[發明專利]一種采用SPI連接MCU和FPGA的控制器間同步通信的方法

有效

• 申請號: 202211345203.5
• 申請日: 2022-10-31
• 公開（公告）號: CN115941102B
• 公開（公告）日: 2023-09-15
• 發明（設計）人: 余翔;宋志偉;陳緒鵬;何學民;周立博;魏智;廖中亮;吳小順
• 申請（專利權）人: 三峽智控科技有限公司
• 主分類號: H04J3/06
• 分類號: H04J3/06
• 代理公司: 武漢宇晨專利事務所(普通合伙) 42001
• 代理人: 龐寬

本發明公布了一種采用SPI連接MCU和FPGA的控制器間同步通信的方法。FPGA同時承擔光纖通信任務和擴展開關量刷新任務。由同步信號啟動主控制器中MCU通過SPI向FPGA發送光纖通信數據和開出信號，FPGA發送到MCU的除了接收到底光纖通信數據外還包括開入信號。其余接收到光纖通信數據后應答的稱為從控制器，本發明在主控制器使用了長數據幀通信，兼顧擴展開關量和光纖通信的同時減少了通信次數。在從控制器使用了長短數據幀混合使用的方法，通過短數據幀刷新開關量并查詢光纖通信狀態，使用長數據幀交換光纖通信數據，解決了MCU作為SPI通信主設備時查詢光纖通信狀態的問題，最終使得應用SPI連接MCU與FPGA的控制器也可以實現同步通信。

技術領域

本發明屬于同步通信和光纖通信技術領域，具體涉及在需要同步信號協調多個控制器聯合控制的場景，一種采用SPI連接MCU和FPGA的控制器間同步通信的方法。

背景技術

MCU(Micro?Controller?Unit，微控制單元)是嵌入式控制系統的核心，執行測量、控制計算和流程處理等功能，包含C51控制器、X86控制器、ARM控制器等多種類型。

FPGA?(Field-Programmable?Gate?Array，現場可編程門陣列)具有高主頻、多路并行處理特征，與MCU配合使用執行開關量擴展、數據通信、數據處理等功能，可以有效減輕MCU的任務負擔，擴大控制器的應用范圍。

開關量是只有0、1兩個狀態的量，例如開關觸點分合狀態是開入量，控制開關分斷的命令是開出量。MCU的大部分引腳都是復用的，既可以作為開關量，也可以指定給內部集成的外設。使用FPGA后開關量直接連接到FPGA，MCU通過通信間接控制這些開關量，可以極大地節省MCU的引腳資源。

SPI(Serial?Peripheral?Interface--串行外設接口)總線系統是一種同步串行外設接口，可以使MCU與各種外圍設備以串行方式進行通信以交換信息，該接口一般使用4條線：串行時鐘線（SCLK）、主機輸入/從機輸出數據線MISO、主機輸出/從機輸入數據線MOSI和低電平有效的從機選擇線NSS。圖1是一種典型連接方式：一個主設備連接一個從設備。SPI通信中NSS信號為低電平時通信有效，此時主設備通過MOSI輸出數據，同時通過SCLK引腳為從設備提供時鐘信號，從設備通過MISO引腳向主設備發送數據。這種通信方式要求主設備與從設備發送數據長度一致才能正常通信。另外，因為SPI通信是主設備啟動和停止的，從設備必須在主設備啟動通信前準備好待傳送的數據，需要協調好主從設備的時序才能保證通信正常。

MCU與FPGA通過并口連接比較常見，可以充分發揮FPGA的并行處理能力，MCU和FPGA沒有通信延時，MCU可以無延時依次查詢通信通道狀態或讀寫通信數據。但并口占用的MCU引腳資源較多，包含16根數據線，20根地址線，加上片選等控制線，最多可能用到41個MCU引腳。

MCU與FPGA采用SPI連接時占用MCU引腳資源較少，但是MCU和FPGA間SPI間的通信延時導致MCU不能實時查詢外部數據或狀態。另外如果MCU和FPGA間需要執行變長度SPI數據通信，協調作為從設備的FPGA正確響應也比較復雜。

MCU在進行實時性要求不高的流程控制時可以啟用通信中斷以保證通信的可靠性，但進行實時控制時一般通過查詢方式進行通信。DMA（Direct?Memory?Access，直接內存訪問）功能是MCU進行數據通信的重要手段，MCU發送數據時只需要設置發送長度，并準備好數據后啟動發送即可，接收數據只需要查詢是否接收到預定長度的數據，不需要逐字節查詢收發，有效降低了MCU的占用率。