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  • 本次介绍ADI公司的数字频率合成(DDS)芯片——AD9850以及如何使用FPGA控制其输出正弦波。 本文分三个部分讲解:一是AD9850芯片介绍,包括基本...2、通信协议:实际上属于SPI协议的变种。串行时很好理解,并行时可...

    本次介绍ADI公司的数字频率合成(DDS)芯片——AD9850以及如何使用FPGA控制其输出正弦波。

    本文分三个部分讲解:一是AD9850芯片介绍,包括基本引脚功能、驱动时序以及相关注意事项;二是基于FPGA的AD9850的驱动的建模;三是仿真和调试结果。

     

    PART1:AD9850认知

    1、模式选择:并行和串行两种。

    2、通信协议:实际上属于SPI协议的变种。串行时很好理解,并行时可以理解为在时钟的上升沿将整个字节的数据并行采集,这里将这种spi模式定义为并行spi

    3、寄存器配置:内部包含两个两个寄存器,相位控制寄存器(8bit)和频率控制寄存器(32bit,可分成4个8bit寄存器),总40bit,分为5个控制字写入,从高位到低位每8bit为一个控制字寄存器,分别为W0、W1、W2、W3、W4。相位寄存器(命为W0),其中W0_bit2-bit0=000(无论串并模式,手册中其他组合定义为厂家模式,慎用),实际上,配置W0=8’h00(0°相位)即可,高5位为初相位配置数据位。

    W1-W4共4个控制字组成32bit的频率寄存器。故fo=reg_dds*f_osc/2^32.(单位为MHz)

    3、并行模式,先后写入的控制字顺序为W0-W1----W4。

    4、极限输出:

    理论上,fo_max=1/2*f_osc,取f_osc=125MHz时,fo_max=62.5MHz,实际上输出40MHz(芯片手册说的输出f不超过0.33*fosc,125MHz时约41.25MHz)是没有问题的。频率越高,输出的信号幅值越低(正常的,这是因为输出呈sinc(Sa函数)规律)。

    4、芯片正常工作时,5V、125MHz晶振,Pidss=380mW(典型值),实际上这个时候芯片是比较烫的,属于正常现象,也符合电流型输出特点(并不像芯片吹的低功耗)。

    5、方波输出(可以调节占空比)功能,正常时需要调节模块的滑动变阻器(修改比较器的门限值),虽然手册上声称内部含有高速比较器,但实际上最高输出方波的频率理论上不超过1MHz(内部比较器的输出带宽有限,导致方波的告辞谐波丢失严重,进而出现失真),如果想获得高频的方波,可以采用TLV3502代替内部比较器,这块片子输出50MHz方波是没有问题的。

    NOTE:方波测量时最好不开启带宽限制(特别是有些示波器具有数字滤波功能);dds的测量最好使用频谱分析仪等仪器测试(有条件的选手)。

    6、通信协议的时序要求(见下图)

    【1】主电路复位

     【2】数据写入(并行)

     【3】总体时序参数

    以上是AD9850的相关介绍,下面介绍FPGA建模。

     

    PART2:fpga建模

    Step1:spi主体建模

    由前所述,特提出并行spi,值得是在时钟边沿写入一个字节数据,谓之并行,很明显这种形式的spi具有较高的传输效率和速率。这样,结合之前写过的spi时序,进行简单的修改便可完成主体通信时序的建模。具体修改如下:定义并行接口(只需要将sda设置成并行的端口,位数为8)。

    //AD9850并行数据
    always @ (posedge clk, negedge rst_n) begin
    	if (!rst_n)
    		sda <= {D0_WID{1'b0}};
    	else if ((state == WRITE || state == START) && sclk_cnt == 4'd0)
    		sda <= sda_buf;
    end
    
    always @ (*) begin
    	case (bit_cnt)
    		5'd0: 	sda_buf = sda_buf1[7 : 0];
    		5'd4: 	sda_buf = sda_buf1[15 : 8];
    		5'd3: 	sda_buf = sda_buf1[23 : 16];
    		5'd2: 	sda_buf = sda_buf1[31 : 24];
    		5'd1: 	sda_buf = sda_buf1[39 : 32];
    		default: 	sda_buf = {D0_WID{1'b0}};
    	endcase
    end
    

