摘要：介紹了SPI總線控制器IP核的硬件結(jié)構(gòu)與應(yīng)用方法，并著重介紹了該IP核在微投影系統(tǒng)中的使用，以完成微顯示芯片的初始化。實驗表明，該SPI總線接口使用靈活，便于移植，并且穩(wěn)定可靠。
關(guān)鍵詞：SPI總線控制器；Nios II處理器；IP核；可編程片上系統(tǒng)；微投影

引言
    SPI總線作為一種簡單高效的4線串行傳輸總線，在電子器件和系統(tǒng)中應(yīng)用非常普遍，由于其輸入和輸出的信號線彼此獨立，因而傳輸可靠性更好。Altera公司的EDA設(shè)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(yīng)用的文獻(xiàn)不多，本文結(jié)合我們在微投影系統(tǒng)研究中的需求，給出了該SPI IP核的應(yīng)用實例。

1 SPI核的工作原理
1．1 硬件結(jié)構(gòu)
    SPI核的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由波特率分頻器、發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器、接收數(shù)據(jù)寄存器、狀態(tài)寄存器和控制寄存器組成。波特率分頻器主要將Avalon的系統(tǒng)時鐘進(jìn)行分頻，SCK可以配置的頻率=Avalon系統(tǒng)時鐘頻率／(2的倍數(shù))。

    該IP核可以配置為主和從兩種模式。本設(shè)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(shè)備，如圖1所示的SEN0～SENl5。只有一個器件時，默認(rèn)為SEN0信號。SPI核傳輸?shù)臄?shù)據(jù)寬度是由用戶配置的，可在1～32位之間，當(dāng)一次數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束之后SPI核發(fā)出一個中斷請求。
    主要實現(xiàn)兩種傳輸邏輯(以主模式為例)：
    ①發(fā)送邏輯。待發(fā)送的數(shù)據(jù)由Avalon從端口送入發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器，再移入移位寄存器中，SCK跳變沿到來時開始數(shù)據(jù)傳輸(經(jīng)SDAT信號線發(fā)出，先移入的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)后，再將其移入接收數(shù)據(jù)寄存器中(由SDO信號線捕獲數(shù)據(jù))。
1．2 軟件結(jié)構(gòu)
    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(fā)模式：Nios II系統(tǒng)硬件，驅(qū)動程序?qū)樱布橄髮討?yīng)用程序接口(HAL API)，應(yīng)用程序?qū)?。SPI核的應(yīng)用和軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

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2 SPI核的庫函數(shù)及其使用
    該IP核的APl函數(shù)為alt_avalon_spi_command()，其原型為：
   
    flags——置1時表示執(zhí)行完該函數(shù)后，SS_N保持寫／讀操作相同的電平；置0時表示執(zhí)行完該函數(shù)后，SS_N為寫／讀操作相反的電平。
    alt u8、alt u32分別是Altera系統(tǒng)中定義的8位、32位無符號數(shù)。

3 應(yīng)用實例
    微投影技術(shù)顯示是目前投影的一個研究焦點，主流的技術(shù)包括：MOEMS微光機(jī)電微鏡偏轉(zhuǎn)技術(shù)、基于數(shù)字微鏡芯片的DLP技術(shù)和基于硅基液晶的LCOS技術(shù)。三種技術(shù)相比，LCOS具有成本低、體積小、低功耗等優(yōu)點。
    本設(shè)計使用的是鎂光公司的MT7DPWV2F鐵電硅基液晶(FLCOS)，F(xiàn)LCOS比一般的LCOS在色彩對比度、液晶像素響應(yīng)時間方面更為出色。該芯片的主要參數(shù)：像素分辨率為852×480，顏色深度24位，對比度300：1，光學(xué)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(tǒng)視頻處理與控制SOPC系統(tǒng)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(fù)合視頻信號經(jīng)過硬件解碼后進(jìn)入視頻處理模塊(完成去隔行處理、色空間轉(zhuǎn)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(chǎn)生的圖像經(jīng)過光學(xué)引擎放大，投影到屏幕上面來。

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    該FLCOS芯片有數(shù)十個可配置的內(nèi)部寄存器，根據(jù)具體應(yīng)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(rèn)值為00H，需要將bit3位改為1，芯片才能從睡眠模式進(jìn)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(rèn)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(rèn)值為09h，需要將bit5、bit6改為1，從而芯片能發(fā)出高電平有效的LED驅(qū)動信號，bit3到bit0默認(rèn)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(rèn)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(shè)計使用的像素時鐘為27 MHz，27×2=54，轉(zhuǎn)為十六進(jìn)制數(shù)即為36h。

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    FLCOS芯片的初始化過程如圖8所示。上電后，芯片進(jìn)入睡眠狀態(tài)，就需要對芯片進(jìn)行SPI初始化配置，即對微投影寄存器進(jìn)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(shù)據(jù)0x08后再從中讀出，并通過QuartusII內(nèi)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(shù)據(jù)信號SDAT、SD0。結(jié)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：
 


結(jié)語
    SPI IP核作為自定義組件加載到SOPC系統(tǒng)中，應(yīng)用于微投影芯片上并實現(xiàn)其初始化。SPI接口十分廣泛，本文通過微投影的實例著重闡述了如何配置芯片的寄存器，實驗表明該IP核配置靈活，便于移植。