一种基于FPGA的RFID无线通信系统的实现

1．3．2 SPI硬件设计

图3是本文无线通信系统中SPI模块的结构图，该系统中的SPI主要由时钟生成模块，SPI寄存器组，SPI功能配置的模块组成，并且通过Wishbone总线与控制器相连，具体设计如下：

时钟生成模块：由于SPI模块是基于FPGA来实现的，而FPGA外部提供的时钟较快(50 MHz或100 MHz)，不适合与NRF905的SPI接口进行通信(1 Hz～10 MHz)，所以需要分频来使时钟慢下来。但是至于几分频是由SPI功能配置模块来完成的。其次由于SPI协议指出数据可在上升沿或下降沿触发，所以还需要对时钟的上升沿或下降沿进行鉴别(也称抓沿程序)，这个功能也由这个模块完成。



SPI寄存器模块：这个模块实现的是一个由16个8位寄存器组成的128位的寄存器组，也就是说通过SPI接口一次性可收发8～128位的串行数据。具体操作由SPI功能配置模块来完成。

SPI功能配置模块：这个模块相当于一个SPI控制器，通过对其寄存器的配置来决定时钟的分频数，收发数据位数，时钟上升沿或下降沿传输数据等，而对这些寄存器的配置是由控制模块完成的。下面就配置寄存器做一些简要说明。

首先介绍控制寄存器：

• 控制寄存器第O位go：是否开始发送。
• 控制寄存器第1位rx_negedge：接收数据是下降沿还是上升沿。
• 控制寄存器第2位tx_negedge：发送数据是下降沿还是上升沿。
• 控制寄存器第3～9位char_len：发送数据的位数(因为SPI是全双工的，所以这实际上也是接收数据的位数)。
• 控制寄存器第10位lsb：是从高位发送还是地位发送。
• 控制寄存器第11位ie：读写完成之后是否发送中断信号。
• 控制寄存器第12位ass：是否自动产生片选信号。
• 分频寄存器：spi_divider_sel。
• 状态寄存器：spi_ctrl_sel。
• 数据寄存器O：spi_tx_sel[0]。
• 数据寄存器1：spi_tx_sel。
• 数据寄存器2：spi_tx_sel。
• 数据寄存器3：spi_tx_sel。
• 片选信号寄存器：spi_ss_sel。

1．4 控制模块

对于控制模块来说，其实现方法是利用基于Verilog语言的有限状态机来实现，相当于一条一条的指令来控制SPI模块接收发送数据。控制模块分成三个独立的部分即接收控制模块、发送控制模块及NRF905配置模块。其中接收与发送控制模块分别包含对SPI进行配置的状态。下面对接收控制模块的设计进行说明。图4即为Debussy综合出的状态机转换图。



为了完成无线通讯而设计的状态较多，比较复杂，故只对比较重要的状态做些简要说明。idle空闲状态，完成对端口进行初始化寄存器清零；config_div状态，对时钟进行分频(定义sclk)；configwb_in状态，定义传输数据的位数以及是上升沿收发还是下降沿收发，wb_inl，wb_in2，wb_in3，wb_in4，这四个状态就是通过Wishbone总线接口对SPI配置要写的数(每一个状态对应一个寄存器)；configspi_out状态，开始传送数据；done状态，片选置高数据传送完成；readeonfigreg_prel状态，设定发送数据位数；readconfigreg(读寄存器控制字位数)状态，通过Wishbone总线接口对SPI配置读命令字；readconfigreg_out状态，设定发送／接收数据位；alldone状态，片选置高完成配置数据读取的过程。

该设计考虑到验证配置过程的正确性，故特意设定了读寄存器配置数据的状态，ehangemode就是接收状态，当接收完成后(DR=1)进入eh-angmodee状态，把收到的数据读出来。然后再回到readeonfigreg_prel状态，等待新的传输数据。

2 系统验证

该设计最后进行了板级验证，FPGA开发板与NRF905的PCB板构成这个验证系统。FPGA芯片的采用Xilinx公司的XC2V1000，所用的综合工具是Synplify，前仿真与后仿真用来查看波形的工具是Modelsim，所用到的布局布线工具与下载工具是ISE10．1集成的iMPACT，而板级测试用来查看波形的工具是Chipseope。

在下载之前对本设计进行了充足的功能仿真，用Verilog编写了SPI从机模仿NRF905的SPI接口与SPI主机进行通信，确保能够完成预先设定的功能。

下载是将配置文件下载到具体的FPGA芯片中。本文系统中采用的是JTAG下载方式，下载工具使用Xilinx ISE的集成工具iMPACT。在下载之前进行了管脚绑定其目的就在于能够将设计的输入／输出端口约束在FPGA芯片的合适的引脚上，以方便对其进行分析和调试并与外界I／O进行相连。下面即为本设计中相应的管脚约束文件中的相关内容。



下载完成后，依照管脚绑定将FPGA开发板与NRF905的PCB相连，图5即为无线收发的PCB连接图。



这只是其中一端，在这里假定为接收端，那么另外还有一样的互连PCB板作为发送端。右边的PCB板为FPGA用来实现SPI模块与控制模块。左上倒凸字形的小PCB板即为NRF905，左边的PCB板起到了连接FPGA与NRF905的左右，并给NRF905提供电源。

系统建立起来后，下一步是最终的板级验证。图6为用Chipscope得到的波形图。mosi与miso分别是发送端与接收端SPI总线上的信号。从图中可以看出数据基本吻合，由此表明设计的以FPGA控制NRF905的无线通信系统能够正常工作。