FPGA和51單片機通信接口的設(shè)計

劉宇成　李金鳳

摘 要：雖然FPGA速度快，但由于FPGA對采集到的數(shù)據(jù)的處理能力和控制能力比較差，故需要將其采集到的數(shù)據(jù)送到單片機系統(tǒng)上來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理功能，這就使得FPGA系統(tǒng)與單片機系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信提到日程上。本文給出部分VHDL源程序，并用Quartus II進行仿真。

關(guān)鍵詞：FPGA；VHDL；單片機；通信

單片機具有性價比高、功能靈活、易于人機對話、良好的數(shù)據(jù)處理能力的特點；FPGA則具有高速、可靠以及開發(fā)便捷等優(yōu)點。系統(tǒng)設(shè)計中將單片機數(shù)據(jù)處理的優(yōu)勢與FPGA、執(zhí)行快速的特點相結(jié)合，能夠設(shè)計出既有強大控制功能又能使各項功能快速執(zhí)行的系統(tǒng)。因此，單片機與FPGA之間的通信便顯得尤為重要本文介紹利用VHDL語言實現(xiàn)FPGA與單片機的并行通信接口設(shè)計。本文主要由以下三個部分組成：FPGA接收ADC0809數(shù)據(jù)；FPGA發(fā)送數(shù)據(jù)和單片機接收數(shù)據(jù)模塊，VHDL程序及仿真結(jié)果。本文著重對FPGA數(shù)據(jù)發(fā)送模塊實現(xiàn)進行說明，原理圖如圖1所示：

1 FPGA接收ADC0809數(shù)據(jù)

ADC0809是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的CMOS工藝8通道，8位逐次逼近式A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部有一個8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進行A/D轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)用ADC0809把傳感器采集的模擬信號變成數(shù)字信號，然后用FPGA控制數(shù)據(jù)流進程，并用外圍LED電路顯示。FPGA與ADC0809接口電路圖如圖2所示。為了實現(xiàn)對ADC0809精確地控制，所以本系統(tǒng)采用FPGA特有的狀態(tài)機來進行時序上的控制，引腳說明如下：

（1）ALE信號（引腳）：高電平時把三個地址信號送入地址鎖存器，并經(jīng)譯碼器得到地址數(shù)據(jù)，以選擇相應(yīng)的模擬輸入通道。

（2）OE信號（引腳）EN使能信號：電平由低變高時，打開數(shù)據(jù)輸出鎖存器，將轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線上。

（3）EOC信號（引腳）：EOC為高電平時完成轉(zhuǎn)換，為低電平時正在轉(zhuǎn)換。

（4）STAT信號（引腳）：要給STAT線送一個100ns寬的啟動正脈沖，STAT下跳沿時， 開始進行A/D轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換期間STAT以保持低電平。

ADC0809狀態(tài)機工作原理：在S0狀態(tài)，初始化；在S1狀態(tài)，ALE、STAT控制引腳拉高；在S2狀態(tài)，ALE、STAT產(chǎn)生下降沿，鎖存地址，啟動轉(zhuǎn)換，并對EOC引腳進行檢測，若引腳為低，則回到S2狀態(tài)，若引腳為高，則說明轉(zhuǎn)換完成；在S3狀態(tài)，OE為高，，允許ADC輸出；在S4狀態(tài)，此時觸發(fā)LOCK上升沿，F(xiàn)PGA輸出轉(zhuǎn)化后的數(shù)字量。狀態(tài)機原理圖如圖3所示。

2 FPGA發(fā)送信息與單片機接收信息

單片機與FPGA以總線方式通信的邏輯設(shè)計，重要的是要詳細了解單片機的總線讀寫時序，根據(jù)時序圖來設(shè)計邏輯結(jié)構(gòu)，其通信的時序必須遵循單片機內(nèi)固定的總線方式讀寫時序 。單片機以總線方式與FPGA進行數(shù)據(jù)通信與控制時，其通信工作時序是純硬件行為，速度很快。51單片機的時序圖如下圖4所示：

單片機的P0口為一個8位漏極開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P2口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。/WR為外部數(shù)據(jù)寫選通，/RD為外部數(shù)據(jù)讀選通。RST為單片機的復(fù)位信號。ALE為地址鎖存允許的輸出電平，用于鎖存地址的低位字節(jié)。在該接口模塊的通訊中，用單片機的P0口傳送與FPGA通訊的地址和數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)中，在FPGA成功加載程序后由FPGA控制單片機復(fù)位信號。

3 VHDL的部分程序及仿真結(jié)果

在接口設(shè)計中，采用了VHDL語言實現(xiàn)其接口邏輯。51單片機與FPGA的通信讀寫電路的部分程序如下：

4 結(jié)束語

雖然現(xiàn)在一些公司推出了內(nèi)嵌微處理器FPGA，但由于價格、開發(fā)手段等因素的影響，在未來一段較長的時間里，還是會更多的采用單片機與FPGA配合的方式設(shè)計系統(tǒng)，以發(fā)揮單片機的靈活性和FPGA的高速性。因此，單片機與FPGA之間的通信就尤為重要。

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