基于MCU与CPLD的一主多从SPI通信系统设计_开题报告

一、文献综述

1.1国内、外研究现状

SPI(serial peripheral interface,串行外围设备接口)总线技术是Motorola公司推出的一种高速、同步、全双工的通信总线。具有如下优点：1) 支持全双工操作；2) 操作简单；3) 数据传输速率较高。但是也存在以下几个缺点：1) 需要占用主机较多的口线（每个从机都需要一根片选线）；2) 只支持单个主机。3)通讯距离受限，不能长距离传输。正是出于这种简单易用、通讯速率高的特性，如今越来越多的芯片集成了这种高速通信模块。主要应用在EEPROM、Flash、实时时钟(RTC)、数模转换器(ADC)、网络控制器、MCU、数字信号处理器(DSP)以及数字信号解码器之间这些对通讯速率要求比较高，而且通讯距离都是板载之间的场合。

CPLD(Complex Programmable Logic Device) 复杂可编程逻辑器件，是从 PAL 和 GAL（通用逻辑阵列）器件发展出来的器件, 主要是由可编程逻辑宏单元 (MC，Macro Cell) 围绕中心的可编程互连 矩阵单元组成。具有编程灵活、 集成度高、设计开发周期短、 适用范围宽、保密性强、 价格大众化等特点，能极大的减少外围设计IC电路,使电路整体更简洁更稳定。但是也存在以下几个特点：1）功耗偏高2）CPLD内部没有存储模块,所以不能对RAM,ROM等操作。CPLD在和MCU进行搭配时，可以大大减少MCU的负担,这样MCU就负责处理数据就行了,CPLD负责各I/O的控制动作和一些逻辑控制。

传统的棉袜机编织机械由于编织生产的需要，须配备6~8个电子选针器，在以往的棉袜机控制系统中，每一路电子选针器的驱动电路硬件部分往往是由一个独立的MCU和较大数量规模的单个逻辑器件堆列而成。一个选针器驱动电路就需要一块体积巨大的驱动电路板。若编织机械需要8个电子选针器，对应的电脑控制部分就必须有8块这样的驱动电路板构成，对控制系统生产厂家的装配和线路排布提出了极高的要求。而且对每个选针器输出动作进行单独控制，由于是不同的MCU控制就存在时序不一致，通信传输速率低下，导致动作输出时不能按照实际生产要求输出，而且动作指令不能满足高速编织要求。更进一步由于控制器内部电路板体积庞大，硬件成本居高不下，而且故障率极高，这就导致了在实际生产中产品良品率大大降低，极大影响了棉袜生产机械生产效率。导致外界普遍反映国产棉袜机运转速率不能提高，不能满足实际生产需求，相对于进口机械还有很大的差距。

   

1.2研究意义

本^范文介绍了基于STM32F0XX与CPLD主从SPI通讯控制在棉袜机电子选针器驱动电路当中的应用。采用STM32F0XX与CPLD主从SPI通讯模式后，通过单一MCU控制2个从端CPLD器件，就能达到控制6~8个电子选针器。SPI总线的高速通讯速率就完全避免了时序不同步，动作指令实时输出，完全满足高速编织要求。CPLD高度集成模式实现了电路板体积小微化，结构简单但功能强大，从根本上降低了硬件故障率，极大的提高了棉袜机械生产效率。一个CPLD从机完全替代原来4块小MCU驱动部分，硬件成本相对于老式设计大大降低。更方便和容易维护。通过这一系列的措施极大的提高了棉袜机的运转速率，提高了终端客户的生产效率，给终端客户带来及其明显的经济效益！

1.3研究内容

本设计以ST公司的STM32F0XX系列芯片为核心，采用芯片的内部硬件SPI功能，使MCU作为主机，进行数据的收发。以基于Lattice公司的CPLD平台，用VerilogHdl语言以有限状态机的形式设计了一种符合SPI总线规范的从机模块，实现MCU和CPLD模块的主从SPI高速通讯。按照棉袜机电子选针器的控制要求设计了电路原理图和PCB，并在硬件PCB基础上对MCU进行软件调试和对CPLD内部进行程序调试，进行SPI总线主从机通讯调试。最终并进行了综合生产。并且对不同的通讯速率进行测试，最终实现了稳定高速的SPI主从机通讯，通讯速率可达3.5Mb/s，并且通过SPI总线对电子选针器进行高速输出控制，验证了设计正确性，确保了电路和程序的实用价值！

