit 模式为DBINOUTS(15 downto 0)
--24bit 模式为DBINOUTS(23 downto 0)

SPI_WR 为启动SPI 传输的信号

整个功能模块可工作在 8bit、16bit、24bit SPI 猝发传输状态。对其进行软件操作的步骤相当简单：
--此模块软件操作流程如下
--1、SPI_MODES="xx" 设定串口操作模式
--2、DBINOUTS="xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx" 输入要发射的数据
--3、SPI_WR='0'
--4、SPI_WR='1'
--5、SPI_WR='0'
--8bit 模式延时2*8*4*CLKS
--16bit 模式延时2*16*4*CLKS
--24bit 模式延时2*24*4*CLKS
--6、DBINOUTS="xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx" 输入下一个要发射的数据

四、VHDL 描述解读

--以下描述的是一个SPI 自动发射模块
--在很多情况下，人们会用软件模拟的方法来产生SPI 时序
--这里采用硬件的方法，即使软件操作更为简单，有提高了传输的速度
--------------------------------------------------------------
--此模块软件操作流程如下

--1、SPI_MODES="xx" 设定串口操作模式
--2、DBINOUTS="xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx" 输入要发射的数据
--3、SPI_WR='0'
--4、SPI_WR='1'
--5、SPI_WR='0'
--8bit 模式延时2*8*4*CLKS
--16bit 模式延时2*16*4*CLKS
--24bit 模式延时2*24*4*CLKS
--6、DBINOUTS="xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx" 输入下一个要发射的数据
library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;
entity SPI_interface is
port(CLKS :in std_logic; --基准时钟
LCD_SCLS :out std_logic;--SPI 发射时钟，上升沿有效
LCD_SDIS :out std_logic;--SPI 数据串行输出口
SPI_MODES :in std_logic_vector(1 downto 0);

--串口操作模式选择
--"01"is 8bit trans mode
--"10"is 16bit trans mode
--"11"is 24bit trans mode
SPI_WR :in std_logic; --启动串口发送信号
DBINOUTS :in std_logic_vector(23 downto 0));

--背发送数据的并行输入口
--8bit mode use DBINOUTS(7 downto 0)
--16bit mode use DBINOUTS(15 downto 0)
--24bit mode use DBINOUTS(23 downto 0)
end;
architecture SPI_interface_behav of SPI_interface is
signal DB8BIT_reg :std_logic_vector(7 downto 0); --8bit 数据移位寄存器
signal DB16BIT_reg :std_logic_vector(15 downto 0);--16bit 数据移位寄存器
signal DB24BIT_reg :std_logic_vector(23 downto 0);--24bit 数据移位寄存器
signal counter4 :std_logic_vector(3 downto 0); --移位脉冲产生计数器
signal counter4s :std_logic_vector(1 downto 0); --SPI 时钟生成计数器
signal counter8 :std_logic_vector(4 downto 0); --8bit SPI 时钟控制计数器
signal counter16 :std_logic_vector(5 downto 0); --16bit SPI 时钟控制计数器
signal counter24 :std_logic_vector(5 downto 0); --24bit SPI 时钟控制计数器
signal shift :std_logic;--移位时钟脉冲
signal LCD_SCLSS :std_logic;--SPI 时钟采集信号
signal LCD_SCLSSS :std_logic;--无相移的SPI 基准时钟
signal LCD_SCLSS8 :std_logic;--8bit SPI 时钟信号
signal LCD_SCLSS16 :std_logic;--16bit SPI 时钟信号
signal LCD_SCLSS24 :std_logic;--24bit SPI 时钟信号
signal LCD_SDIS_8BIT :std_logic;--8bit SPI 数据信号
signal LCD_SDIS_16BIT :std_logic;--16bit SPI 数据信号
signal LCD_SDIS_24BIT :std_logic;--24bit SPI 数据信号
begin

--串行数据输出选择模块
u1:process(LCD_SDIS_8BIT,LCD_SDIS_16BIT,LCD_SDIS_24BIT,SPI_MODES)
begin
if SPI_MODES="01" then --选择8bit 串行数据输出
LCD_SDIS<=LCD_SDIS_8BIT;
elsif SPI_MODES="10" then --选择16bit 串行数据输出
LCD_SDIS<=LCD_SDIS_16BIT;
elsif SPI_MODES="11" then --选择24bit 串行数据输出
LCD_SDIS<=LCD_SDIS_24BIT;
else LCD_SDIS<='1';
end if;
end process;

