基于Fpga的Pmod與Arduino接口映射

引言

多年以來(lái)，一直存在標(biāo)準(zhǔn)泛濫的現(xiàn)象，而我們電子業(yè)尤其嚴(yán)重。您是否曾經(jīng)想過(guò)，為什么我們對(duì)有些奇怪的數(shù)字或測(cè)量計(jì)的東西建立標(biāo)準(zhǔn)？關(guān)于航天飛機(jī)的固體燃料火箭推進(jìn)器的直徑是否真的源自于馬屁股的寬度的討論非常激烈。2相當(dāng)?shù)南∑婧陀腥?。但是，接受事?shí)會(huì)更有成效：總是會(huì)有很多標(biāo)準(zhǔn)，我們必須找到使其很好配合的途徑。工程師和制造商均涉及到一個(gè)共同領(lǐng)域，其中標(biāo)準(zhǔn)的不兼容特別麻煩：原型平臺(tái)。幸運(yùn)的是，有些方法可以緩解這些不兼容性。下文中我們將進(jìn)一步分析討論。

開(kāi)發(fā)板擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)

多年來(lái)，元件制造商一直提供開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，幫助其客戶(hù)采用其元件設(shè)計(jì)應(yīng)用。對(duì)于可編程器件，例如FPGA和微控制器，始終存在與其它元件的接口，以便能夠與硬件同步或者早于硬件進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)。隨著時(shí)間推移，涌現(xiàn)出了關(guān)于這些“擴(kuò)展接口”的非常松散的偽標(biāo)準(zhǔn)，其中有些標(biāo)準(zhǔn)的一致性相對(duì)較好。Xilinx等FPGA廠(chǎng)商推動(dòng)這些標(biāo)準(zhǔn)，例如FMC，使客戶(hù)盡可能簡(jiǎn)單地遷移到最新平臺(tái)。Xilinx也采用第三方標(biāo)準(zhǔn)，例如Digilent制定的Pmod標(biāo)準(zhǔn)，用于該接口的外圍設(shè)備選擇較廣。微控制器制造商的標(biāo)準(zhǔn)化略慢，許多采用自身的專(zhuān)用接口。然而，制造商動(dòng)向和Arduino平臺(tái)普及等市場(chǎng)力量正驅(qū)使其也向偽標(biāo)準(zhǔn)靠攏。

Pmod非常適合FPGA

Pmod接口是將外設(shè)與FPGA開(kāi)發(fā)板進(jìn)行組合和匹配的很好方式，可利用方便、可手工焊接的連接器連接八個(gè)引腳以及電源和地。FPGA的靈活性允許將其八個(gè)信號(hào)引腳用于幾乎所有功能。盡管這提高了其對(duì)于FPGA的實(shí)用性，但也造成該接口難以配合那些外設(shè)功能分配給特定引腳的微控制器。為解決這一問(wèn)題，Digilent定義了多種不同的Pmod引腳排列類(lèi)型，不同的功能分配給特定的引腳(圖1)。

圖1. Pmod引腳排列類(lèi)型將不同的功能分配給特定引腳。

類(lèi)型定義使得微控制器板較容易使用Pmod接口標(biāo)準(zhǔn)，但仍然存在挑戰(zhàn)。利用許多微控制器有限的引腳復(fù)用能力，難以實(shí)現(xiàn)真正的通用接口，已被廢棄的Type 3 UART接口就是很好的例子。然而，即使存在局限性，對(duì)于原型或教育目的，Pmod接口是一種非常有用的擴(kuò)展端口。

Arduino偽標(biāo)準(zhǔn)

Arduino偽標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)完全不同的老頑固，是出于各種原因?yàn)椴煌后w開(kāi)發(fā)的不同平臺(tái)。最初的Arduino開(kāi)發(fā)板僅提供簡(jiǎn)單微控制器引腳，然后增加足夠的支持器件，從而使編程變得簡(jiǎn)單，并且愛(ài)好者仍然可承受。由于其簡(jiǎn)單性，原始引腳排列按照微控制器的性能定義。

隨著平臺(tái)發(fā)展到支持功能更多的處理器，該偽標(biāo)準(zhǔn)逐漸碎片化，具有各種引腳復(fù)用組合，可以說(shuō)是例外多于規(guī)則。有些問(wèn)題，例如支持不同的I/O電壓以及I2C信號(hào)的不一致性，在第3版的UNO板中得到了解決。然而，在將擴(kuò)展板與Arduino開(kāi)發(fā)板(或任何Arduino衍生產(chǎn)品)配對(duì)使用時(shí)，必須仔細(xì)檢查兼容性。并且可供選擇的Arduino衍生產(chǎn)品很多(圖2)，即使僅限于A(yíng)rduino網(wǎng)站提供的官方開(kāi)發(fā)板，引腳兼容性也并不簡(jiǎn)單。但是，一般而言，每個(gè)具有特殊功能的Arduino引腳也可用作通用I/O (即GPIO)。