    NOTE:本次设计中的40bit的寄存器数据,其中第一个自己数据W0放在了sda_buf1的低8位,实际上,最好将其放在最高位,那么,上述代码的cade语句中,bit_cnt==5'd0时,就应该赋值39:32,其余的按照规律输出即可。

    此外,还需要加上一个复位输出功能,如上,模块含有整体复位功能,实际上可以使用fpga主板的复位引脚给之复位(注意,模块复位是高电平,fpga是低电平)。这里,简单的采用一个计数器完成该部分功能,具体不做展示。

     

    Step2:数据供给模块建模

    简单说,就是给AD9850的40bit的寄存器的值,即遗传01代码,作为验证程序,这里从简即可。具体的思路是,通过fpga主板上的按键外设作为系统输入,判断按键的输入键值,进行相应译码,得到对应的寄存器目标配置值。本次设计设定了5中输出频率,对应关系如下:

    表1 频率值对应16进制数值

    频率输出(MHz)

    1KHz

    1

    10

    20

    40

    50

    16进制值

    00008637

    020c49ba

    147ae147

    28f5c28f

    51eb851e

    66666666

    由于采用了按键,最好加上按键消抖,此模块之前已经做了介绍(代码资料可在我的主页下载,博客中有相关模块的说明)。

     

    Step3:仿真和调试结果

    简单仿真,得到的仿真结果基本符合时序要求。以下直接给出调试结果:

    图1:1KHz输出

    图2:1MHz输出

    图3:10MHz输出

    图4:20MHz输出

    图5:40MHz输出

    图6:50MHz输出

    通过简单的按键输入,即可使得输出在以上几个频点值之间进行切换输出,且在示波器观察到的波形效果较好,知本次建模完成了相应功能。

     

    最后,习惯给出整体的RTL功能视图:

    代码的下载连接如下:https://download.csdn.net/download/huigeyu/11306373

     

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  • 基于FPGA的并行数据转SPI接口设计.pdf
  • 对于某些低功耗应用,串行SPI NOR闪存变得比并行NOR闪存设备更受欢迎。与串行SPI NOR闪存相比,并行NOR闪存具有并行性,因此吞吐量更高。但是随着串行SPI NOR闪存设备中多通道(2-8条并行数据线)支持的出现,它现在...

    NOR闪存由于其可靠的数据存储而已在嵌入式设备中广泛使用了很长时间。对于某些低功耗应用,串行SPI NOR闪存变得比并行NOR闪存设备更受欢迎。与串行SPI NOR闪存相比,并行NOR闪存具有并行性,因此吞吐量更高。但是随着串行SPI NOR闪存设备中多通道(2-8条并行数据线)支持的出现,它现在在低功耗设备中变得越来越流行。这些闪存设备主要用于嵌入式系统中以存储引导代码,有时还用作存储元素。这些引导设备使用就地执行(在此称为XIP)方法来执行本机存储设备中的代码。XIP方法与代码在执行之前首先从其起始位置移动的方法形成对比。由于无需在执行之前移动代码,XIP方法通常会减少所需的内存组件数量并缩短启动时间。SPI器件的新创新,例如八进制传输格式和DDR操作,使它们能够以极高的速度使用并改善系统性能。本文介绍了可用于利用存储设备提供的XIP功能的系统级别和存储设备策略。

