CPLD的DSP多SPI端口通信设计图文精.docx

1、CPLD的DSP多SPI端口通信设计图文精TEC HNOL O GY R EV IEW 技术纵横 paper . cn (投稿专用 2009年第4期Microcontrollers &Embedded Systems 25C P L D的D S P多S P I端口通信设计河南科技大学姚春丽史敬灼摘要多SPI 端口通信是一种小型的高速同步通信网络。这种网络结构简单、成本较低, 广泛应用于控制器与控制器、控制器与外围芯片之间的通信; 但由于时序复杂, 高频脉冲传输数据容易出错。本文在对SPI 端口信号时序分析的基础上, 给出该网络基于CPLD 的具体实现方法。经实验验证, 效果良好。关键词SPI

2、复杂可编程逻辑器件通信DSP引言目前在电气自动化控制装置中, 广泛采用各种通信手段以完成上层与底层控制器、底层控制器以及控制芯片之间的信息传递, 并实现相应的控制功能; , 讨论了基于CPLD 的DSP SPI 端口通信技术。串行同步外设端口(SPI 通常也称为同步外设端口, 具有信号线少、协议简单、传输速度快的特点, 大量用在微控制器与外围芯片的通信中。目前SPI 通信方式已被普遍接受, 带有SPI 端口的芯片越来越多, 如Flash 、RAM 、A/D 转换、L ED 显示、控制专用DSP 芯片等。本文介绍一种采用运动控制专用DSP 芯片DSP56F801设计的超声波电机运动控制装置。由于

3、该超声波电机需要采用两相四路对称PWM 信号来实现驱动控制, 而DSP 芯片无法直接产生所需PWM 信号, 采用软件方法又会占用大量的DSP 计算时间, 于是设计了基于可编程逻辑器件(CPLD 的对称PWM 信号发生器。该信号发生器在DSP 的控制下, 可以实现输出两相PWM 控制信号的占空比及相位差调节; 同时采用具有SPI 接口的可编程振荡器L TC6903, 实现在DSP 控制下的PWM 控制信号频率调节1。由此可见, 为了实现DSP 对PWM 控制信号占空比、相位差及频率的控制, 需要采用适当的通信方式实现DSP 与CPLD 及L TC6903之间的控制信息传递。DSP56F801芯片

4、具有一个SPI 通信端口。本文在分析SPI 数据传输时序关系的基础上, 设计并实现了基于CPLD 的多SPI 接口通信。1工作原理SPI 是一个同步协议接口, 所有的传输都参照一个共同的时钟。在同一个SPI 端口可以实现一个主机芯片与多个从机芯片的相连, 这时主机通过触发从设备的片选输, SPI 使主机输出/从机输入(机输出(MISO 、串行时钟信号K (SS 。主机和外设都包含一个串行移位寄存器, 主机通过向它的SPI 串行移位寄存器写入一个字节来发起一次传输。寄存器是通过MOSI 引脚将字节传送给从设备, 从设备也将自己移位寄存器中的内容通过MISO 信号线返回给主机。这样, 两个移位寄存

5、器中的内容就被交换了。外设的写操作和读操作是同步完成的, 因此SPI 成为一个很有效的串行通信协议2。图1多SPI 端口通信网络结构框图SPI 端口的通信网络结构框图如图1所示。为了使信号发生器输出可调频、调压和调相输出的两相四路PWM 波, 需要DSP 向CPLD 电路输出参数。这4个控制参数的传递是在小型的通信网络中实现的。在该网络中, DSP 的SPI 只是进行数据输出端口的写操作, 即输出电压控制字、相位控制字和频率控制字。数据流程:主机DSP 向CPLD 传输数据, 在传输数据时, 数据在MOSI 引脚上输出, 同时数据在时钟信号的作用下实现同步移位输出。由于不需要从机向主机回送任何

6、数据, 主机在数据传输结束之后, 结束这次传送。由于SPI 端口工作时没有应答信号, 并且数据在发送时无需校验位, 所以要求主、从器件的数据发送与接收必须完全符合设定的SPI 时序要求, 否则 技术纵横TEC HNOL O GY R EVIEW 262009年第4期adv . cn (广告专用 数据传输将出现错误。2基于CPLD 的串口SPI 设计2. 1移位寄存器设计本设计为一个12位的SPI 串行接收端口。图1中移位寄存器是由12个D 触发器和1个计数器组成的, 实现移位接收和串并转换。在传输过程中, 先使能移位寄存器和计数器, 启动传输, 同时计数器开始计数。当计数到16时, 进位端输出