二、^范文提纲

摘要

ABSTRACT

目录

1  绪论

1.1  Cortex-M0处理器（STM32F0XX）简介

1.2CPLD（MachXO2）简介

2  SPI（Serial Peripheral Interface）总线简介以及工作原理

2.1  SPI（serial peripheral interface）总线简介

2.2  SPI（serial peripheral interface）总线的结构

2.3  SPI（serial peripheral interface）总线的工作原理

2.4  SPI（serial peripheral interface）总线数据传输时序图

3.基于STM32F0XX与CPLD主从SPI通讯控制在棉袜机电子选针器驱动电路当中的应用

3.1  项目简介

3.2  项目设计原理图

3.3  MCU的软件设计

3.3.1  配置相关引脚的复用功能，使能SPI的时钟

3.3.2  初始化SPI，设置SPI的工作模式

3.3.3  SPI（serial peripheral interface）传输数据

3.4  CPLD的软件设计

3.4.1  设置系统的时钟

3.4.2  SPI SPI（serial peripheral interface）数据接收模块和译码模块

3.4.3  SPI SPI（serial peripheral interface）数据发送模块

4  仿真与验证

5  结论

6  参考文献

三、参考文献

[1] Lattice Semiconductor Corporation. MachXO2 Family Data Sheet (Preliminary DS1035 Version 01.2)[Z].2011.

[2] 华卓立，姚若河 一种通用SPI总线接口的FPGA设计与实现[J].微计算机信息.2008.24(17):212-213.

[3] 夏宇闻.Verilog数字系统教程（第2版）[M].北京航天航空大学出版社.2008.

[4] RM0091 STM32F0xx advanced ARM-based 32-bit MCU Reference manual. [Z]2014.

[5] STM32F4 SPI2初始化及收发数据【使用库函数】 - niepangu的专栏 - CSDN博客《网络（://blog.csdn.net）》- 2017

[6] 嵌入式系统的通讯协议：I2C通讯、SPI通讯、USB通讯、SDIO 通讯、I2S通讯、PCI通讯简介 - hancunai0017的专栏 - CSDN博客-- 《网络（://blog.csdn.net）》- 2017

[7] 单片机与接口技术SPI总线协议内容提纲 本讲主要内容: SPI总线原理SPI总线协议SPI... 《互联网文档资源（://.worlduc.c）》- 2018

[8] 《CAN总线与RS-232、SPI总线转换模块的设计》^范文_图文-- 《互联网文档资源（://wenku.baidu.c）》- 2017

[9] 胡刚 李冰 陈冲 潘树国 王浩. 基于FPGA的SPI总线在软件接收机上的应用-《现代电子技术》- 2011-04-15

[10] 单祥茹.Lattice坚定发展低功耗低价格FPGA不动摇-《中国电子商情(基础电子)》- 2011-07-08

[11] 杨啸宇(导师：熊瑛). 基于Cortex-M3的无线射频数据采集和传输系统研究. 《天津理工大学硕士^范文》- 2011-02-01

[12]张文亮 林叶锦 袁要民 孙晗. 基于双移位器的FLEXIO模拟SPI总线的设计与实现[D]. 计算机测量与控制, 2015.

[13]赵庆平 李素文 杜伟宁 姜恩华. 基于FPGA的SPI接口Flash控制器设计及其在存储配置数据中的应用[D]. 吉林大学学报(理学版), 2014.

[14]范云龙 方安平 李宁. CortexM0处理器初探[D]. 单片机与嵌入式系统应用, 2010.

[15]迎九. ARM向8位MCU进军CortexM0处理器出世[D]. 电子产品世界, 2009.