MCU與DSP的SPI通信設(shè)計(jì)

引言

現(xiàn)今的工控系統(tǒng)中，為了提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和適用性，一般采用DSP來(lái)完成核心算法與控制，而使用MCU來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話(huà)，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制功能。這樣，DSP和MCU需要一種高效的數(shù)據(jù)總線(xiàn)來(lái)完成它們之間的大量數(shù)據(jù)傳送。SPI總線(xiàn)由于占用的接口線(xiàn)少，通信效率高，并且大部分處理器芯片都支持，因而是一種理想的設(shè)計(jì)方案。

針對(duì)交流伺服系統(tǒng)實(shí)際使用的要求，采用TI公司的高性能DSP控制器TMS320LF2407A（簡(jiǎn)稱(chēng)“2407A”）作為控制核心；選用TI公司生產(chǎn)的MSP430系列單片機(jī)中的MSP430F149作為人機(jī)界面的控制芯片，來(lái)實(shí)現(xiàn)按鍵和數(shù)據(jù)采集以及顯示的功能；采用SPI串口通信實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與DSP之間的數(shù)據(jù)傳輸。

1 系統(tǒng)硬件的構(gòu)成

1.1 MSP430

MSP430系列單片機(jī)是TI公司近幾年開(kāi)發(fā)的新一代單片機(jī)。該單片機(jī)在設(shè)計(jì)上打破常規(guī)采用了全新的概念,其突出的優(yōu)點(diǎn)是低電源電壓、超低功耗、多種功能。由于其功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他系列單片機(jī)的功能，因而又稱(chēng)為“混合型單片機(jī)”。MSP430具有非常高的集成度,單片集成了多通道的12位A/D轉(zhuǎn)換、片內(nèi)精密比較器、多個(gè)具有PWM功能的定時(shí)器、片內(nèi)USART、看門(mén)狗定時(shí)器、片內(nèi)數(shù)控振蕩器、大量的I/O端口以及大容量的片內(nèi)存儲(chǔ)器。同時(shí)，MSP430F149是Flash存儲(chǔ)器型單片機(jī)，具有良好的仿真開(kāi)發(fā)技術(shù)，設(shè)置有JTAG仿真接口和高級(jí)語(yǔ)言編譯器。在系統(tǒng)支持軟件下，在線(xiàn)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)的硬件調(diào)試及軟件開(kāi)發(fā)，包括匯編語(yǔ)言、C語(yǔ)言、連接及動(dòng)態(tài)調(diào)試，具有單步、多斷點(diǎn)和跟蹤，并且開(kāi)放全部存儲(chǔ)器、寄存器，可以方便、可靠地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行軟硬件開(kāi)發(fā)[12]。

基于以上特點(diǎn),該系列單片機(jī)在便攜式儀表、智能傳感器、實(shí)用檢測(cè)儀器、電機(jī)控制、家庭自動(dòng)化等領(lǐng)域的應(yīng)用較為普遍。

1.2 TMS320LF2407A

2407A是TI公司為滿(mǎn)足工業(yè)控制應(yīng)用，尤其是電機(jī)控制而設(shè)計(jì)的。把一個(gè)高性能的 DSP核和許多外圍設(shè)備集成到單片內(nèi)。2407A的40 MIPS的處理速度可以滿(mǎn)足快速地處理大量數(shù)據(jù)和算法的需要。

2407A具有豐富的外設(shè)模塊： 3K字的Flash程序存儲(chǔ)器、1.5K字的數(shù)據(jù)/程序RAM、544字雙口RAM(DARAM)和2K字的單口RAM(SARAM)、2個(gè)事件管理器EVA和EVB、16通道輸入的A/D轉(zhuǎn)換器，具有看門(mén)狗定時(shí)器模塊(WDT)、串行通信接口(SCI)、16位的串行外設(shè)接口模塊(SPI)、控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)2.0B模塊、基于鎖相環(huán)的時(shí)鐘發(fā)生器、高達(dá)40個(gè)可單獨(dú)編程或復(fù)用的通用輸入/輸出引腳、5個(gè)外部中斷。由此可以看出，2407A確實(shí)有著很強(qiáng)的實(shí)時(shí)處理能力，不失為高性能伺服驅(qū)動(dòng)控制的理想器件之一[3]。

1.3 硬件接口設(shè)計(jì)與SPI通信的實(shí)現(xiàn)

SPI通信設(shè)備在硬件連接上只需要將主機(jī)的發(fā)送與從機(jī)的接收相連，將主機(jī)的接收與從機(jī)的發(fā)送相連，將主機(jī)產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)輸出至從機(jī)的時(shí)鐘引腳上。單片機(jī)與外設(shè)的硬件連接如圖1所示。

