通信協議轉換在可編程邏輯器件中的實現

劉悅

【摘要】 標準RS232接口常用于單片機或微處理機配合PC上位機進行串口通信，SPI總線可以使處理器與外部設備以串行方式通信。本文介紹了RS232接口與SPI串行通信接口在可編程邏輯器件中實現通信協議轉換，實現PC端對外圍設備（SPI接口）的調試與控制使用。

【關鍵字】 協議轉換 FPGA 串口通信 SPI總線

一、 前言

SPI總線廣泛應用于Flash存儲器、ADC/DAC器件、數字信號處理機、實時時鐘。它在器件僅占用4根引腳控制數據的傳輸，線路簡單，節省布局空間。由于PC沒有SPI接口，PC無法實現對這類外圍器件的直接通信，在某種程度上，增加調試的難度。因此，本文利用可編程邏輯器件（FPGA）設計通信協議轉換邏輯，實現RS232與SPI的協議轉換，間接完成PC對外圍器件的數據傳輸。

二、設計思路

SPI作為一種同步串行接口技術，實現處理器與器件的全雙工高速通信。而RS232則是一種異步串口通信接口，因此使用PC的RS232接口無法直接對具有SPI總線接口的器件進行操作。因此，設計中選用FPGA作為完成通信協議轉換的橋梁。FPGA邏輯設計靈活，可設計RS232接口電路完成對PC端串口數據的接收。解析串口協議后，獲取操作器件的有用信息，通過SPI接口將數據傳輸至器件本身，最終實現PC對FPGA外圍器件的控制。當然，協議轉換的過程是可逆的，器件信息也可通過SPI回傳至FPGA，供PC讀取使用。

設計中電路較為簡單，使用MAX3232完成RS232電平到TTL電平轉化，便于FPGA與PC上位機正常通信使用。電路結構框圖如圖2-1所示：

三、協議轉換流程

協議轉換過程分為FPGA與PC的異步串口通信，FPGA與外圍器件的SPI同步串行通信。

在PC與FPGA通信中，FPGA檢測PC端發送信號標志，即自身RXD信號拉低，串口通信起始位開始，此時FPGA開始進行數據接收。PC對外圍器件的控制指令依次發送至FPGA用作解析，在PC發送數據量較大的情況下，為避免數據在通信中出錯，便于對器件的靈活控制，可對PC端數據幀打包修飾，方便FPGA解析控制器件的可靠指令。FPGA的TXD引腳可向PC端返回外圍器件的可用信息。

在FPGA解析串口數據后，可執行對外圍器件的驅動操作。FPGA將PC對外圍器件的控制指令，在SDI，CS，SCLK引腳的配合下發送至目標器件。SPI通信中，CS信號始終拉低，系統共用SCLK時鐘脈，在上升沿模式下，數據SDI在SCLK上升沿輸入至器件，在SCLK下升沿由FPGA改變數據SDI的值。當器件需要返回FPGA內部信息時，數據在CS，SCLK的協同下，由SDO發送至FPGA。

FPGA操作流程圖如圖3-1所示：

四、 總結

使用可編程邏輯器件FPGA作為通信協議轉換芯片，設計靈活，拓展性強，可用于RS232轉SPI總線、I2C總線、CAN總線等的協議轉換。本文中利用FPGA可實現RS232與SPI的協議轉換，間接完成PC上位機對某些具有SPI總線接口器件的直觀控制。PC通過發送簡單的串口指令至FPGA解析，由FPGA通過SPI接口實現對外圍器件的配置操作，解決了以往收、發端，因通信協議不匹配，導致無法進行數據交互的弊端，具有較高的使用價值。

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