7、一个脉冲宽度的高电平脉冲, 进行数据锁存, 其电路如图2所示。图2SPI 基于CPLD 设计示意图实验中为保证时序正确, 测出了使能信号和计数器进位脉冲的输出时序, 如图3、图4所示。其中十六进制计数器采用的是上升沿计数, 在第16, 为高电平,图3使能信号的时序图(高电平有效图4进位信号的输出时序图2. ; 当gate 引脚上是, 锁存器不工作, 即当总线上的数据发生变化时, 锁存器的输出不发生变化。由于本设计需要多个参数传输, 通过地址选择的方法把这3个数据从一条总线上区分出来, 设置传输数据的低两位为地址选择位。地址选择位经移位寄存器, 串并转换, 作为三输入与门的两个输入端, 进行地址

8、选择。每次16位的数据移位结束, 数据稳定时, 在计数器高电平作用下, 相应gate 的引脚上输出高电平, 数据锁存入相应的锁存器。例如, 可以设置低两位是“11”时,DSP 送入PWM 电路的是11位的调相信号; 当低两位设置成“01”时,DSP 送入PWM 电路的是10位调节A 相占空比的信号; 当低两位设置成“10”时,DSP 送入PWM 电路的是10位调节B 相占空比的信号。由此可以在电路中设计一个三输入的与门, 当16位数据传输完毕, 即在相应gate 的引脚上输出高电平时, 数据存入对应的锁存器, 如图5所示。2. 3DSP 与LTC6903的接口配置由于L TC6903芯片本身具

9、有SPI 接口, 需要在DSP的程序中设置相应的SPI 寄存器。L TC6903采用上升沿接收, 且接收时高位在前, 所以需要DSP 设置为下降沿传输, 传输时高位在前。在传输的过程中, 在脉冲信号的下降沿数据发生变化, 传输数据; 在脉冲信号的上升沿数据稳定, 便于L TC6903锁存数据, 传输时序如图6所示。从图中可以看出, 所要传输的数据是十六进制数019A , 下降沿数据发生变化, 上升沿数据稳定, 传输16位数据, 有16 TEC HNOL O GY R EV IEW 技术纵横 paper . cn (投稿专用 2009年第4期Microcontrollers &Embedded

10、Systems 27图5数据的选址和锁存在CPLD中的设计框图图6SPI 的数据和脉冲时序图个脉冲。实验结果表明,DSP 配置是与L TC6903的SPI 接口工作时序相匹配的。3DSP 中SPI 的开发过程SPI 端口数据传输的特点是:主设备的时钟信号出现与否决定数据传输的开始, 一旦检测到时钟信号即开始传输, 时钟信号无效后传输结束。这期间, 从设备使能时钟信号的起停状态很重要2。DSP56F801的SPI 端口的时钟信号起停状态如表1所列。在设计中设置的SPI 控制寄存器的CPOL 和CPLA 位是“11”。SCL K 空闲时为高电平, 传输中数据变化发生在下降沿, 稳定在上升沿。从表1

11、SC L K 时钟的起停状态CPOL CPL A 时钟的起停状态和数据传输格式11SCL K 空闲时为高电平, 传输中数据变化发生在下降沿, 稳定在上升沿10SCL K 空闲时为高电平, 传输中数据变化发生在上升沿, 稳定在下降沿01SCL K 空闲时为低电平, 传输中数据变化发生在上升沿, 稳定在下降沿SCL K 空闲时为低电平, 传输中数据变化发生在下降沿, 稳定在上升沿图2可看出实现了与CPLD 中的移位锁存电路的匹配, 传输正确。SPI 端口协议要求系统上电复位后, 从机先于主机开始工作。如果从机在主机之后开始工作, 就有可能丢掉部分时钟信号, 使得从机并不是从数据的第一位开始接收,

