引言

SPI總線系統是一種同步串行外設接口，它可以使MCU與各種外圍設備以串行方式進行通信以交換信息。外圍設置FLASHRAM、網絡控制器、LCD顯示驅動器、A/D轉換器和MCU等。SPI總線系統可直接與各個廠家生產的多種標準外圍器件直接接口，該接口一般使用4條線：串行時鐘線（SCLK）、主機輸入/從機輸出數據線MISO、主機輸出/從機輸入數據線MOSI和低電平有效的從機選擇線SS（有的SPI接口芯片帶有中斷信號線INT、有的SPI接口芯片沒有主機輸出/從機輸入數據線MOSI）。Altera公司的EDA設計工具中有自帶的SPI總線控制IP核，但目前介紹該IP核具體應用的文獻不多，本文結合我們在微投影系統研究中的需求，給出了該SPI IP核的應用實例。

1、 SPI核的工作原理

1．1 硬件結構

SPI核的硬件結構如圖1所示，主要由波特率分頻器、發送數據寄存器、接收數據寄存器、狀態寄存器和控制寄存器組成。波特率分頻器主要將Avalon的系統時鐘進行分頻，SCK可以配置的頻率=Avalon系統時鐘頻率／（2的倍數）。

該IP核可以配置為主和從兩種模式。本設計為嵌入在FPGA中SPI核為主工作模式，可以控制最多16個從設備，如圖1所示的SEN0～SENl5。只有一個器件時，默認為SEN0信號。SPI核傳輸的數據寬度是由用戶配置的，可在1～32位之間，當一次數據傳輸結束之后SPI核發出一個中斷請求。

主要實現兩種傳輸邏輯（以主模式為例）：

①發送邏輯。待發送的數據由Avalon從端口送入發送數據寄存器，再移入移位寄存器中，SCK跳變沿到來時開始數據傳輸（經SDAT信號線發出，先移入的數據是高位還是低位，取決于SOPC Builder的配置）。

②接收邏輯。移位寄存器捕獲到完整的數據后，再將其移入接收數據寄存器中（由SDO信號線捕獲數據）。

1．2 軟件結構

目前，在采用32位的軟核Nios II處理器中，提供了4層軟件開發模式：Nios II系統硬件，驅動程序層，硬件抽象層應用程序接口（HAL API），應用程序層。SPI核的應用和軟件結構如圖2所示。

2 、SPI核的庫函數及其使用

該IP核的APl函數為alt_avalon_spi_command（），其原型為：

flags——置1時表示執行完該函數后，SS_N保持寫／讀操作相同的電平；置0時表示執行完該函數后，SS_N為寫／讀操作相反的電平。

alt u8、alt u32分別是Altera系統中定義的8位、32位無符號數。

3、應用實例

微投影光機得以量產化以來，其所應用的相關技術也越受關注。這些技術可按照顯示元件的不同約分為三大類別，一為德州儀器（TI）所主導的DLP；二為以3M為代表的LCOS；三為以Microvision 為主導的MEMS激光掃描。

本設計使用的是鎂光公司的MT7DPWV2F鐵電硅基液晶（FLCOS），FLCOS比一般的LCOS在色彩對比度、液晶像素響應時間方面更為出色。該芯片的主要參數：像素分辨率為852×480，顏色深度24位，對比度300：1，光學鏡面反射率63％，尺寸23.4mm×9.8 mm×3．6 mm，功耗僅為75 mW。

圖3為微投影系統視頻處理與控制SOPC系統示意圖，總線上掛接了包括微處理器、Flash控制器、SDRAM控制器等。復合視頻信號經過硬件解碼后進入視頻處理模塊（完成去隔行處理、色空間轉換等功能），SPI控制器模塊和顯示控制器模塊一起控制片外的FLCOS芯片。FLCOS產生的圖像經過光學引擎放大，投影到屏幕上面來。

該FLCOS芯片有數十個可配置的內部寄存器，根據具體應用的需求，有4個寄存器是必須初始化配置的。

①休眠控制寄存器（地址為0x06）。如圖4所示，該寄存器默認值為00H，需要將bit3位改為1，芯片才能從睡眠模式進入工作模式。

②同步信號極性控制寄存器（地址為0x02）。如圖5所示，該寄存器默認值為C0h，將其bit7、bit6兩位改為0，以符合顯示時序控制器同步信號高電平有效的時序要求。

③LED輸出控制寄存器（地址為0x05）。如圖6所示，該寄存器默認值為09h，需要將bit5、bit6改為1，從而芯片能發出高電平有效的LED驅動信號，bit3到bit0默認為9h表示圖像的伽馬值為2．1。

④像素時鐘控制寄存器（地址為0x0f）。如圖7所示，默認值為40h，該寄存器需要配置為像素時鐘大小的2倍。由于本設計使用的像素時鐘為27 MHz，27×2=54，轉為十六進制數即為36h。

FLCOS芯片的初始化過程如圖8所示。上電后，芯片進入睡眠狀態，就需要對芯片進行SPI初始化配置，即對微投影寄存器進行寫操作，其時序如圖9所示。讀操作時要求器件地址（共8位）的最高位為1，寫操作時要求器件地址（共8位）的最高位為0。

作為SPI驗證的例子，先向微投影芯片地址為0x06的存儲單元寫入數據0x08后再從中讀出，并通過QuartusII內嵌的SignalTap II邏輯分析工具捕獲如下信號，依次為SPI片選信號SEN0、時鐘信號SCK和數據信號SDAT、SD0。結果顯示，所得到的這一寫入、讀出過程時序與圖9要求的芯片寫入、讀出時序一致。

芯片的初始化代碼如下：

4、結語

SPI IP核作為自定義組件加載到SOPC系統中，應用于微投影芯片上并實現其初始化。SPI接口十分廣泛，本文著重講解了如何配置芯片的寄存器使其工作，并通過實例清楚的闡述，實驗表明該IP核配置靈活，便于移植。

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