FPGA 解析PS2游戏手柄

FPGA开发之解析SONY-PS2手柄SPI协议

在嵌入式开发过程中，常用到的通讯方式之一就是SPI协议，SPI(Serial Peripheral Interface–串行外设接口)总线系统是一种同步串行外设接口，通常通过四根线即可实现通讯

• 使用对象：PS2游戏手柄
• 使用环境：ISE14.7和BASYS2开发板

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1.PS2游戏手柄及其协议介绍

自从PS2手柄被破解后，许多玩家喜欢用它作为遥控器做DIY小机器人，它使用的是SPI通信协议，且两个摇杆可以输出四路模拟量

接收器的接口定义为：

DI/DAT:手柄接收器发送给主机（本实验中为FPGA）的信号，此信号是一个8bit 的串行数据，同步传送于时钟的下降沿。
DO/CMD: 主机发送给手柄接收器的信号，信号是一个8bit 的串行数据，
同步传送于时钟的下降沿。
NC:空端口;
GND:电源地;
VDD: 接收器工作电源，电源范围3~5V;
CS/SEL :用于提供手柄触发信号。在通讯期间，处于低电平，即主机拉低CS信号线表明开始通讯;
CLK: 时钟信号，由主机发出，用于保持数据同步;
NC: 空端口；
ACK: 从手柄到主机的应答信号。此信号在每个8bits 数据发送的最后一个周期变低并且CS一直保持低电平，如果CS 信号不变低，约60 微秒PS 主机会试另一个外设。本次未使用ACK 端口。

信号的读取在时钟由高到低的变化过程中完成。通讯过程如图所示

其中CLK周期为12us，在通讯过程中，cs信号在一串数据（九个字节，每个8位）发送完毕后才会拉高，而不是每个字节都拉高，在CLK时钟的下降沿完成数据的读取和发送，通讯过程如下

**首先FPGA拉低CS片选信号线，然后在每个CLK的下降沿读一个bit，每读八个bit（即一个byte）CLK拉高一小段时间，一共读九组bit。第一个byte是FPGA发给接收器命令“0X01”，手臂会在第二个byte回复它的ID，0x41=绿灯模式，0x73=红灯模式（摇杆有模拟量），同时第二个byte时主机发给接收器一个0x42请求数据，第三个byte接收器会给主机发送0x5A告诉主机数据来了，从第四个byte开始全是接收器给主机发送数据，每个byte定义如上图，当有按键按下时对应位为0。例如当LEFT按下时，byte3=01111111；
注意，发送数据的顺序是从低位bit0到高位bit7

2.SPI通讯波形

经过计算，每次读取数据时，CS片选信号拉低时间为1020us

每次拉低CS片选信号后，过6us时钟信号clk开始出现第一个下降沿，此时主机给接收器发送第一个byte的bit0，byte1=0x01=00000001，故bit0=1。如图所示，第一个byte期间一共八个clk的下降沿，读到的mosi的数据一次为bit0~bit7=10000000，即第一个byte为0x01，第二个byte期间读到的依次是01000010，即第二个byte为0x42，作用是请求数据

每读完一个byte，CLK信号拉高24us，然后读下一个byte，一共读9个byte，读完后拉高CS，结束本次通讯

Verilog代码实现

1.首先定义两个时钟，周期分别为6us和1020us，计算方法在我的上一篇博客讲过

always @(posedge clk)   //定义两个时钟，周期分别为6us和1020us
begin
        if(cnt_clk_6us == 10'b00_1001_0110-1) begin
            cnt_clk_6us <= 0;
            clk_6us <= ~clk_6us;   //按位取反
        end
        else
            cnt_clk_6us <= cnt_clk_6us + 1;


            if(cnt_1020us == 16'b0110_0011_1001_1100-1) begin    //  110 0011 1001 1100  周期1020us
            cnt_1020us <= 0;
            clk_1020us <= ~clk_1020us;   //按位取反
        end
        else
            cnt_1020us <= cnt_1020us + 1;
end

每10ms读取一次数据，定义一个reg trig作为一个中间变量，比CS信号提前6us，波形完全一样

always @( posedge clk_1020us)
begin
count_for_trig<=count_for_trig+1;
    if (count_for_trig==4'b0001)   
    trig<=0;
    else if (count_for_trig==4'b0010)   //trig拉低1020us
    trig<=1;
    else    if (count_for_trig==4'b1010)
    count_for_trig<=4'b0000;
end

trig作为处罚，引起CS和MOSI改变（MOSI为主机输出端口），定义trig的作用是是cs和mosi同时作用，因为always里是非阻塞赋值，如果检测到cs拉低再拉高mosi，mosi会慢6us

reg [7:0] data_in1;
reg [7:0] count_trig=0;
always @(negedge clk_6us)
begin
    if (trig==0)   
    begin
    scs<=0;    
    count_trig<=count_trig+1;
    //////////spi_clk波形产生////////////
            if ((017))   //byte1
            sclk<=~sclk;
            else if ((1936))  //byte2
            sclk<=~sclk;
            else if ((3855))  //byte3
            sclk<=~sclk;
            else if ((5774))  //byte4
            sclk<=~sclk;
            else if ((7693))  //byte5
            sclk<=~sclk;
            else if ((95112))  //byte6
            sclk<=~sclk;
            else if ((114131))  //byte7
            sclk<=~sclk;
            else if ((133150))  //byte8
            sclk<=~sclk;
            else if ((152169))  //byte9
            sclk<=~sclk;

    ///////////////////mosi波形产生///////////////////
    //通过波形图可以看出莫斯一共拉高了三次，每次持续12us，因为只需要发送一个0x01和0x42
    if (count_trig<2)
        smosi<=1;
    else if ((2023))
        smosi<=1;
    else if ((3033))
        smosi<=1;
    else 
        smosi<=0;


    //////////////读取miso////////////////////



        if (count_trig==58)    //读byte4
        data_in1[0]<=spi_miso;
    else if (count_trig==60)
        data_in1[1]<=spi_miso;
    else if (count_trig==62)
        data_in1[2]<=spi_miso;
    else if (count_trig==64)
        data_in1[3]<=spi_miso;
    else if (count_trig==66)
        data_in1[4]<=spi_miso;
    else if (count_trig==68)
        data_in1[5]<=spi_miso;
    else if (count_trig==70)
        data_in1[6]<=spi_miso;
    else if (count_trig==72)
        data_in1[7]<=spi_miso;  
    end
    else if(trig==1)   //不通讯时（即trig=1时）cs信号拉高，clk信号拉高
        begin
        scs<=1;
        sclk<=1;
        count_trig<=0;
        end
end

这样miso传过来的第四个字节就放到data_in1这个八位寄存器里了，后续的其他字节的读取以此类推，关于PS2手柄的跟详细教程百度上可以从搜到