SPI IP核及其在微投影系统中的应用

摘要：介绍了SPI总线控制器IP核的硬件结构与应用方法，并着重介绍了该IP核在微投影系统中的使用，以完成微显示芯片的初始化。实验表明，该SPI总线接口使用灵活，便于移植，并且稳定可靠。
关键词：SPI总线控制器；Nios II处理器；IP核；可编程片上系统；微投影

引言
    SPI总线作为一种简单高效的4线串行传输总线，在电子器件和系统中应用非常普遍，由于其输入和输出的信号线彼此独立，因而传输可靠性更好。Altera公司的EDA设计工具中有自带的SPI总线控制IP核，但目前介绍该IP核具体应用的文献不多，本文结合我们在微投影系统研究中的需求，给出了该SPI IP核的应用实例。

1 SPI核的工作原理
1．1 硬件结构
    SPI核的硬件结构如图1所示，主要由波特率分频器、发送数据寄存器、接收数据寄存器、状态寄存器和控制寄存器组成。波特率分频器主要将Avalon的系统时钟进行分频，SCK可以配置的频率=Avalon系统时钟频率／(2的倍数)。

    该IP核可以配置为主和从两种模式。本设计为嵌入在FPGA中SPI核为主工作模式，可以控制最多16个从设备，如图1所示的SEN0～SENl5。只有一个器件时，默认为SEN0信号。SPI核传输的数据宽度是由用户配置的，可在1～32位之间，当一次数据传输结束之后SPI核发出一个中断请求。
    主要实现两种传输逻辑(以主模式为例)：
    ①发送逻辑。待发送的数据由Avalon从端口送入发送数据寄存器，再移入移位寄存器中，SCK跳变沿到来时开始数据传输(经SDAT信号线发出，先移入的数据是高位还是低位，取决于SOPC Builder的配置)。
    ②接收逻辑。移位寄存器捕获到完整的数据后，再将其移入接收数据寄存器中(由SDO信号线捕获数据)。
1．2 软件结构
    目前，在采用32位的软核Nios II处理器中，提供了4层软件开发模式：Nios II系统硬件，驱动程序层，硬件抽象层应用程序接口(HAL API)，应用程序层。SPI核的应用和软件结构如图2所示。

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2 SPI核的库函数及其使用
    该IP核的APl函数为alt_avalon_spi_command()，其原型为：
   
    flags——置1时表示执行完该函数后，SS_N保持写／读操作相同的电平；置0时表示执行完该函数后，SS_N为写／读操作相反的电平。
    alt u8、alt u32分别是Altera系统中定义的8位、32位无符号数。

3 应用实例
    微投影技术显示是目前投影的一个研究焦点，主流的技术包括：MOEMS微光机电微镜偏转技术、基于数字微镜芯片的DLP技术和基于硅基液晶的LCOS技术。三种技术相比，LCOS具有成本低、体积小、低功耗等优点。
    本设计使用的是镁光公司的MT7DPWV2F铁电硅基液晶(FLCOS)，FLCOS比一般的LCOS在色彩对比度、液晶像素响应时间方面更为出色。该芯片的主要参数：像素分辨率为852×480，颜色深度24位，对比度300：1，光学镜面反射率63％，尺寸23.4mm×9.8 mm×3．6 mm，功耗仅为75 mW。
    图3为微投影系统视频处理与控制SOPC系统示意图，总线上挂接了包括微处理器、Flash控制器、SDRAM控制器等。复合视频信号经过硬件解码后进入视频处理模块(完成去隔行处理、色空间转换等功能)，SPI控制器模块和显示控制器模块一起控制片外的FLCOS芯片。FLCOS产生的图像经过光学引擎放大，投影到屏幕上面来。

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    该FLCOS芯片有数十个可配置的内部寄存器，根据具体应用的需求，有4个寄存器是必须初始化配置的。
    ①休眠控制寄存器(地址为0x06)。如图4所示，该寄存器默认值为00H，需要将bit3位改为1，芯片才能从睡眠模式进入工作模式。

    ②同步信号极性控制寄存器(地址为0x02)。如图5所示，该寄存器默认值为C0h，将其bit7、bit6两位改为0，以符合显示时序控制器同步信号高电平有效的时序要求。

    ③LED输出控制寄存器(地址为0x05)。如图6所示，该寄存器默认值为09h，需要将bit5、bit6改为1，从而芯片能发出高电平有效的LED驱动信号，bit3到bit0默认为9h表示图像的伽马值为2．1。

    ④像素时钟控制寄存器(地址为0x0f)。如图7所示，默认值为40h，该寄存器需要配置为像素时钟大小的2倍。由于本设计使用的像素时钟为27 MHz，27×2=54，转为十六进制数即为36h。

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    FLCOS芯片的初始化过程如图8所示。上电后，芯片进入睡眠状态，就需要对芯片进行SPI初始化配置，即对微投影寄存器进行写操作，其时序如图9所示。读操作时要求器件地址(共8位)的最高位为1，写操作时要求器件地址(共8位)的最高位为0。

    作为SPI验证的例子，先向微投影芯片地址为0x06的存储单元写入数据0x08后再从中读出，并通过QuartusII内嵌的SignalTap II逻辑分析工具捕获如下信号，依次为SPI片选信号SEN0、时钟信号SCK和数据信号SDAT、SD0。结果显示，所得到的这一写入、读出过程时序与图9要求的芯片写入、读出时序一致。
    芯片的初始化代码如下：
 


结语
    SPI IP核作为自定义组件加载到SOPC系统中，应用于微投影芯片上并实现其初始化。SPI接口十分广泛，本文通过微投影的实例着重阐述了如何配置芯片的寄存器，实验表明该IP核配置灵活，便于移植。