    串行VS并行NOR器件

    NOR设备有两种主要类型:串行和并行。串行SPI NOR闪存提供通过小引脚数串行接口(例如SPI)的访问。这些器件由于引脚数少且封装尺寸小,因此是针对成本和尺寸受限的应用的。尽管并行NOR设备具有更宽的接口,因此具有更高的性能,但与串行设备相比,它需要更大的封装和更高的成本。这就是为什么串行SPI NOR闪存设备通常出现在空间和功耗受限的设计中的原因,例如手持设备,仪表和传感器,机顶盒(STB)和打印机,本地路由器和硬盘驱动器。并行NOR设备的XIP性能比串行SPI NOR闪存好得多,但是由于其低成本和低功耗,串行SPI NOR闪存设备已在嵌入式系统中变得越来越流行。对于并行NOR,典型带宽在133 MHz时钟上可获得250 MBps,而对于串行SPI NOR闪存,典型速度为108 MHz时钟为54 MBps。

    串行或非串行设备

    串行SPI NOR闪存设备使用I2C,Microwire和SPI等协议与存储器接口。所有这些协议都使用一条/两条数据线来与设备接口。SPI协议的最新增强功能,例如引入了双模式,四模式和八进制模式以及执行DDR操作的能力,使SPI成为更高吞吐量的首选。SPI最初是由两根数据线和一条时钟线组成的三线协议,但是由于嵌入式设备对吞吐量的更高要求,各种供应商已经引入了新的多通道协议来改善设备的性能。
    在这里插入图片描述
    通过改进的SPI设备中还引入了双重数据速率协议,这进一步推动了吞吐量的界限。图1显示了SDR工作频率为108 MHz,DDR频率为133 MHz的各种SPI设备的吞吐量。新的SPI器件即将面市,它在SDR中提供高达133 MHz的频率支持,在DDR模式下提供80 MHz的支持,分别导致133MBps和160MBps的吞吐量。这些创新已大大缩小了并行和NOR闪存设备之间的差距,为高吞吐量要求的系统提供了一种低成本解决方案。

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  • 五、具体通信协议(SPI/I2C/UART/USART/RS485/CAN) SPI---------同步通信;串行通信;全双工;主从通信(某一时刻可以出现多个从机,但只能存在一个主机,主机通过片选线来确定要通信的从机)。 I2C---------同步通信...

    一、异步通信

    1. 所谓异步通信是指数据传送以字符为单位,字符与字符间的传送是完全异步的,位与位之间传送基本同步。
    2. 发送方发出数据后,不等接收方发回响应,接着发送下个数据包的通讯方式。
    3. 以字符为单位传送信息。
    4. 相邻两字符间隔长度不确定。
    5. 必须在每一个字符的开始和结束的地方加上标志,即加上开始位和停止位,以便使接收端能够正确地将每一个字符接收下来。
    6. 异步通信时不要求接收端时钟和发送端时钟同步。

    二、同步通信

    1. 所谓同步通信,是指数据传送是以数据块(一组字符)为单位,字符与字符之间,字符内部的位与位之间都同步。
    2. 发送方发出数据后,等接收方发回响应以后才发下一个数据包的通讯方式。
    3. 以数据块为单位传送信息。
    4. 在一个数据块(信息帧)内,字符与字符与字符间无间隔。
    5. 因为一次传输的数据块中包含的数据较多,所以接收时钟与发送时钟严格同步,通常要有同步时钟。
    6. 同步通信要求接收端时钟频率和发送端时钟频率一致,发送端发送连续的比特流。

    三、串行与并行通信

    1. 串行通信指计算机与I/O设备之间数据传输的各位按顺序依次一位接一位进行传送。通常数据在一根数据线或一对差分线上传输。
    2. 并行通信是指计算机与I/O口设备间通过多条传输线交换数据,数据的各位同时进行传送。
    3. 串行通信传输速度慢,但使用传输设备成本低,适合于远程通信;并行通信的速度快,但传输设备成本高,适合于近距离通信。

    四、串行通信数据传送方向

    1. 单工:是指数据传输仅能沿一个方向,不能实现反向传输。
    2. 半双工:是指数据传输可以沿两个方向,但需要分时进行传输。
    3. 全双工:是指数据可以同时进行双向传输。

    五、具体通信协议(SPI/I2C/UART/USART/RS485/CAN)