圖1 MSP430F149與DSP的接口連接電路

單片機(jī)MSP430F149作為串行通信的主機(jī)， DSP 2407A則作為從機(jī)(slave)。其中，SPICLK為SPI時(shí)鐘引腳， SPISIMO為SPI從動(dòng)輸入/主動(dòng)輸出，SPISOMI為從動(dòng)輸出/主動(dòng)輸入，SPISTE為從動(dòng)發(fā)送使能。

從圖1可以看出，SPI通過(guò)一根時(shí)鐘引線(xiàn)將主機(jī)和從機(jī)同步，因此，它的串行數(shù)據(jù)交換不需要增加起始位、停止位等用于同步的格式位，直接將要傳送的數(shù)據(jù)寫(xiě)入主機(jī)的SPI發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器。這個(gè)寫(xiě)入過(guò)程自動(dòng)啟動(dòng)主機(jī)的發(fā)送過(guò)程，即在同步時(shí)鐘SPICLK的節(jié)拍下把SPITXBUF的內(nèi)容一位一位地移到引腳SPISIMO；對(duì)于從機(jī)，同樣在SPICLK的節(jié)拍下將出現(xiàn)在引腳SPISIMO上的數(shù)據(jù)一位一位地移到從機(jī)的移位寄存器，當(dāng)接收完一個(gè)完整的數(shù)據(jù)塊后，設(shè)置中斷標(biāo)志通知從機(jī)這個(gè)數(shù)據(jù)塊已接收完畢，并同時(shí)將移位寄存器接收到的內(nèi)容復(fù)制到從機(jī)的SPI接收數(shù)據(jù)寄存器SPIRXBUF?？梢钥闯觯脩?hù)編程只需在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)寫(xiě)數(shù)據(jù)到SPI發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器，在接收數(shù)據(jù)時(shí)讀SPI接收數(shù)據(jù)寄存器，其余的工作都由SPI模塊自動(dòng)完成[4]。

2 軟件設(shè)計(jì)

MSP430F149和DSP都允許用戶(hù)用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言進(jìn)行編程。系統(tǒng)中DSP對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，對(duì)運(yùn)行速度要求嚴(yán)格，所以程序采用匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。MSP430實(shí)現(xiàn)按鍵顯示、數(shù)據(jù)管理和指令傳輸?shù)裙δ?，?duì)運(yùn)行速度要求不高，所以采用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。

軟件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是：初始化相應(yīng)的寄存器；單片機(jī)在相應(yīng)的界面發(fā)送數(shù)據(jù)；DSP及時(shí)接收到達(dá)串口的數(shù)據(jù)，識(shí)別并保存數(shù)據(jù)。

2.1 通信協(xié)議的設(shè)置

兩個(gè)設(shè)備之間要實(shí)現(xiàn)相互通信，首先必須規(guī)定用以傳輸數(shù)據(jù)的協(xié)議。一般來(lái)說(shuō)，主機(jī)發(fā)送命令和配置信息給從機(jī)，而從機(jī)則向主機(jī)發(fā)送反饋信息。系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的是單片機(jī)向DSP發(fā)送數(shù)據(jù)信息，單片機(jī)首先發(fā)送指令數(shù)據(jù)表示主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的過(guò)程開(kāi)始。如果發(fā)送的是0，則標(biāo)志著該過(guò)程的開(kāi)始。為了避免誤操作指令數(shù)據(jù)發(fā)送兩次，DSP接收的兩個(gè)數(shù)據(jù)都是0時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的操作，否則重新傳輸指令數(shù)據(jù)。然后把單片機(jī)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)存放在一個(gè)數(shù)組里面依次傳送，比如要傳輸3個(gè)數(shù)據(jù)，則定義數(shù)組a[0]和a[1]存放指令數(shù)據(jù)，a[2]到a[4]存放需要傳送的數(shù)組。

2.2 串行口的初始化

單片機(jī)的SPI初始化包括：把相應(yīng)的I/O口配置成具有SPI特殊功能的接口，時(shí)鐘模式的選定，波特率的選擇，發(fā)送接收數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的選擇，內(nèi)部相對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘使能。所有設(shè)置都是通過(guò)設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)的SPI控制寄存器實(shí)現(xiàn)的[5]。

