基于FPGA的SPI总线在软件接收机上的应用

摘要：在软件接收机的研究中，为了实现在GPS或者北斗模式下基带对射频前端数据的采集，在Altera公司的CycloneⅢ系列FPGA器件上采用VERILOG语言编写了SPI总线协议，完成了对射频前端芯片GPS／北斗两种工作模式的切换，使基带可以随时获得两种模式下的数据。通过验证，采集来的数据与期望的结果一致。同时为工程设计提供了一种原型，也为进一步的工程开发奠定了基础。
关键词：SPI总线协议；FPGA；射频前端；基带

    随着现代技术的发展，SPI接口总线已经成为了一种标准的接口，由于协议实现简单，并且I／O资源占用少，为此SPI总线的应用十分广泛。目前，SPI接口的软件扩展方法虽然简单方便，但若用来通信，则速度受到限制。因此，我们采用ALTERA公司的FPGA器件设计SPI总线的通信接口，该总线接口具有高速、配置灵活等优点，大大地缩短了系统的开发周期。

1 SPI总线原理
1．1 SPI总线协议简介
    SPI总线是一种全双工同步串行接口，能够实现微控制器与外设通信。它采用主从模式架构，支持多slave模式应用，并且只占用芯片上四个管脚，节省了芯片的引脚。
1．2 SPI总线接口
    SPI是一个环形总线结构，通常有4条线：串行时钟(SCK)线、主机输入／从机输出(MISO)数据线，主机输出／从机输入(MOSI)数据线和低电平有效的从机选择线(CS)。
    SPI总线在与外设进行数据交换时，可根据外设的工作要求，配置SCK的相位和极性，从而产生不同的数据格式。如果时钟相位CPFIA=0，数据在时钟脉冲的前沿被采样；如果时钟相位CPHA=1，数据在时钟脉冲的后沿被采样。如果时钟的极性CPOL=0，串行数据的移位操作由时钟的正脉冲触发；如果时钟的极性CPOL=1，串行数据的移位操作由时钟的负脉冲触发。因此，SPI主模块和从模块的时钟相位和极性应该一致。

2 开发平台介绍
    本文主要介绍在FPGA中实现基带对射频前端数据的采集，通过SPI总线实现对射频前端模式的转换。当射频前端被配置为GPS模式时，采集到的数据来自GPS卫星；当被配置为北斗模式时，采集到的数据来自北斗卫星。本文选用的芯片为杭州中科微有限公司HZG09V2D和ALTERA公司Cyclone III系列中的EP3C40Q240C8。接口之问的连接关系如图1所示。

    HZG09V2D是杭州中科微有限公司的一款射频芯片，它是一款工作在L1频段的多模式卫星导航射频前端接收芯片，可支持L1频段中国北斗二代、美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧洲伽利略等多个导航系统。
    EP3C40Q240C8是Altera公司CycloneⅢ系列中的一款FPGA芯片，它前所未有地同时实现了低功耗、低成本和高性能。其中CycloneⅢFPGA在布局上提供丰富的存储器和乘法器资源，并且所有体系结构都含有非常高效的互联。

3 FPGA实现与调试结果
3．1 实现步骤
    首先使用ModelSim SE 6．2对所编写的Verilog代码进行编译仿真，从而得到对功能的验证。再用QuartusⅡ软件进行编译后，将生成的编程文件．sof文件通过JTAG下载到Altera公司CycloneⅢ系列EP3C40Q240C8运行，在数字示波器的辅助分析下都得到了正确的结果。
3．2 模块设计
3．2．1 分频模块
    由于SPI总线协议要求的SCK时钟频率与FPGA时钟频率不一致，所以对基带时钟进行分频。本文中，基带时钟频率为40 MHz，SPI总线时钟频率为1 MHz，故需要进行40倍分频。
3．2．2 发送数据模块
    在片选信号拉低之前，时钟信必须为低电平。当片选信号拉低后，SCK开始工作，然后写八位地址，接着写32位数据；发送操作结束后，片选信号拉高，SCK=0。代码如下：
   
         
3．2．3 接收数据模块
    当片选拉低后，SCK=0，同时写八位地址并且使SDA为高阻，再读32位数据；当片选拉高时，CS=1，SCK=0，此外，在片选信号拉低之前，SCK必须为低电平。代码如下：
   
3．2．4 配置模块
    配置模块发送GPS／Compass模式配置命令给SPI功能模块，从而实现一次完整的射频前端工作模式配置。其中，射频前端有5个与SPI相关的配置寄存器，具体模式配置命令如下：
   
3．3 仿真结果
    在GPS模式下，实现了寄存器的读写时序，如图2所示。

    在GPS／Compass模式下，实现了5个地址的写操作和读操作。在基带处理中，将读出来的数据与设定好的配置的数据进行对比，当结果一致后，就完成了一次正确的配置操作。如图3所示。
3．4 RTL视图
    RTL视图由两个模块组成，分别为ModeSet和newspi，其中ModeSet模块的功能是发送命令来配置射频前端的模式，newspi模块实现射频前端和基带之间具体的数据读写。如图4所示。

4 结语
    在现代SPI总线得到了广泛的应用，它能够有效地与FPGA编程结合在一起，利用FPGA的灵活性，将大大减少了电子设计的开发周期。本文通过FPGA实现了射频前端GPS／北斗模式的切换，为将来射频前端多模设计奠定了基础，并且可通过外部器件查看读写操作是否完成，从而实现了实时配置。