圖2 .Arduino開(kāi)發(fā)板配置為多種衍生產(chǎn)品，以支持不同的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。

與Pmod接口中一個(gè)引腳可用作多種特殊功能不同，大多數(shù)Arduino引腳通常執(zhí)行單一的特殊功能。從根源上講，Arduino偽規(guī)范比Pmod接口更適合于微控制器。所以，這就是Arduino規(guī)格的微控制器板比Pmod連接器的微控制器板更容易找到的原因。

Pmod與Arduino接口之間的映射

我們可以采用Pmod接口和Arduino偽標(biāo)準(zhǔn)，兩者各有眾多來(lái)源可供使用。是否能夠使某個(gè)平臺(tái)的外設(shè)與另一平臺(tái)的控制器進(jìn)行通信呢？當(dāng)然，一切皆有可能，但有時(shí)候治療比疾病本身更糟糕。

如果將Arduino UNO第3版引腳排列與Pmod規(guī)范進(jìn)行比較，您馬上會(huì)發(fā)現(xiàn)Arduino板上有22個(gè)信號(hào)引腳，而Pmod連接器上只有8個(gè)引腳。從技術(shù)上講，有可能將全部22個(gè)引腳串行化，使其通過(guò)Pmod提供的8個(gè)引腳，然后在另一側(cè)對(duì)其進(jìn)行解串，但我們將這一工作留給讀者。將22個(gè)Arduino信號(hào)自適應(yīng)映射到Pmod規(guī)范定義的不同類(lèi)型(見(jiàn)圖1)，是可以做到的，但仍不輕松。以上圖1所示為5種不同類(lèi)型的Pmod接口。許多信號(hào)采用電平觸發(fā)，可由軟件通過(guò)GPIO引腳控制。然而，有些信號(hào)采用時(shí)間觸發(fā)協(xié)議，利用微控制器內(nèi)部的外設(shè)更容易控制。所以，困難在于將微控制器的所有專(zhuān)用引腳映射到Pmod規(guī)范定義的引腳。

建議方案：使用串行控制交叉點(diǎn)開(kāi)關(guān)

解決映射問(wèn)題的一種途徑是在電路板上安裝配置跳線(xiàn)陣列。這種方法盡管很簡(jiǎn)單明了，但既不美觀(guān)也不人性化。適合Arduino板尺寸的說(shuō)明文字字體會(huì)非常模糊難辨。許多引腳可能是雙向的，所以簡(jiǎn)單的邏輯門(mén)不是信號(hào)連接的好選擇。模擬開(kāi)關(guān)能起作用，但沒(méi)有足夠的附加引腳來(lái)對(duì)其進(jìn)行獨(dú)立控制。利用I2C端口擴(kuò)展器，可解決引腳短缺的問(wèn)題。誠(chéng)然，這種方法不比跳線(xiàn)更巧妙，但可通過(guò)軟件配置。

如果沒(méi)有串行控制16:2多路復(fù)用器，MAX14661，這種方法似乎毫無(wú)希望。咋一看，支持所有不同類(lèi)型的Pmod好像需要四片器件，那么這種方法很難說(shuō)比端口擴(kuò)展器方案好多少。實(shí)際情況真的會(huì)是這樣，除非...MAX14661具有特殊功能。該器件允許同時(shí)激活任意開(kāi)關(guān)組合，所以可用作8:8交叉點(diǎn)開(kāi)關(guān)。

至此為止，一切順利。但是，不可否認(rèn)，8:8交叉點(diǎn)配置有一個(gè)局限性：同時(shí)只能傳輸兩路獨(dú)立信號(hào)，每個(gè)COM引腳一路。但同時(shí)兩路信號(hào)有什么好處？如上所述，大多數(shù)信號(hào)可由GPIO驅(qū)動(dòng)，只有少數(shù)信號(hào)要求內(nèi)部外設(shè)控制器。如果每個(gè)引腳分配一路GPIO，只有時(shí)間觸發(fā)的串行線(xiàn)路需要通過(guò)復(fù)用器連接。UART和I2C為2線(xiàn)總線(xiàn)，所以不適合通過(guò)復(fù)用器的唯一串行總線(xiàn)是SPI。SPI只有一種接口定義，所以將SPI信號(hào)直接連接至連接器，作為這些接口的GPIO連接。當(dāng)其中某個(gè)引腳需要用作時(shí)間觸發(fā)功能時(shí)，只需將GPIO置于三態(tài)。

