51单片机与FPGA接口逻辑设计

cana_xzy 2010-03-23

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51单片机与FPGA接口逻辑设计（原创）

FPGA可以嵌入Picoblaze或MicroBlaze软核，进行控制，但这样做的话显然大材小用，完全可以不用嵌入软核，而用我们熟悉的51单片机。

至于51单片机与FPGA接口的协议可以自己设计，下面讨论的是51单片机控制DDS的相位累加器。

51单片机通过串口接受PC机给出的DATA(相位累加值)，再通过与FPGA的通信，告诉FPGA相位累加模块（Accumulator）累加值。MCU_FPGA所做的工作是把收到的数据出入模块内的ROM里，使得改变模块里的ROM地址，就能改变输出的累加值。FPGA_MCU通讯的时序为：

DIN：48位累加值串行输入

CLK_WR：输入写信号时钟，DIN的数据稳定后，CLK_WR上升沿写入FPGA内部的寄存器，寄存器的数据移位。

DIN_PRO：写保护，DIN_PRO=0时，模块内ROM的输出随地址变化而变化；DIN_PRO=1，模块内ROM的输出锁存，输出保持DIN_PRO=0时ROM地址所对应的ROM值。

WR：写信号，WR=1时，把FPGA内部寄存器的值写入此时ADDRESS[2:0]地址的ROM空间。

ADDRESS：ROM地址位，3根地址线决定ROM深度为8。ROM的大小为2⁴⁸x8 bit。

实际中，如果采用上面这个时序，大部分时间都出错，这是因为FPGA的时钟是100MHz，周期就是10ns，而51单片机晶振为12MHz左右，指令周期为1MHz，也就是1μs，是极其容易产生大于10ns的干扰，这样的话通讯就会出错。

要解决这个问题，可以让写信号时钟和写信号都差分，只有差分时，写时钟和写信号有正负时才有效，这样才不容易经常出错。

相当于下图的设计

通讯时序为：

DIN、CLK_WR+、CLK_WR-、DIN_PRO、WR+、WR-和ADDRESS一共用了7条线，可以用51单片机的P1口线。其中ADDRESS只有1条，决定DDS频率寄存器只有两个，存两个相位累加字，ADDRESS决定DDS采用哪个相位累加字，从而决定DDS的输出频率，ADDRESS从0变到1或从1变到0，DDS频率变化。

写信号时钟CLK_WR+为正，CLK_WR-为负时，写入DIN的值，所以CLK_WR+和CLK_WR-是“与”的逻辑关系。

写信号WR+为正，WR-为负时，FPGA内部寄存器的值写入此时ADDRESS地址所对应的ROM。所以WR+与WR-也是一个“与”的关系。

实验证明采用这种时序通讯时很少出现误码。

PS：很多时候高电平有效很容易受到干扰，因为干扰通常都是把信号从低拉到高。而低电平有效不容易收到干扰，因为干扰不太可能把信号电平从高拉到低。采用差分的话就更能保证数据的正确，因为干扰通常都是把“正管脚”从低拉到高，而“负管脚”保持高电平不变高电平不变，此时信号相“与”为0，无效。详细可以看差分信号抗干扰相关资料。