    1. SPI---------同步通信;串行通信;全双工;主从通信(某一时刻可以出现多个从机,但只能存在一个主机,主机通过片选线来确定要通信的从机)。

    2. I2C---------同步通信;串行通信;半双工;主从通信(总线上支持多个主机和多个从机,总线上任何能够进行发送/接收数据的设备都可以占领总线。当然,任意时间点上只能存在一个主控。多主控,主器件同时争夺总线控制权时,可仲裁)。

    3. UART-----异步通信;串行通信;全双工; 对等总线,没有仲裁机制,所以只能挂载两个同时收发数据的设备,双方都可以发送和接收。

    4. USART—通用同步异步收发器,跟uart一样,它是个设备,一个要完成特定功能的硬件,本身不是协议…

    5. RS485----异步通信;串行通信;半双工;RS485是单主从结构,即一个总线上只能有一台主机,通讯都由它发起的,它没有下命令,下面的节点不能发送,而且要发完即答,收到答复后,主机才向下一个节点询问,这样是为了防止多个节点向总线发送数据,而造成数据错乱。

    6. CAN-------异步通信;串行通信;半双工;CAN是多主从结构,每个节点都有CAN控制器,多个节点发送时,以发送的ID号自动进行仲裁,这样就可以实现总线数据不错乱,而且一个节点发完,另一个节点可以探测到总线空闲,而马上发送,这样省了主机的问,提高了总线利用率,增强了快速性。所以在汽车等实性要求高的系统,都是用CAN总线。

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  • SPI

    2019-07-17 17:11:26
    转载http://www.sohu.com/a/270796067_288206 一文读懂 4 线 SPI 2018...

    转载http://www.sohu.com/a/270796067_288206

    一文读懂 4 线 SPI

    原标题:一文读懂 4 线 SPI

    串行外设接口 (SPI) 是微控制器和外围 IC(如传感器、ADC、DAC、移位寄存器、SRAM等)之间使用最广泛的接口之一。

    SPI 是一种同步、全双工、主从式接口。来自主机或从机的数据在时钟上升沿或下降沿同步。主机和从机可以同时传输数据。SPI 接口可以是3线式或4线式。本文重点介绍常用的4线SPI接口。

    接 口

    4 线 SPI 器件有四个信号:

    • 时钟(SPICLK,SCLK)
    • 片选(CS)主机输出
    • 从机输入(MOSI)主机输入
    • 从机输出(MISO)

    产生时钟信号的器件称为主机。主机和从机之间传输的数据与主机产生的时钟同步。同I2C接口相比,SPI器件支持更高的时钟频率。用户应查阅产品数据手册以了解SPI接口的时钟频率规格。

    SPI接口只能有一个主机,但可以有一个或多个从机。图1显示了主机和从机之间的SPI连接。

    图1. 含主机和从机的SPI配置

    来自主机的片选信号用于选择从机。这通常是一个低电平有效信号,拉高时从机与SPI总线断开连接。当使用多个从机时,主机需要为每个从机提供单独的片选信号。本文中的片选信号始终是低电平有效信号。

    MOSI和MISO是数据线。MOSI将数据从主机发送到从机,MISO将数据从从机发送到主机。

    数据传输

    要开始SPI通信,主机必须发送时钟信号,并通过使能CS信号选择从机。片选通常是低电平有效信号。因此,主机必须在该信号上发送逻辑0以选择从机。SPI是全双工接口,主机和从机可以分别通过MOSI和MISO线路同时发送数据。在SPI通信期间,数据的发送(串行移出到MOSI/SDO总线上)和接收(采样或读入总线(MISO/SDI)上的数据)同时进行。串行时钟沿同步数据的移位和采样。SPI接口允许用户灵活选择时钟的上升沿或下降沿来采样和/或移位数据。欲确定使用SPI接口传输的数据位数,请参阅器件数据手册。

