如何通過SPI使用Raspberry PI零與FPGA通信

描述

概述

目標是使用 Raspberry PI 零（或 2W）和 RealTime Linux 補丁運行飛行計算機的 BaseFlight 修改版本。其中一個問題是生成 OneShot 協(xié)議以從 BaseFlight 控制 ESC（電機控制器）。那么，為什么不使用 FPGA 來生成 OneShot 信號，而不是使用 PI 上的資源來生成信號。

Buildroot 用于創(chuàng)建帶有實時補丁 Linux 內(nèi)核的發(fā)行版。（如果您需要有關如何操作的更多信息，請告訴我）

該項目不詳細介紹如何逐步創(chuàng)建 Vivado 項目和使用 iverlog 驗證設計。請在下面評論您想要更多詳細信息，我會添加它。

如何與FPGA通信

PI有SPI、TTL串口、I2C、USB。該協(xié)議需要快速和簡單，因此選擇 SPI 作為物理傳輸。下一個問題是如何向FPGA發(fā)送簡單的讀寫命令并進行處理。此外，如果有一種方法可以添加功能/外設，那就太好了。

FPGA通信設計

為了簡單起見，讓我們使用硬件總線，它有一個定義的方式來訪問不同的內(nèi)存塊，例如：

• 地址即32位：訪問不同的寄存器或設備
• 數(shù)據(jù)總線讀寫寄存器

Wishbone是為本設計選擇的簡單總線。 AXI Lite 本來可以用的，也許下次吧。AXI用于ARM處理器，規(guī)格詳細，例子多。

下圖是FPGA系統(tǒng)的基本框圖：

基本圖

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FPGA代碼和外部庫

下面提供了代碼。

SPI 接口來自這里。Wishbone 庫來自這里。MUX 是使用 wishbone 庫中的 python 腳本生成的。

復雜性在于 Wishbone 庫的使用方式，它使用兩個 AXIS 端口，一個傳輸端口和一個接收端口。需要創(chuàng)建膠合邏輯以連接 SPI 接口和叉骨 AXIS 接口。

控制 LED 的示例

一種簡單的測試方法是不使用 MUX 并將 LED 外圍設備直接連接到 Wishbone 庫。如下所示：

Vivado 圖

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映射 FPGA 引腳

隨板提供的約束文件被修改為映射 SPI 引腳、MISO、MOSI、CLK 和 CLK。此外，四個 LED 與 RGB LED 一起映射。

使用PI測試FPGA

spidev0.1 即 SPI0 MISO、SPI0 MOSI、SPI0 CLK 和 CE1 連接到 FPGA。

下面展示的是如何使用終端發(fā)送SPI字節(jié)序列來讀寫字節(jié)流。這是一個例子：

# printf '\xA2\x1\x2\x3\x0\x0\x4\x11\x22\x33\x44\0' | spi-pipe -m 0 -s 1000000 -d /dev/spidev0.1 | hexdump -C
00000000  44 44 a4 01 02 03 00 00  04 04 04 04              |DD..........|
0000000c
#

0xA2：是寫命令字節(jié)

0x01020300 是要寫入的地址

0x0004 是要寫入的字節(jié)數(shù)

0x44332211 是要寫入的字節(jié)（注意字節(jié)是顛倒的）

讀書：

# printf '\xA1\x1\x2\x3\x0\x0\x4\x0\x0\x0\x0\0\0' | spi-pipe -m 0 -s 100000 -d /dev/spidev0.1 | hexdump -C
00000000  04 04 a3 01 02 03 00 00  04 11 22 33 44           |.........."3D|
0000000d
#

返回的是，0x04，0x04 是兩個字節(jié)，是垃圾。接下來的字節(jié)是回復：

0xA3 是對讀取的回復

0x01020300是地址

0x00 0x04 是長度

0x44332211 是寫入的數(shù)據(jù)

使用 iverlog 進行單元測試

有幾個測試平臺，用于驗證 pwm 解碼的 tb_pwmdecoder_wb.v 應該使用 100Mhz 時鐘。tb_spiwishbone.v 將 SPI 數(shù)據(jù)發(fā)送到讀寫寄存器。

證實

下面顯示的是顯示寫命令序列的邏輯分析儀軌跡。在項目中有一個 python 腳本可以通過 spidev 設置 LED。SPI 頻率為 3.2Mhz。在 PI 上下載ledTester.py并發(fā)出以下命令。

# python ledTester.py

該腳本將盡快編寫命令。從跟蹤中，命令以 2.6Khz 的速率發(fā)送。

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