实现单片机与FPGA的双向并口通信

    这个暑假我在进行电子竞赛的培训，对于这个问题找到了一些相关的资料，可以提供一些帮助。

    如果是这方面的高手的话，其实会发现这个原理很简单，只要理解一些I/O口的设置就能完成了。但是如果对于单片机或者FPGA的I/O口的电路不理解的话可能就会走许多的歪路了。

    闲话少说，进入正题。

    首先，还是要理解所谓的推挽输出与漏极输出两者的区别。先说说漏极开路（OD)，它与集电极开路（OC）是一致的，就是把下图的三极管改成CMOS管就是了。

    集电极开路（OC）输出的结构如图1所示，右边的那个三极管集电极什么都不接，所以叫做集电极开路（左边的三极管为反相之用，使输入为“0”时，输出也为“0”）。对于图1，当左端的输入为“0”时，前面的三极管截止（即集电极C跟发射极E之间相当于断开），所以5V电源通过1K电阻加到右边的三极管上，右边的三极管导通（即相当于一个开关闭合）；当左端的输入为“1”时，前面的三极管导通，而后面的三极管截止（相当于开关断开）。

   为了方便理解，我们把上面的图1改写成图2的样子。

图2中的开关受软件控制，“1”时断开，“0”时闭合。很明显可以看出，当开关闭合时，输出直接接地，所以输出电平为0。而当开关断开时，则输出端悬空了，即高阻态。这时电平状态未知，如果后面一个电阻负载（即使很轻的负载）到地，那么输出端的电平就被这个负载拉到低电平了，所以这个电路是不能输出高电平的。也就是说这个输出端的电平是受负载的影响的。这样是很不稳定的，要避免这种情况。最多的就是使用上拉电阻。

    再看图三。图三中那个1K的电阻即是上拉电阻。如果开关闭合，则有电流从1K电阻及开关上流过，但由于开关闭和时电阻为0（方便我们的讨论，实际情况中开关电阻不为0，另外对于三极管还存在饱和压降），所以在开关上的电压为0，即输出电平为0。如果开关断开，则由于开关电阻为无穷大（同上，不考虑实际中的漏电流），所以流过的电流为0，因此在1K电阻上的压降也为0，所以输出端的电压就是5V了，这样就能输出高电平了。但是这个输出的内阻是比较大的（即1KΩ），如果接一个电阻为R的负载，通过分压计算，就可以算得最后的输出电压为5*R/(R+1000)伏，即5/(1+1000/R)伏。所以，如果要达到一定的电压的话，R就不能太小。如果R真的太小，而导致输出电压不够的话，那我们只有通过减小那个1K的上拉电阻来增加驱动能力（所谓的驱动力，往往与电流有关的）。但是，上拉电阻又不能取得太小，因为当开关闭合时，将产生电流，由于开关能流过的电流是有限的，因此限制了上拉电阻的取值，另外还需要考虑到，当输出低电平时，负载可能还会给提供一部分电流从开关流过，因此要综合这些电流考虑来选择合适的上拉电阻。

P.S：说到OC门的话，大家都能想到三态门，那么就不得不提起它的“线与”功能了，这个功能是很方便的。操作上面也很简单。如下附图：

   另一种输出结构是推挽输出。推挽输出的结构就是把上面的上拉电阻也换成一个开关，当要输出高电平时，上面的开关通，下面的开关断；而要输出低电平时，则刚好相反。比起OC或者OD来说，这样的推挽结构高、低电平驱动能力都很强。如果两个输出不同电平的输出口接在一起的话，就会产生很大的电流，有可能将输出口烧坏。而上面说的OC或OD输出则不会有这样的情况，因为上拉电阻提供的电流比较小。如果是推挽输出的要设置为高阻态时，则两个开关必须同时断开（或者在输出口上使用一个传输门），这样可作为输入状态，有些单片机的一些IO口就是这种结构。

 总结：从上面也可以知道了，I/0输出有两种方式。那么现在的难点就是如何让I/0口输入数据。其实上面已经讲过了，就是只需要把输出设置为高阻状态就可以了。那么有些新人就会问了，都设成高阻状态了，数据还怎么输入啊？这其实是一个误区，其根本是没有理解I/O口的结构。