--移位脉冲产生模块
u2:process(CLKS)
begin
if CLKS='1' and CLKS'event then
if counter4="0011" then
counter4<="0000";
shift <='1';
else counter4<=counter4+1;
shift <='0';
end if;
end if;
end process;

--SPI 时钟采集信号和无相移的SPI 基准时钟产生模块
u3:process(CLKS)
begin
if CLKS='1' and CLKS'event then
if counter4s<"11" then
counter4s<=counter4s+1;
else counter4s<="00";
end if;
end if;
LCD_SCLSS<=counter4s(0); --SPI 时钟采集信号
LCD_SCLSSS<=counter4s(1); --无相移的SPI 基准时钟
end process;

--SPI 时钟输出选择模块
u4:process(LCD_SCLSS8,LCD_SCLSS16,LCD_SCLSS24,SPI_MODES)
begin
if SPI_MODES="01" then
LCD_SCLS<=LCD_SCLSS8; --选择8bit SPI 时钟模式
elsif SPI_MODES="10" then
LCD_SCLS<=LCD_SCLSS16; --选择16bit SPI 时钟模式
elsif SPI_MODES="11" then
LCD_SCLS<=LCD_SCLSS24; --选择24bit SPI 时钟模式
else LCD_SCLS<='1';
end if;
end process;

--8bit SPI 时钟采集生成模块

counter8_u:process(LCD_SCLSS)
begin
if SPI_WR='1' then
counter8<="10001";
elsif LCD_SCLSS='1' and LCD_SCLSS'event then
if counter8>0 then
counter8<=counter8-1;
LCD_SCLSS8<=LCD_SCLSSS;
end if;
end if;
end process;
--16bit SPI 时钟采集生成模块
counter16_u:process(LCD_SCLSS)
begin
if SPI_WR='1' then
counter16<="100001";
elsif LCD_SCLSS='1' and LCD_SCLSS'event then
if counter16>0 then
counter16<=counter16-1;
LCD_SCLSS16<=LCD_SCLSSS;
end if;
end if;
end process;

--24bit SPI 时钟采集生成模块
counter24_u:process(LCD_SCLSS)
begin
if SPI_WR='1' then
counter24<="110011";
elsif LCD_SCLSS='1' and LCD_SCLSS'event then
if counter24>0 then
counter24<=counter24-1;
if (counter24="000000")or(counter24="000001")or
(counter24="110011")or(counter24="000010")then
LCD_SCLSS24<='0';
else
LCD_SCLSS24<=LCD_SCLSSS;
end if;
end if;
end if;
end process;

--8bit 数据移位模块
DB8BIT_U:process(shift,SPI_WR,DBINOUTS)
begin
if SPI_WR='1' then
DB8BIT_reg<=DBINOUTS(7 downto 0);
else
if shift='1' and shift'event then
LCD_SDIS_8BIT<=DB8BIT_reg(0);
DB8BIT_reg(6 downto 0)<=DB8BIT_reg(7 downto 1);
end if;
end if;
end process;

--16bit 数据移位模块
DB16BIT_U:process(shift,SPI_WR,DBINOUTS)
begin
if SPI_WR='1' then
DB16BIT_reg(15 downto 0)<=DBINOUTS(15 downto 0);
else
if shift='1' and shift'event then
LCD_SDIS_16BIT<=DB16BIT_reg(0);
DB16BIT_reg(14 downto 0)<=DB16BIT_reg(15 downto 1);
end if;
end if;
end process;

--24bit 数据移位模块
DB24BIT_U:process(shift,SPI_WR,DBINOUTS)
begin
if SPI_WR='1' then
DB24BIT_reg(23 downto 0)<=DBINOUTS(23 downto 0);
else
if shift='1' and shift'event then
LCD_SDIS_24BIT<=DB24BIT_reg(0);
DB24BIT_reg(22 downto 0)<=DB24BIT_reg(23 downto 1);
end if;
end if;
end process;
end;

五、仿真波形图


六、编译后资源占用情况


七、结束语

本文旨在给学习可编程技术的人们提供一个参考，起到抛砖引玉的作用。望阅读过此文的读者提供更好的方法，与所有的学习者共享，共勉！