[米联客-XILINX-H3_CZ08_7100] FPGA_SDK入门篇连载-14 PS SPI扩展GPIO实验

​ 软件版本：VIVADO2021.1
操作系统：WIN10 64bit
硬件平台：适用 XILINX A7/K7/Z7/ZU/KU 系列 FPGA
实验平台：米联客-MLK-H3-CZ08-7100开发板
板卡获取平台：https://milianke.tmall.com/
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1 概述

前文中我们掌握了 ZYNQ 的 SPI 控制器的使用，本文中通过动态驱动数码管进一步展示 SPI 控制器的使用。本文所用到的 74HC595 是一种常见的串并转换芯片，74HC595 支持级联，可以实现一个 SPI 接口扩展大量 IO。以下的示意图中，ZYNQ 需要提供 SPI 控制器的 MOSI 和 SCK 以及一个 LACH 信号，提供给 74HC595,通过 74HC595扩展了16 个 IO 动态驱动 4 位数码管。

实验目的：

1:阅读 74HC595 数据手册，掌握 74HC595 芯片的串并转换时序

2:熟悉数码管动态显示原理

3:通过 VITIS-SDK 以及 SPI 控制器完成对 74HC595 芯片串并转换，并且动态驱动数码管

2 系统框图
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3 使用74HC595驱动数码管
3.1 数码管动态显示原理
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如上图所示，为我们 4 位共阳极 7 位数码管的电路原理图，这里的数码管是共阳极驱动，所以当 74HC595 U2

的 QA、QB、QC、QD 控制数码管的阳极，也就是负责选通哪一个数码管点亮；而 74HC595 U1 控制显示具体的数值内容。动态显示的原理就是某一个时刻只显示 1 个数码管，对于我们人眼来说刷新率在 25hz 以上就会感觉所有数码管都是同时点亮的效果。

我们看到数码管的字母 abcdefgdp 代表的是数码意思呢？如下图所示，就是代表了每个 LED，当设置 abcdefgh

种任意位为 0 就是点亮数码管。所以我们可以得出一个表，用于显示相应的数值。

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3.2 认识74HC595使用
1:74HC595的内部功能单元
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我们先从 74HC595 内部的原理图看下芯片的功能。可以看到里面最关键功能单元是 8 个 D 触发器用于移位和另外8个D触发器用于数据的输出到功能 PIN 脚上。我们 SPI 接口的数据从 Serial input A 输入，并且通过 SHIFT CLOCK 每个时钟移位进入 74HC595 的触发器中，一个74HC595 支持 8bit IO 扩展，如果需要更多 IO，则可以通过74HC595 的级联输出到下一个 74HC595 芯片的输入。如上面图片所示，我们的为了动态驱动数码管，扩展了16个IO(其中有 4 个本例中没有用到)。比如本文中的例子，我们完成了 16bit 数据的移位，那么需要通过 LATCH CLK把数据从移位寄存器打入输出寄存器。

2:74HC595 驱动真值表
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以上这张表是来源于 74HC595 的计数手册，笔者红线框出的部分就是我们需要设计的驱动时序要求。从中可

以看到，74HC595 工作需要设置复位管脚为高电平，并且设置 Output Enable 为低电平。第一个红框中数据在每个

shift Clock 的上升沿打入移位寄存器。在第二个红框中 Latch Clock 为上升沿的时候，数据从移位寄存器打入输出寄存器。

3:74HC595 关键的时序要求

另外我们需要了解下驱动时序，数据需要满足建立和保持时间。和我们 FPGA 的课程不一样，FPGA 的课程部分，SPI 控制器是自己设计的，所以需要自己设计时序，而 ZYNQ 的 SPI 控制器是已经做好了，一般只要 SCK 不是频率太高都能满足要求。

以下关于 74HC595 的两张时序表如下：

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一张图如下：
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4 硬件电路分析

注意：FEP 扩展卡有 1.8V 和 3.3V 之分，默认 MLK-H3_CZ08_7100使用 1.8V 版本 IO 的扩展卡。

以下是 74HC595 驱动数码管的硬件原理图
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MLK_H3_CZ08-7100功能底板的 FEP 接口定义如下：

