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连接SPI接口器件 - 第一部分

2021/11/29
176
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LEC2 Workbench系列技术博文主要关注莱迪思产品的应用开发问题。这些文章由莱迪思教育能力中心(LEC2)的FPGA设计专家撰写。LEC2是专门针对莱迪思屡获殊荣的低功耗FPGA和解决方案集合的全球官方培训服务供应商。

莱迪思CrossLink™-NX FPGA拥有丰富的特性,可加速实现高速和低速接口。本文(系列博文的第一篇)描述了使用CrossLink-NX FPGA连接基于SPI的外部组件。第一篇博文介绍了使用两个时钟域实现连接DAC(亚德诺半导体公司的AD7303 DAC)的SPI接口。第二篇博文将介绍使用单个时钟域实现连接ADC(亚德诺半导体公司的 ADC AD7476)的SPI接口。两个案例中呈现了两种截然不同的实现接口的方法。

两个时钟域的实现方案(dac_2c)

亚德诺半导体公司(ADI)的AD7303模块用作外部DAC。图1显示了接口的时序图和时序参数。在本例中,SCLK频率为30 MHz。时序参数t4、t5和t6在时序约束规范时尤其需要关注,它们将在set_output_delay约束中使用。

 

图1:时序图和时序特征

两个时钟域解决方案的实现如图2所示。

图2:两个时钟域SPI接口的实现

使用的参数:

输入时钟频率:100 MHZ

内部时钟CLK_120频率:120 MHZ

内部时钟CLK_30频率:30 MHZ

生成的时钟dac_sck:30 MHZ

PLL_120_30

PLL从外部时钟CLK(100 MHz)生成两个内部相位同步时钟CLK_120和CLK_30。

dac_sample_gen模块

dac_sample_gen模块为dac_fsm生成采样信号(转换)。采样信号开始向DAC传输数字数据。采样率通过sample_select [1:0]信号设置,如表1所示。dac_sample_gen的框图如图3所示。

表1:采样率设置

图3:dac_sample_gen的框图

mode_select控制信号控制方波信号三角波信号的生成,作为DAC的输入数据。

sync_stage模块

dac_sample_gen模块与CLK_120一起工作。控制单元dac_fsm是CLK_30域的一部分。sync_stage模块将转换信号从CLK_120域传输到CLK_30域。来自dac_fsm的相应信号从CLK_30域传输到CLK_120。sync_stage的框图如图4所示。

图4:sync_stage的框图

dac_fsm模块用于双时钟实现方案

dac_fsm模块控制生成传输到DAC的控制/数据信号。为了遵循图1给出的t4、t5和t6的值,dac_fsm在CLK_30的下降沿工作。Dac_fsm作为状态机实现。

图5:控制结构dac_fsm状态机

转换信号被识别后,bit_count计数器加载值15。串行数据在时钟信号CLK_30的下降沿输出到dac_sdata上。传输16位数据后,dac_fsm再次发出就绪信号并等待下一个转换信号。

约束两个时钟域解决方案的设计

1. 约束时钟CLK

2. 约束时钟CLK_120和CLK_30

无需明确定义CLK_120和CLK_30这两个时钟信号,因为它们会由设计软件自动定义。这两个时钟也称为自动生成时钟。

3. 约束dac_clk

连接到端口dac_sck的时钟信号是内部时钟CLK_30的副本。该信号被外部DAC解读为时钟。因此,该信号也必须被定义为时钟,便于正确描述t4、t5和t6的时间要求。该时钟即所谓的手动生成时钟。

4. 约束DAS输入/FPGA输出

时间值t4、t5和t6描述了外部模块的setup/hold要求。这些要求使用 set_output_delay约束进行描述。

运行两个时钟域解决方案的时序分析

时序分析报告显示了两个时钟信号CLK_120和CLK_30之间的关系。

 

注意CLK_120和CLK_30的跨时钟域参数,反之亦然。这正是我们所期望的。

输出信号dac_sync和dac_sdata的分析展示了基于set_output_delay约束实现的setup slack和hold slack。

总结
总之,两个时钟域提供了一些功耗方面的优势,因为设计的一部分以较低的速度运行。此外,时序约束也很容易指定。该项目(dac_2c)可在LEC2索取。

Eugen Krassin是莱迪思教育能力中心(LEC2)的总裁兼创始人。

ADI

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亚德诺半导体全称为亚德诺半导体技术有限公司(analog devices,inc.)简称ADI。是一家专营半导体传感器和信号处理ic的卓越的供应商,ADI将创新、业绩和卓越作为企业的文化支柱,并基此成长为该技术领域最持久高速增长的企业之一。ADI是业界卓越的半导体公司,在模拟信号、混合信号和数字信号处理的设计与制造领域都发挥着十分重要的作用。

亚德诺半导体全称为亚德诺半导体技术有限公司(analog devices,inc.)简称ADI。是一家专营半导体传感器和信号处理ic的卓越的供应商,ADI将创新、业绩和卓越作为企业的文化支柱,并基此成长为该技术领域最持久高速增长的企业之一。ADI是业界卓越的半导体公司,在模拟信号、混合信号和数字信号处理的设计与制造领域都发挥着十分重要的作用。收起

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