一、摘要：

　　SPI 接口應(yīng)用十分廣泛，在很多情況下，人們會(huì)用軟件模擬的方法來產(chǎn)生SPI 時(shí)序或是采用帶SPI 功能模塊的MCU。但隨著可編程邏輯技術(shù)的發(fā)展，人們往往需要自己設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的SPI 發(fā)送模塊。本文介紹一種基于FPGA 的將并行數(shù)據(jù)以SPI 串行方式自動(dòng)發(fā)送出去的方法。

　　二、關(guān)鍵字：

　　VHDL、FPGA、SPI、串行數(shù)據(jù)輸出選擇模塊、移位脈沖產(chǎn)生模塊、SPI 時(shí)鐘采集信號(hào)和無相移的SPI 基準(zhǔn)時(shí)鐘產(chǎn)生模塊、SPI 時(shí)鐘輸出選擇模塊、8bit SPI 時(shí)鐘采集生成模塊、16bit SPI 時(shí)鐘采集生成模塊、24bit SPI 時(shí)鐘采集生成模塊、8bit 數(shù)據(jù)移位模塊、16bit 數(shù)據(jù)移位模塊、24bit 數(shù)據(jù)移位模塊。

　　三、功能框圖：

　　SPI_MODES 為輸入模式選擇端口：

　　--"01"is 8bit 傳輸模式

　　--"10"is 16bit 傳輸模式

　　--"11"is 24bit 傳輸模式

　　CLKS 為整個(gè)模塊的基準(zhǔn)時(shí)鐘

　　DBINOUTS 為并行數(shù)據(jù)輸入端口：

　　--8bit 模式為DBINOUTS(7 downto 0)

　　--16bit 模式為DBINOUTS(15 downto 0)

　　--24bit 模式為DBINOUTS(23 downto 0)

　　SPI_WR 為啟動(dòng)SPI 傳輸?shù)男盘?hào)

　　整個(gè)功能模塊可工作在 8bit、16bit、24bit SPI 猝發(fā)傳輸狀態(tài)。對(duì)其進(jìn)行軟件操作的步驟相當(dāng)簡(jiǎn)單：

　　--此模塊軟件操作流程如下

　　--1、SPI_MODES="xx" 設(shè)定串口操作模式

　　--2、DBINOUTS="xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx" 輸入要發(fā)射的數(shù)據(jù)

　　--3、SPI_WR='0'

　　--4、SPI_WR='1'

　　--5、SPI_WR='0'

　　--8bit 模式延時(shí)2*8*4*CLKS

　　--16bit 模式延時(shí)2*1**CLKS

　　--24bit 模式延時(shí)2*24*4*CLKS

　　--6、DBINOUTS="xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx" 輸入下一個(gè)要發(fā)射的數(shù)據(jù)

　　四、VHDL 描述解讀

　　--以下描述的是一個(gè)SPI 自動(dòng)發(fā)射模塊

　　--在很多情況下，人們會(huì)用軟件模擬的方法來產(chǎn)生SPI 時(shí)序

　　--這里采用硬件的方法，即使軟件操作更為簡(jiǎn)單，有提高了傳輸?shù)乃俣?/P>

　　--------------------------------------------------------------

　　--此模塊軟件操作流程如下

　　--1、SPI_MODES="xx" 設(shè)定串口操作模式

　　--2、DBINOUTS="xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx" 輸入要發(fā)射的數(shù)據(jù)

　　--3、SPI_WR='0'

　　--4、SPI_WR='1'

　　--5、SPI_WR='0'

　　--8bit 模式延時(shí)2*8*4*CLKS

　　--16bit 模式延時(shí)2*1**CLKS

　　--24bit 模式延時(shí)2*24*4*CLKS

　　--6、DBINOUTS="xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx" 輸入下一個(gè)要發(fā)射的數(shù)據(jù)

　　library ieee;

　　use ieee.std_logic_1164.all;

　　use ieee.std_logic_unsigned.all;

　　entity SPI_interface is

　　port(CLKS :in std_logic; --基準(zhǔn)時(shí)鐘

　　LCD_SCLS :out std_logic;--SPI 發(fā)射時(shí)鐘，上升沿有效

　　LCD_SDIS :out std_logic;--SPI 數(shù)據(jù)串行輸出口

　　SPI_MODES :in std_logic_vector(1 downto 0);

　　--串口操作模式選擇

　　--"01"is 8bit trans mode

　　--"10"is 16bit trans mode

　　--"11"is 24bit trans mode

　　SPI_WR :in std_logic; --啟動(dòng)串口發(fā)送信號(hào)

　　DBINOUTS :in std_logic_vector(23 downto 0));