    时钟极性和时钟相位

    在SPI中,主机可以选择时钟极性和时钟相位。在空闲状态期间,CPOL位设置时钟信号的极性。空闲状态是指传输开始时CS为高电平且在向低电平转变的期间,以及传输结束时CS为低电平且在向高电平转变的期间。CPHA位选择时钟相位。根据CPHA位的状态,使用时钟上升沿或下降沿来采样和/或移位数据。主机必须根据从机的要求选择时钟极性和时钟相位。根据CPOL和CPHA位的选择,有四种SPI模式可用。表1显示了这4种SPI模式。

    表1.通过CPOL和CPHA选择SPI模式

    图2至图5显示了四种SPI模式下的通信示例。在这些示例中,数据显示在MOSI和MISO线上。传输的开始和结束用绿色虚线表示,采样边沿用橙色虚线表示,移位边沿用蓝色虚线表示。请注意,这些图形仅供参考。要成功进行SPI通信,用户须参阅产品数据手册并确保满足器件的时序规格。

    图2. SPI模式0,CPOL = 0,CPHA = 0:CLK空闲状态 = 低电平,数据在上升沿采样,并在下降沿移出

    图3给出了SPI模式1的时序图。在此模式下,时钟极性为0,表示时钟信号的空闲状态为低电平。此模式下的时钟相位为1,表示数据在下降沿采样(由橙色虚线显示),并且数据在时钟信号的上升沿移出(由蓝色虚线显示)。

    图3. SPI模式1,CPOL = 0,CPHA = 1:CLK空闲状态 = 低电平,数据在下降沿采样,并在上升沿移出

    图4. SPI模式2,CPOL = 1,CPHA = 1:CLK空闲状态 = 高电平,数据在下降沿采样,并在上升沿移出

    图4给出了SPI模式2的时序图。在此模式下,时钟极性为1,表示时钟信号的空闲状态为高电平。此模式下的时钟相位为1,表示数据在下降沿采样(由橙色虚线显示),并且数据在时钟信号的上升沿移出(由蓝色虚线显示)。

    图5. SPI模式3,CPOL = 1,CPHA = 0:CLK空闲状态 = 高电平,数据在上升沿采样,并在下降沿移出

    图5给出了SPI模式3的时序图。在此模式下,时钟极性为1,表示时钟信号的空闲状态为高电平。此模式下的时钟相位为0,表示数据在上升沿采样(由橙色虚线显示),并且数据在时钟信号的下降沿移出(由蓝色虚线显示)。

    多从机配置

    多个从机可与单个SPI主机一起使用。从机可以采用常规模式连接,或采用菊花链模式连接。

    常规SPI模式

    在常规模式下,主机需要为每个从机提供单独的片选信号。一旦主机使能(拉低)片选信号,MOSI/MISO线上的时钟和数据便可用于所选的从机。如果使能多个片选信号,则MISO线上的数据会被破坏,因为主机无法识别哪个从机正在传输数据。

    从图6可以看出,随着从机数量的增加,来自主机的片选线的数量也增加。这会快速增加主机需要提供的输入和输出数量,并限制可以使用的从机数量。可以使用其他技术来增加常规模式下的从机数量,例如使用多路复用器产生片选信号。

    图6. 多从机SPI配置

    菊花链模式

    在菊花链模式下,所有从机的片选信号连接在一起,数据从一个从机传播到下一个从机。在此配置中,所有从机同时接收同一SPI时钟。来自主机的数据直接送到第一个从机,该从机将数据提供给下一个从机,依此类推。

    使用该方法时,由于数据是从一个从机传播到下一个从机,所以传输数据所需的时钟周期数与菊花链中的从机位置成比例。例如在图7所示的8位系统中,为使第3个从机能够获得数据,需要24个时钟脉冲,而常规SPI模式下只需8个时钟脉冲。

    图7. 多从机SPI菊花链配置

    图8显示了时钟周期和通过菊花链的数据传播。并非所有SPI器件都支持菊花链模式。请参阅产品数据手册以确认菊花链是否可用。

    图8. 菊花链配置:数据传播

    ADI 支持 SPI 的模拟开关与多路转换器

    ADI公司最新一代支持SPI的开关可在不影响精密开关性能的情况下显著节省空间。本文的这一部分将讨论一个案例研究,说明支持SPI的开关或多路复用器如何能够大大简化系统级设计并减少所需的GPIO数量。