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5 搭建 SOC 系统工程
详细的搭建过程这里不再重复，对于初学读者如果还不清楚如何创建 SOC 工程的，请学习“01Vitis Soc 开发入门”这篇文章。
5.1SOC 系统工程
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ZYNQ IP 中设置 SPI0
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设置 SPI 的参考时钟，以及 PL 50M 时钟提供给 ILA 使用
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ILA 设置
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5.2 编译并导出平台文件
以下步骤简写，有不清楚的看第一篇文章。
1:单击 Block 文件→右键→Generate the Output Products→Global→Generate。
2:单击 Block 文件→右键→ Create a HDL wrapper(生成HDL 顶层文件)→Let vivado manager wrapper and auto-update(自动更新)。
3:添加配套工程路径下 uisrc/04_pin/fpga_pin.xdc 约束文件
4:生成 Bit 文件。
5:导出到硬件: File→Export Hardware→Include bitstream
6:导出完成后，对应工程路径的 soc_hw 路径下有硬件平台文件：system_wrapper.xsa 的文件。根据硬件平台文件
system_wrapper.xsa 来创建需要 Platform 平台。
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6 搭建 Vitis-sdk 工程 创建 soc_base sdk platform 和 APP 工程的过程不再重复，如果不清楚请参考本章节第一个 demo。
6.1 创建 SDK Platform 工程
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右击 soc_base 编译，编译的时间可能会有点长
6.2 创建 APP 工程
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7 程序分析
由于对于 SPI 的驱动部分在前面文章中已经做了详细分析，所以我们这里不再重复。这里给出应用程序源码

1. #include "spips.h"
   
2. #include "xgpiops.h"
   
3. #define GPIO_DEVICE_ID
   
4. XPAR_XGPIOPS_0_DEVICE_ID
   
5. #define hc595_lach (54)
   
6. extern XSpiPs SpiInstance;
   
7. extern u8 *ReadBuf ;
   
8. extern u8 *SendBuf ;
   
9. XGpioPs Gpio;
   
10. //0~9 数码管对应的二进制码
    
11. //zero = 0XC0
    
12. //one = 0XF9
    
13. //two = 0XA4
    
14. //three= 0XB0
    
15. //four = 0X99
    
16. //five = 0X92
    
17. //six = 0X82
    
18. //seven= 0XF8
    
19. //eight= 0X80
    
20. //nine = 0X90
    
21. u8 dpy_val[10]= {0XC0,0XF9,0XA4,0XB0,0X99,0X92,0X82,0XF8,0X80,0X90};
    
22. void gpio_init()//初始化GPIO
    
23. {
    
24. XGpioPs_Config *ConfigPtr;
    
25. ConfigPtr = XGpioPs_LookupConfig(GPIO_DEVICE_ID);
    
26. XGpioPs_CfgInitialize(&Gpio, ConfigPtr,ConfigPtr->BaseAddr);
    
27. XGpioPs_SetDirectionPin(&Gpio, hc595_lach, 1);
    
28. XGpioPs_SetOutputEnablePin(&Gpio, hc595_lach, 1);
    
29. XGpioPs_WritePin(&Gpio, hc595_lach, 0x1);
    
30. }
    
31. int main(void)
    
32. {
    
33. int dpy_n = 0;
    
34. gpio_init();
    
35. SpiPs_Init(&SpiInstance,SPI_DEVICE_ID);
    
36. while(1)
    
37. {
    
38. switch(dpy_n)
    
39. {
    
40. case 0:
    
41. SendBuf[0] = 0x08;//8'b00001000;动态驱动第4位数码管的值
    
42. SendBuf[1] = dpy_val[0];
    
43. break;
    
44. case 1:
    
45. SendBuf[0] = 0x04;//8'b00000100; 动态驱动第3位数码管的值
    
46. SendBuf[1] = dpy_val[1];
    
47. break;
    
48. case 2:
    
49. SendBuf[0] = 0x02;//8'b00000010; 动态驱动第2位数码管的值
    
50. SendBuf[1] = dpy_val[2];
    
51. break;
    
52. case 3:
    
53. SendBuf[0] = 0x01;//8'b00000001; 动态驱动第1位数码管的值
    
54. SendBuf[1] = dpy_val[3];
    
55. break;
    
56. default:
    
57. SendBuf[0] = 0x0;
    
58. SendBuf[1] = 0x0;
    
59. break;
    
60. }
    
61. XGpioPs_WritePin(&Gpio, hc595_lach, 0x0); //595芯片的lach信号设置低电平
    
62. SpiPs_Send(&SpiInstance,SendBuf,2); //SPI发送数据
    
63. XGpioPs_WritePin(&Gpio, hc595_lach, 0x1); //595芯片的lach信号设置高电平更新数据到595的IO
    
64. if(dpy_n < 3) //完成显示器的动态切换
    
65. dpy_n++;
    
66. else
    
67. dpy_n = 0;
    
68. }
    
69. return 0;
    
70. }

复制代码

以上代码中实现了动态点亮数码管，通过在线逻辑分析仪可以查看我们的 SPI 驱动时序。
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8 实验结果
8.1 硬件准备

本实验需要用到 JTAG 下载器、USB 转串口外设，另外需要把核心板上的 2P 模式开关设置到 JTAG 模式，即ON ON(注意新版本的 MLK_H3_CZ09_7035)，支持 JTAG 模式，对于老版本的核心板，JTAG 调试的时候一定要拔掉TF卡，并且设置模式开关为 OFF OFF)

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8.2 实验结果
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