基于FPGA的SPI總線在軟件接收機(jī)上的應(yīng)用

摘要：在軟件接收機(jī)的研究中，為了實(shí)現(xiàn)在GPS或者北斗模式下基帶對射頻前端數(shù)據(jù)的采集，在Altera公司的CycloneⅢ系列FPGA器件上采用VERILOG語言編寫了SPI總線協(xié)議，完成了對射頻前端芯片GPS／北斗兩種工作模式的切換，使基帶可以隨時(shí)獲得兩種模式下的數(shù)據(jù)。通過驗(yàn)證，采集來的數(shù)據(jù)與期望的結(jié)果一致。同時(shí)為工程設(shè)計(jì)提供了一種原型，也為進(jìn)一步的工程開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：SPI總線協(xié)議；FPGA；射頻前端；基帶

    隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，SPI接口總線已經(jīng)成為了一種標(biāo)準(zhǔn)的接口，由于協(xié)議實(shí)現(xiàn)簡單，并且I／O資源占用少，為此SPI總線的應(yīng)用十分廣泛。目前，SPI接口的軟件擴(kuò)展方法雖然簡單方便，但若用來通信，則速度受到限制。因此，我們采用ALTERA公司的FPGA器件設(shè)計(jì)SPI總線的通信接口，該總線接口具有高速、配置靈活等優(yōu)點(diǎn)，大大地縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期。

1 SPI總線原理
1．1 SPI總線協(xié)議簡介
    SPI總線是一種全雙工同步串行接口，能夠?qū)崿F(xiàn)微控制器與外設(shè)通信。它采用主從模式架構(gòu)，支持多slave模式應(yīng)用，并且只占用芯片上四個(gè)管腳，節(jié)省了芯片的引腳。
1．2 SPI總線接口
    SPI是一個(gè)環(huán)形總線結(jié)構(gòu)，通常有4條線：串行時(shí)鐘(SCK)線、主機(jī)輸入／從機(jī)輸出(MISO)數(shù)據(jù)線，主機(jī)輸出／從機(jī)輸入(MOSI)數(shù)據(jù)線和低電平有效的從機(jī)選擇線(CS)。
    SPI總線在與外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，可根據(jù)外設(shè)的工作要求，配置SCK的相位和極性，從而產(chǎn)生不同的數(shù)據(jù)格式。如果時(shí)鐘相位CPFIA=0，數(shù)據(jù)在時(shí)鐘脈沖的前沿被采樣；如果時(shí)鐘相位CPHA=1，數(shù)據(jù)在時(shí)鐘脈沖的后沿被采樣。如果時(shí)鐘的極性CPOL=0，串行數(shù)據(jù)的移位操作由時(shí)鐘的正脈沖觸發(fā)；如果時(shí)鐘的極性CPOL=1，串行數(shù)據(jù)的移位操作由時(shí)鐘的負(fù)脈沖觸發(fā)。因此，SPI主模塊和從模塊的時(shí)鐘相位和極性應(yīng)該一致。

2 開發(fā)平臺介紹
    本文主要介紹在FPGA中實(shí)現(xiàn)基帶對射頻前端數(shù)據(jù)的采集，通過SPI總線實(shí)現(xiàn)對射頻前端模式的轉(zhuǎn)換。當(dāng)射頻前端被配置為GPS模式時(shí)，采集到的數(shù)據(jù)來自GPS衛(wèi)星；當(dāng)被配置為北斗模式時(shí)，采集到的數(shù)據(jù)來自北斗衛(wèi)星。本文選用的芯片為杭州中科微有限公司HZG09V2D和ALTERA公司Cyclone III系列中的EP3C40Q240C8。接口之問的連接關(guān)系如圖1所示。

    HZG09V2D是杭州中科微有限公司的一款射頻芯片，它是一款工作在L1頻段的多模式衛(wèi)星導(dǎo)航射頻前端接收芯片，可支持L1頻段中國北斗二代、美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐洲伽利略等多個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)。
    EP3C40Q240C8是Altera公司CycloneⅢ系列中的一款FPGA芯片，它前所未有地同時(shí)實(shí)現(xiàn)了低功耗、低成本和高性能。其中CycloneⅢFPGA在布局上提供豐富的存儲器和乘法器資源，并且所有體系結(jié)構(gòu)都含有非常高效的互聯(lián)。

3 FPGA實(shí)現(xiàn)與調(diào)試結(jié)果
3．1 實(shí)現(xiàn)步驟
    首先使用ModelSim SE 6．2對所編寫的Verilog代碼進(jìn)行編譯仿真，從而得到對功能的驗(yàn)證。再用QuartusⅡ軟件進(jìn)行編譯后，將生成的編程文件．sof文件通過JTAG下載到Altera公司CycloneⅢ系列EP3C40Q240C8運(yùn)行，在數(shù)字示波器的輔助分析下都得到了正確的結(jié)果。
3．2 模塊設(shè)計(jì)
3．2．1 分頻模塊
    由于SPI總線協(xié)議要求的SCK時(shí)鐘頻率與FPGA時(shí)鐘頻率不一致，所以對基帶時(shí)鐘進(jìn)行分頻。本文中，基帶時(shí)鐘頻率為40 MHz，SPI總線時(shí)鐘頻率為1 MHz，故需要進(jìn)行40倍分頻。
3．2．2 發(fā)送數(shù)據(jù)模塊
    在片選信號拉低之前，時(shí)鐘信必須為低電平。當(dāng)片選信號拉低后，SCK開始工作，然后寫八位地址，接著寫32位數(shù)據(jù)；發(fā)送操作結(jié)束后，片選信號拉高，SCK=0。代碼如下：
   
         
3．2．3 接收數(shù)據(jù)模塊
    當(dāng)片選拉低后，SCK=0，同時(shí)寫八位地址并且使SDA為高阻，再讀32位數(shù)據(jù)；當(dāng)片選拉高時(shí)，CS=1，SCK=0，此外，在片選信號拉低之前，SCK必須為低電平。代碼如下：
   
3．2．4 配置模塊
    配置模塊發(fā)送GPS／Compass模式配置命令給SPI功能模塊，從而實(shí)現(xiàn)一次完整的射頻前端工作模式配置。其中，射頻前端有5個(gè)與SPI相關(guān)的配置寄存器，具體模式配置命令如下：
   
3．3 仿真結(jié)果
    在GPS模式下，實(shí)現(xiàn)了寄存器的讀寫時(shí)序，如圖2所示。

    在GPS／Compass模式下，實(shí)現(xiàn)了5個(gè)地址的寫操作和讀操作。在基帶處理中，將讀出來的數(shù)據(jù)與設(shè)定好的配置的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，當(dāng)結(jié)果一致后，就完成了一次正確的配置操作。如圖3所示。
3．4 RTL視圖
    RTL視圖由兩個(gè)模塊組成，分別為ModeSet和newspi，其中ModeSet模塊的功能是發(fā)送命令來配置射頻前端的模式，newspi模塊實(shí)現(xiàn)射頻前端和基帶之間具體的數(shù)據(jù)讀寫。如圖4所示。

4 結(jié)語
    在現(xiàn)代SPI總線得到了廣泛的應(yīng)用，它能夠有效地與FPGA編程結(jié)合在一起，利用FPGA的靈活性，將大大減少了電子設(shè)計(jì)的開發(fā)周期。本文通過FPGA實(shí)現(xiàn)了射頻前端GPS／北斗模式的切換，為將來射頻前端多模設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)，并且可通過外部器件查看讀寫操作是否完成，從而實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)配置。