初始化程序如下：

WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD;//關(guān)閉看門(mén)狗
BCSCTL1 = RSEL0 + RSEL1 + RSEL2; // XT2on
BCSCTL2 = SELM1 + SELS;//選擇高速晶體振蕩器作為時(shí)鐘源
UCTL1=CHAR + SYNC + MM + SWRST;//SPIZ主模式8位數(shù)據(jù)，單片機(jī)作為主動(dòng)模式
UTCTL1=STC+SSEL1+CKPL ;//數(shù)據(jù)在下降沿輸出，系統(tǒng)主時(shí)鐘，三線(xiàn)模式
UBR01=0x02;
UBR11=0x00;//波特率設(shè)為fclk/2
UMCTL1=0x00;
ME2=USPIE1;//模塊使能2
P5SEL|=0x0F;//低4位為模塊端口功能
P5OUT|=0xf0;
UCTL1&= ~SWRST;//復(fù)位結(jié)束

2407A的SPI初始化與單片機(jī)的初始化相類(lèi)似，但是DSP作為從器件，所以其波特率由主器件決定不需要再進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.3 MSP430發(fā)送數(shù)據(jù)

系統(tǒng)具有薄膜按鍵和液晶顯示，可以方便地在需要的時(shí)候發(fā)送數(shù)據(jù)。比如，在設(shè)計(jì)完參數(shù)后就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)選擇界面，讓操作者選擇是進(jìn)行參數(shù)保存、參數(shù)備份還是傳遞參數(shù)給DSP，操作者可以根據(jù)自己不同的需要選擇相應(yīng)的功能。如果選擇參數(shù)傳遞功能，則單片機(jī)會(huì)跳到相應(yīng)的程序段執(zhí)行參數(shù)傳遞的任務(wù)。發(fā)送數(shù)據(jù)程序如下：

P5OUT &= 0x1f;//片選DSP芯片
while((U1IFG & UTXIFG1) != UTXIFG1);
for(k=0;k<6;k++) {//傳輸?shù)臄?shù)據(jù)個(gè)數(shù)
P5OUT &= 0x1f;
while((U1IFG & UTXIFG1) != UTXIFG1);
TXBUF1=a[k];//發(fā)送數(shù)據(jù)
while((UTCTL1&0x01)==0);//發(fā)送完成
delay(10);
P5OUT &= 0x2f;
}

2.4 DSP接收數(shù)據(jù)

DSP接收單片機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)是通過(guò)中斷方式實(shí)現(xiàn)的，每傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)就發(fā)生一次中斷。主程序完成對(duì)DSP的初始化后進(jìn)入等待狀態(tài)，一旦接收到單片機(jī)的中斷信號(hào)，DSP就進(jìn)入中斷服務(wù)子程序，將接收到的數(shù)據(jù)存放在70H開(kāi)始的存儲(chǔ)單元中。當(dāng)所有數(shù)據(jù)傳輸完成后，將這些數(shù)據(jù)賦給相應(yīng)的變量。這里要注意的是，DSP的SPIRXBUF是16位，而單片機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)是8位，所以在DSP接收到數(shù)據(jù)以后需要做處理，把高8位屏蔽掉?？梢酝ㄟ^(guò)與00FF相與來(lái)達(dá)到這個(gè)目的。中斷程序流程如圖2所示。

中斷程序如下：

LDP#6
LACCK;K=K+1
ADD#1
SACLK
MAR*,AR2;AR2為存儲(chǔ)單元地址指針
LDP#DP_PF1
LACCSPIRXBUF
AND#00FFH;高位屏蔽掉
SACL*+
LDP#6
LACCK
SUB#1;判斷是否為指令數(shù)據(jù)
BCNDL1,NEQ
LDP#0
LACC#70H
SUB#0
BCNDL3,NEQ;不是0則跳到L3
BL2;是0則跳到L2
L1: …;判斷是否是第2個(gè)數(shù)據(jù)
L4: LACCK;判斷數(shù)據(jù)是否傳送完畢
SUB#05H
BCNDL5,EQ
BL2
L5：LDP#0;數(shù)據(jù)全部發(fā)送完畢
LACC72H
LDP#6
SACLSPEED;賦值給相應(yīng)變量
……?T
L3: SPLKK,0;K=0
LDP#0
LARAR2,#70H;地址指針指回70H
L2: CLRCINTM;開(kāi)中斷
RET

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)證明，應(yīng)用SPI通信進(jìn)行MSP430單片機(jī)與DSP之間的串口通信完全滿(mǎn)足伺服系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求。同時(shí)，由于SPI接口功能比較完善，通信協(xié)議清晰，時(shí)序簡(jiǎn)單，無(wú)須外加其他元器件即可方便地實(shí)現(xiàn)DSP與主機(jī)之間數(shù)據(jù)的串行通信，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，增強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理能力和應(yīng)用范圍。結(jié)構(gòu)靈活性強(qiáng),便于擴(kuò)展,同時(shí)減輕了主CPU負(fù)擔(dān),提高了系統(tǒng)的可靠性。

審核編輯：湯梓紅