采用FPGA实现UART转SPI

应用笔记

V1.1 2015/2/10

采用FPGA实现UART转SPI

概述

本文提供了实现UART转SPI的Verilog代码的功能描述。这份笔记将介绍UART和SPI的基本知识，代码设计的基本思路，以及代码的具体实现及其描述。本程序的具体功能在于配合AD9512_Serial_GUI完成AD9512寄存器的配置，包括读及写过程。

修订历史

以下表格展示了本文档的修订过程

[1]. 代码修订包括更改了实现方式，采用了状态机描述方法是下了UART2SPI的过程，同时增加了SPI2UART的功能。

简介

本程序基于ISE14.7编写，PC机程序采用MATLAB编写，具体参考《程序说明-MATLAB串口操作和GUI编程》。阅读本文档内容前建议先阅读《程序说明-MATLAB串口操作和GUI编程》。

串行通信的帧格式如下所示

图 1 串行数据帧格式

对于AD9512而言，SPI的时序要求如下所示

图 2 AD9512写控制

UART转SPI的过程是通过上位机配置AD9512的过程，我们的目的在于将图 1中的帧格式转换为图 2所示的数据流。对应图二我们需要考虑三路信号

• CSB：片选信号
• SCLK：时钟
• SDIO：数据

SDIO的数据不止8比特，可控制，简单起见我们每次写入1字节的数据。那么此时SDIO的数据流一次有24比特。对应可取串行通信的帧长为8比特，24比特相当于3帧。一旦确定了SDIO，通过FPGA可以很容易确定CSB和SCLK。

因此我们需要采用一个24位的寄存器来存储接收到的数据。那么问题是，我们该如何接收数据呢？

我们可以通过判断第一个下降沿来确定帧的起始，两个寄存器就可以满足这一要求。由于通信过程时钟不同源，我们希望采样点尽可能在中间，采用以高倍于波特率的时钟很容易就可以满足这一点。这里我们选择16倍波特率采样。我们需要一个计数器来判断接收了几个比特，同时还需要计数这是接收的第几帧。一旦我们接收到24比特的有效数据，就可以开始配置AD9512的寄存器了。

在设计之前我们需要考虑一下读寄存器的需求，V1.0版本的程序没有考虑这一点，所以V1.1的程序重写了。因此，做事之前考虑全面是很有必要的。

图 3 AD9512读控制

我们注意到实际上发送两帧数据就可以开始读数了，但为了和写控制一致，我们选择了在发送端发送一帧无意义的数据。一旦地址写入，在SCLK下降沿SDO开始串行输出寄存器的取值。

针对这些控制，我们觉得采用状态机来实现，状态包括：

• IDLE：空闲状态，等待接收PC发送数据完成
• START：数据接收完毕，判断控制字是读还是写
• SEND_START：写状态，开始写数（24bits）
• SEND_END：写完数据
• RECV_SEND：接收状态，开始写控制字（16bits）
• RECV_BEGIN：接收状态，接收8比特数据
• RECV_END ：接收完毕
• UART_START：接收完毕，开始发送数据

状态设置不是特别合理，但基本完成功能，独热码设计。

信号说明

图 4 UART转SPI模块

表格 1 UART转SPI模块的信号说明

参考

AD9512数据手册

MATLAB帮助

Xilinx应用手册（xapp341）

代码

代码详见AD9512_Serial_GUI（Verilog20150210）