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DPOT AD5160 Pmod控制器(顶层文件): pmod_dpot_ad5160.vhd (7.4 KB)
SPI主控制器(需同时加入项目): spi_master.vhd (8.8 KB)
特性
- 用于Digilent Pmod DPOT模块(适配ADI AD5160数字电位器)的流线型接口VHDL源码
- 通过简易并行接口接收数字电位器设置数据
- 处理与DPOT Pmod模块的所有串行通信
- 可配置系统时钟频率
概述
本文详述了用于连接Digilent DPOT AD5160 Pmod模块的VHDL组件，如图1所示。图2展示了该数字电位器Pmod控制器在系统中的典型集成方案。如图所示，DPOT Pmod控制器连接Pmod接口并执行设置数字电位器阻值的操作。数据通过简易并行接口锁存，可连接至用户逻辑或FPGA输入端口。
图 1. Digilent DPOT Pmod模块
图 2. 应用实例
背景知识
DPOT Pmod模块采用AD5160系列器件，提供8位分辨率的10kΩ数字电位器。电阻值 RWB 和 RWA 通过SPI接口设置。最小阻值由滑动触点电阻RW 决定，典型值为60Ω。(但实测样品为89Ω)该电位器具有256个触点，滑动端可在A、B端点间切换，因此电阻值以每比特约39Ω的增量进行设置。公式1和公式2分别定义了电阻 RWA 和 RWB 。
工作原理
DPOT Pmod控制器采用简单状态机及技术论坛提供的SPI主控组件来设置数字电位器的滑动端位置。
状态机
该设计使用图3所示的状态机实现其操作。组件启动后立即进入初始状（ start ） 态。在此状态保持100微秒，确保Pmod模块有充足的上电时间。随后进入暂停（ pause ） 状态。在此状态下，确保与DPOT模块的两次操作间隔至少100纳秒（AD5160数据手册规定最小间隔为40纳秒）。接着解除忙（ busy ） 信号，表明DPOT Pmod控制器已准备好进行新操作，并进入就绪（ ready ） 状态。在就绪状态等待，当检测到dpot_tx_ena 使能信号有效时，锁存新操作数据并进入发送数据（ send_data ） 状态。在此状态下执行与Pmod模块的操作，完成后返回暂停（ pause ）状态。虽未图示，但任何时候重置组件都会使其返回初始（ start ） 状态。
图 3 。 状态图
SPI 主控
在发送数据（ send_data ） 状态期间，状态机控制SPI主控组件与Pmod上的数字电位器通信。SPI主控组件文档详见此处。
SPI主控配置为CPOL=0且CPHA=0，以满足AD5160数字电位器的要求。
时钟配置
通过为ENTITY中定义的GENERIC参数clk_freq 和spi_clk_div 赋值，可配置该DPOT Pmod控制器的时钟。clk_freq 参数必须设置为clk 输入端口提供的系统时钟频率（单位MHz）。公式3定义了spi_clk_div 值的计算方法。
其中fclk 表示所提供系统时钟的频率（单位MHz）。
例如，代码中指定的默认值为 spi_clk_div = 1。这是因为该组件是在使用50 MHz系统时钟的情况下开发和测试的。50/50 = 1.任何 clk_freq ≤ 50 MHz 都会导致默认的 spi_clk_div = 1。
公式4定义了由此产生的串行时钟频率 fsclk。
此计算确保串行时钟低于数字电位器规定的最大通信频率25 MHz。
事务处理
DPOT Pmod控制器通过其busy 输出指示其可用性。当busy 信号为‘0’时，控制器准备接受发送到DPOT Pmod的事务。置位dpot_tx_ena 输入会锁存dpot_data 的当前值。一旦锁存，控制器（Controller）会置位busy信号，表示正在进行事务处理，因此当前不可用。当事务完成时，控制器再次取消busy 信号，表示已准备好接受另一个请求。
事务处理示例
图4展示了一个事务处理示例。busy 信号为‘0’。用户逻辑随后置位dpot_tx_ena 信号，将dpot_data 总线上的数据发送到DAC。控制器置位busy 信号，表示请求已锁存，此时用户逻辑可以取消dpot_tx_ena 信号。控制器向DPOT Pmod发送串行通信，然后在事务和100ns暂停完成后取消busy 信号。
如果dpot_tx_ena 信号未被取消，一旦控制器可用，新的事务请求会立即被锁存并开始。
图 4. 事务处理示例
端口描述
表1描述了DPOT Pmod控制器的端口。
表 1. 端口描述
连接
该Pmod模块配备一个6针连接器J1。表2提供了该连接器的引脚定义。需将DPOT Pmod控制器的端口分配至FPGA引脚，这些引脚已按所列方式路由至该连接器。
表 2. DPOT Pmod引脚定义及与DPOT Pmod控制器的连接
复位
reset_n 输入端口必须保持逻辑高电平，DPOT Pmod控制器组件才能运行。该端口低电平时将异步复位组件。复位期间，组件会中止与DPOT Pmod的当前事务，并将busy 输出置高表示不可用。复位释放后，DPOT Pmod控制器将重新开始运行。
结论
该DPOT Pmod控制器是可编程逻辑组件，用于连接Digilent的DPOT AD5160 Pmod模块。它简化了与数字电位器的数据交互以设置其电阻值。