   如果我们将一个读数据用的输入端接在输出端（这就是上面疑惑的答案了），这样就是一个IO口了（51的IO口就是这样的结构，其中P0口内部不带上拉，而其它三个口带内部上拉），如图4所示。当我们要使用输入功能时，只要将输出口设置为1即可，也就是要把下面的z=1,这样就相当于那个开关断开，而对于P0口来说，就是高阻态了。

     到现在为止，已经把输入输出端口原理已经讲明了了。如果理解了上面所讲的，那么写程序也就是的把对应的端口进行设置就OK了，比较简单的。如果不明白，可以问我，QQ或者邮件都可以，最后我会留下联系方式的。[page]

     那么下面我们开始讲解一下相应的程序语言吧。我用的单片机芯片是加强型的51单片机C8051F020，它都外扩了一些功能，如AD、DA、温度传感器，但是核心还是没有改变的。要与FPGA进行通信，我用Quartus II的VHDL语言进行编程。也就是说，单片机与FPGA都要进行相应的端口设置。

     先讲解一下FPGA方面的编程，如图5，这是在Quartus II界面里的图形

其中端口含义如下：in_num[15..0]——代表要从FPGA向单片机传输的数据总线

                  out_num[15..0]——代表要从单片机传送给FPGA的数据总线，它与in_num[15..0]在直
                                    接与其它的端口（软件界面里面）直接与其它端口连接

                  Mcu[15..0]——代表硬件上要与单片机连接的端口。

                  clk---则是时钟信号，

                  en--使能信号，当它为高的时候，则单片机向FPGA传输数据，否则传输方向相反。

   对应的VHDL放言如下：

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;

entity interface2 is
 port(Mcu:inout std_logic_vector(15 downto 0);                  

      in_num:in std_logic_vector(15 downto 0);               

      out_Num:out std_logic_vector(15 downto 0);                   

      clk:in std_logic;
      en:in std_logic);
end interface2;

architecture rtl of interface2 is
    signal a,b:std_logic_vector(15 downto 0);
begin
   common: process(clk)
   begin
     if(clk'event and clk='1')then
        a<=in_num;
        out_num<=b;
      end if;
     end process;

   Wri_Read:process(en,Mcu)
    begin
      if(en='1')then                                  

           Mcu<=(others=>'Z');                          --

          b<=Mcu;                                 
       else
          Mcu<=a;                                    --当en='0'的时候,就作为输出端口
       end if;
   end process;
  end rtl;

这里有几个注意点：一、首先最好只用一个双向口，也就是我这里的Mcu[15..0]，另外一个“双向口”则等效成一个输入口与一个输出口，也就是这里in_num[15..0]与out_num[15..0].否则会有麻烦的。 因为如果不这么做，那么在Quartus里面与这个双向口相连的端口必须都要设成双向口，这样的话，嘿嘿...       

二、与那个Mcu[15..0]相联系的端口必须是双向口的，具体图解如下。

   最后，进行单片机方面的设置了，其中最重要的就是端口初始化了。如下：

//这个是FPGA要求的,当从FPGA里读取数据时所要满足的条件
//众所周知,在双向口的设置中,对于端口的输入与输出的设置是最重要的
//输入时一定要记得把双向口的输出设置为高阻状态,在单片机中要记得设置为漏极开路
//当输出要记得把单片机设置为推挽输出,否则设置为漏极开路的话是达不到效果 的
void  ReadData(void)
{
     en=0;                       //这部分要与fpga联合起来设置     P1MDOUT=0x00;               //此时单片机设置为漏极开路,在对端口写1时才能呈现高阻状态
  P74OUT=0x00;                //这里我用的单片机是用P1口与P4口用来传输数据的
  P1=0xff;                    //对应端口写1,设置成高阻状态
  P4=0xff;                    //对应端口写1,设置成高阻状态
}

//这个也是FPGA要求的,当往FPGA里写入数据时所要满足的条件
void  WriteData(void)
{
     en=1;                       //当en=1时,我要向fpga里面写数据了,
     P1MDOUT=0xff;               //写数据的时候,别忘记把对应的端口改成用推挽方式
  P74OUT=0x03;                //不用的引脚设成漏极开路的状态.当输出的方式时才把它设为推挽输出
}

好了，到现在为止，我已经把我知道都写在这里了。如果认为我这篇文章对你有帮助的话，还请多多支持。回贴是一种美德。