    ADG1412是一款四通道、单刀单掷(SPST)开关,需要四个GPIO连接到每个开关的控制输入。图9显示了微控制器和一个ADG1412之间的连接。

    图9. 微控制器GPIO用作开关的控制信号

    随着电路板上开关数量的增加,所需GPIO的数量也会显著增加。例如,当设计一个测试仪器系统时,会使用大量开关来增加系统中的通道数。在4×4交叉点矩阵配置中,使用四个ADG1412。此系统需要16个GPIO,限制了标准微控制器中的可用GPIO。图10显示了使用微控制器的16个GPIO连接四个ADG1412。

    图10. 在多从机配置中,所需GPIO的数量大幅增加

    如何减少 GPIO 数量?

    一种方法是使用串行转并行转换器,如图11所示。该器件输出的并行信号可连接到开关控制输入,器件可通过串行接口SPI配置。此方法的缺点是外加器件会导致物料清单增加。

    图11. 使用串行转并行转换器的多从机开关

    另一种方法是使用SPI控制的开关。此方法的优点是可减少所需GPIO的数量,并且还能消除外加串行转并行转换器的开销。如图12所示,不需要16个微控制器GPIO,只需要7个微控制器GPIO就可以向4个ADGS1412提供SPI信号。开关可采用菊花链配置,以进一步优化GPIO数量。在菊花链配置中,无论系统使用多少开关,都只使用主机(微控制器)的四个GPIO。

    图12. 支持SPI的开关节省微控制器GPIO

    图13用于说明目的。ADGS1412数据手册建议在SDO引脚上使用一个上拉电阻。为简单起见,此示例使用了四个开关。随着系统中开关数量的增加,电路板简单和节省空间的优点很重要。

    图13. 菊花链配置的SPI开关可进一步优化GPIO

    在6层电路板上放置8个四通道SPST开关,采用4×8交叉点配置时,ADI 公司支持 SPI 的开关可节省20%的总电路板空间。

    支持 SPI 的开关666,为它点赞!返回搜狐,查看更多

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  • SPI的设计思路

    2020-11-14 10:12:00
    PIC16F877A的MSSP模块工作于SPI主控方式下,通过一个串/并行转换移位寄存器将SDO口送出的串行数据转换为并行数据,驱动LED数码管依次显示1~8等8个字符。  欢迎转载,信息来源维库电子市场网(www.dzsc.com) ...
  • SPI 通信协议

    2020-12-17 16:21:37
    并行通信二、SPI 如何工作1.1.SPI信号列表1.2.SPI工作模式1.3.SPI特点——同步、串行、全双工、主从结构三、SPI数据传输步骤3.1.时钟极性CPOL与时钟相位CPHA3.2.时序图3.3. SPI数据传输步骤四、SPI总线的优点与缺点...
  • linux spi

    千次阅读 2018-01-01 23:14:27
    前言:  linux spi驱动分层架构包括,应用层、系统调用层、spi接口层、spi核心层、spi驱动层、spi从设备,本博客首先分析spi-platfrom设备驱动的注册,从设备m25p80是如何绑定到spi总线上,...1.spi驱动框架 1.1.硬
  • SPI 通信

    2021-02-04 11:53:31
    串行外围设备接口(SPI:Serial Peripheral Interface)总线是由Motorola开发的,用于在从设备之间提供全双工同步串行通信。 SPI总线通常用于与闪存,传感器,实时时钟(RTC),模数转换器等进行通信。SPI是一主多从...
  • 【原创】【SPISPI Flash介绍

    万次阅读 多人点赞 2018-03-25 22:28:30
    一、这是个什么玩意首先它是个Flash...那么严格的来说SPI Flash是一种使用SPI通信的Flash,即,可能指NOR也可能是NAND。但现在大部分情况默认下人们说的SPI Flash指的是SPI NorFlash。早期Norflash的接口是parallel...

空空如也

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并行spi