　　--背發(fā)送數(shù)據(jù)的并行輸入口

　　--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 數(shù)據(jù)移位寄存器

　　signal DB16BIT_reg :std_logic_vector(15 downto 0);--16bit 數(shù)據(jù)移位寄存器

　　signal DB24BIT_reg :std_logic_vector(23 downto 0);--24bit 數(shù)據(jù)移位寄存器

　　signal counter4 :std_logic_vector(3 downto 0); --移位脈沖產(chǎn)生計(jì)數(shù)器

　　signal counter4s :std_logic_vector(1 downto 0); --SPI 時(shí)鐘生成計(jì)數(shù)器

　　signal counter8 :std_logic_vector(4 downto 0); --8bit SPI 時(shí)鐘控制計(jì)數(shù)器

　　signal counter16 :std_logic_vector(5 downto 0); --16bit SPI 時(shí)鐘控制計(jì)數(shù)器

　　signal counter24 :std_logic_vector(5 downto 0); --24bit SPI 時(shí)鐘控制計(jì)數(shù)器

　　signal shift :std_logic;--移位時(shí)鐘脈沖

　　signal LCD_SCLSS :std_logic;--SPI 時(shí)鐘采集信號(hào)

　　signal LCD_SCLSSS :std_logic;--無相移的SPI 基準(zhǔn)時(shí)鐘

　　signal LCD_SCLSS8 :std_logic;--8bit SPI 時(shí)鐘信號(hào)

　　signal LCD_SCLSS16 :std_logic;--16bit SPI 時(shí)鐘信號(hào)

　　signal LCD_SCLSS24 :std_logic;--24bit SPI 時(shí)鐘信號(hào)

　　signal LCD_SDIS_8BIT :std_logic;--8bit SPI 數(shù)據(jù)信號(hào)

　　signal LCD_SDIS_16BIT :std_logic;--16bit SPI 數(shù)據(jù)信號(hào)

　　signal LCD_SDIS_24BIT :std_logic;--24bit SPI 數(shù)據(jù)信號(hào)

　　begin

　　--串行數(shù)據(jù)輸出選擇模塊

　　u1:process(LCD_SDIS_8BIT,LCD_SDIS_16BIT,LCD_SDIS_24BIT,SPI_MODES)

　　begin

　　if SPI_MODES="01" then --選擇8bit 串行數(shù)據(jù)輸出

　　LCD_SDIS<=LCD_SDIS_8BIT;

　　elsif SPI_MODES="10" then --選擇16bit 串行數(shù)據(jù)輸出

　　LCD_SDIS<=LCD_SDIS_16BIT;

　　elsif SPI_MODES="11" then --選擇24bit 串行數(shù)據(jù)輸出

　　LCD_SDIS<=LCD_SDIS_24BIT;

　　else LCD_SDIS<='1';

　　end if;

　　end process;

　　--移位脈沖產(chǎn)生模塊

　　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 時(shí)鐘采集信號(hào)和無相移的SPI 基準(zhǔn)時(shí)鐘產(chǎn)生模塊

　　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 時(shí)鐘采集信號(hào)

　　LCD_SCLSSS<=counter4s(1); --無相移的SPI 基準(zhǔn)時(shí)鐘

　　end process;

　　--SPI 時(shí)鐘輸出選擇模塊

　　u4:process(LCD_SCLSS8,LCD_SCLSS16,LCD_SCLSS24,SPI_MODES)

　　begin

　　if SPI_MODES="01" then

　　LCD_SCLS<=LCD_SCLSS8; --選擇8bit SPI 時(shí)鐘模式

　　elsif SPI_MODES="10" then

　　LCD_SCLS<=LCD_SCLSS16; --選擇16bit SPI 時(shí)鐘模式

　　elsif SPI_MODES="11" then

　　LCD_SCLS<=LCD_SCLSS24; --選擇24bit SPI 時(shí)鐘模式

　　else LCD_SCLS<='1';

　　end if;

　　end process;

　　--8bit SPI 時(shí)鐘采集生成模塊

　　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 時(shí)鐘采集生成模塊

　　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 時(shí)鐘采集生成模塊

　　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 數(shù)據(jù)移位模塊

　　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 數(shù)據(jù)移位模塊

　　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 數(shù)據(jù)移位模塊

　　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、仿真波形圖

　　六、編譯后資源占用情況

　　七、結(jié)束語

　　本文旨在給學(xué)習(xí)可編程技術(shù)的人們提供一個(gè)參考，起到拋磚引玉的作用。望閱讀過此文的讀者提供更好的方法，與所有的學(xué)習(xí)者共享，共勉！（作者：姚青華）