信號(hào)電平怎么樣呢？最初的Arduino設(shè)計(jì)及許多后來(lái)者使用5V信號(hào)電平，但現(xiàn)在5V信號(hào)沒(méi)有以前那么常見(jiàn)。為解決這一問(wèn)題，后來(lái)的Arduino版增加了IOREF引腳，以表示基于較低電壓微控制器的衍生品。Pmod連接器沒(méi)有IOREF引腳，但其絕大多數(shù)模塊支持3.3V信號(hào)。幸運(yùn)的是，MAX14611等雙向電平轉(zhuǎn)化器解決了這一問(wèn)題。只需將Arduino信號(hào)連接至由IOREF供電的電平轉(zhuǎn)換器的一側(cè)。然后將另一側(cè)連接至由Arduino板上專(zhuān)用3.3V電平供電的Pmod連接器。MAX14661多路復(fù)用器采用1.8V至5V的電源供電時(shí)可承受及傳輸-5V至+5V的任何信號(hào)，所以可安裝在電平轉(zhuǎn)換器的任何一側(cè)。由于至多路復(fù)用器的Arduino連接多于Pmod連接，所以將MAX14611安裝在電平轉(zhuǎn)換器的Arduino很有意義。按照這種方式，Pmod連接器處只需要兩片4通道器件(圖3)。

圖3. 建議方案的邏輯圖。

方案評(píng)估

該方案的關(guān)鍵是每個(gè)通道支持同時(shí)多個(gè)連接。COM引腳不連接，但在復(fù)用器內(nèi)部用于選擇連接。MAX14661的16個(gè)復(fù)用連接中的8個(gè)專(zhuān)用于Pmod連接器，也連接至4路支持SPI的信號(hào)和4路其它GPIO(圖3)。其它8個(gè)復(fù)用連接綁定至2線(xiàn)串行總線(xiàn)和其它時(shí)間關(guān)鍵信號(hào)，例如PWM或定時(shí)器引腳。例如，為實(shí)施I2C類(lèi)型，只需配置復(fù)用器，在通道A上使能SDA引腳和Pmod引腳4，在通道B上使能SCL和Pmod引腳3。通道A和B是任意選擇的，可隨意交換。實(shí)際上，甚至可以使能Pmod連接器上第二排的引腳3和4，以訪(fǎng)問(wèn)另外的6引腳I2C Pmod。如果I2C器件的地址不同，甚至可使兩個(gè)端口保持工作狀態(tài)，或者動(dòng)態(tài)激活，以支持相同地址的兩個(gè)器件。使用跳線(xiàn)方法，根本不可能在兩個(gè)具有相同地址的器件之間進(jìn)行動(dòng)態(tài)切換。使用MAX14661，能夠以編程方式配置所有指定的Pmod類(lèi)型，甚至非標(biāo)準(zhǔn)類(lèi)型，而只需單片尺寸僅為4mm X 4mm的有源器件。

為什么有人設(shè)計(jì)非標(biāo)準(zhǔn)Pmod？原因之一是與微控制器相同的引腳復(fù)用問(wèn)題。例如，MAX14661支持I2C和SPI控制，取決于配置引腳的狀態(tài)。MAX14661的外設(shè)模塊的引腳排列與SPI Pmod類(lèi)型相匹配，但時(shí)鐘和數(shù)據(jù)引腳與Digilent Pmod規(guī)范規(guī)定的I2C引腳不匹配。適配卡上的MAX14661可將SDA和SCL信號(hào)映射到任意Pmod引腳，可用于支持非標(biāo)準(zhǔn)MAX14661外設(shè)模塊、I2C引腳映射。MAX14661也有兩個(gè)地址引腳，以支持4個(gè)不同的I2C器件地址。因此，可將系統(tǒng)設(shè)計(jì)為支持同一總線(xiàn)上的多個(gè)器件。

使用MAX14661復(fù)用I2C總線(xiàn)時(shí)，在帶內(nèi)發(fā)送命令。切換將與I2C總線(xiàn)同步生效。當(dāng)然，在帶外復(fù)用I2C總線(xiàn)具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)槿绻恍⌒模瑫?huì)在從機(jī)將SDA線(xiàn)拉低時(shí)斷開(kāi)；下次選擇該總線(xiàn)分支時(shí)，分支可能鎖死。MAX14661始終在I2C寫(xiě)命令結(jié)束時(shí)轉(zhuǎn)換總線(xiàn)，此時(shí)開(kāi)關(guān)另一側(cè)的器件應(yīng)為空閑。