12、造成数据流的不同步。可通过硬件延时或软件延时的方法, 来确保从机先于主机工作2。本设计采用软件延时的办法来实现数据流的同步。这个延时由两部分组成, 一部分是DSP 串行输出数据的时间延时, 另外一部分就是后续数字电路中的延时。延时的具体计算过程如下:数据传输时使用的时钟信号是对总线时钟的2分频, 当DSP 的主频是60M Hz 时, 总线时钟频率是30M , 2, SCL K 的周期是66. 6(2 。另外通过测试得到23. 6ns , 锁存器的最大延7. 6ns , 移位寄存器的最大延时是3. 0ns 。由上述对CPLD 数字电路的延时和对SCL K 周期的测试, 就可以得到这样一个结论:设

13、PWM 电路的延时时间为t 1、锁存器的延时时间为t 2、移位寄存器的延时时间为t 3、SCL K 的时钟周期是T c , 在SPI 传输的过程中, 整个电路的延时t 可以这样计算:t =t 1+t 2+(T c +t 3 16=23. 6+7. 6+(78. 2+3. 0 ns 16=1330. 4ns 1. 33s由于数字电路传输中存在这样的延时, 所以在写DSP 程序时, 需要加入一定的延时。此实验中加入的延时是2s , 可以实现可靠传输。4实验结果本设计采用全数字结构, 易于用CPLD 实现。以EPM7256为目标芯片, 设计并实现了正确的数据传输。当DSP56F801输出的十六进制参

14、数分别为频率字DB0E , 相位字0403, A 相的占空比字04CE ,B 相的占空比字04CD 时, 波形输出如图7、图8所示。图7给出了信号发生器A 相输出信号的实测波形, 信号占空比调节为20%; 图8给出了A 相输出信号1和B 相输出信号1的实测波形, 两相信号相位差调节为常用的90。该实验结果表明, 参数传输正确, 波形输出良好。 技术纵横TEC HNOL O GY R EVIEW 282009年第4期adv . cn (广告专用图7占空比为20%的一相两路对称输出波形图8结语SPI 通信方式具有硬件连接简单、使用方便等优点,应用广泛。采取硬件和软件相结合的措施, 可以确保SPI

15、通信中数据流的同步, 实现可靠通信。本文给出了DSP 多SPI 端口通信的设计与实现过程, 讨论了其中的关键技术问题。SPI 多端口通信方法基于CPLD 实现, 易移植, 易于实现功能扩展, 可广泛应用于各种采用SPI 通信方式的自动化装置。参考文献1史敬灼, 姚春丽. 应用于超声波电机驱动的对称PWM 控制信号发生器J, 电气应用,2008(13 :7376.2DSP56800162Bit Digital Signal Processor Family Manual ,2003.3夏长亮, 史婷娜. 行波型超声波电机PWM 驱动控制系统研究J.电力电子技术,2001(3 .4邵贝贝, 龚光华

16、, 薛涛, 等. Motorola DSP 型16位单片机原理与实践M .北京:北京航空航天大学出版社,2003.5范寿康, . DSP 原理与技术开发M ., 研究方向为电力电子与电力传动; 史敬灼(博士 , 主要从事运动控制与智能控制的研究。(收稿日期:2008212203! 7(2 研发内容ARM 架构的MCU 大致可以分为以下三个系列。Cortex 2M :面向MCU 应用领域(价格约每片1美元左右,2848引脚 。自2003年开始研发,2007年开始推出Cortex 2M1、Cortex 2M3内核的单片机。目前Lumi 2nary 公司和ST 公司正在国内开始大力推广。ARM7:目

17、前ARM 架构是应用量最大的MCU ,原则上可应用于不需要嵌入式Linux (不包括CLinux 和WindowsCE 的所有领域, 包括一般的数码产品、仪器仪表(包括税控机 、工业控制、网络通信。ARM9:目前性能较高的MCU , 如Freescale 公司的MX27x 、Samsung 公司的S3C4410B 。常用于便携式多媒体产品、机顶盒、高清电视、类似iPhone 的多媒体移动终端, 以及教学实验仪、车载导航、多媒体终端。我们的C 3Core 通用MCU 也可以分为三个系列。C 3Core 的前身是FreeScale 公司的M 3Core , 它当时是以通用MCU 的形式推向市场的,

18、 面向通用控制、手机、PDA 、GPS 和汽车电子。以C210/C305为基础的面向8位MCU 的低价格通用MCU , 以控制处理功能为主, 以与Cortex 2M 竞争。可用于移动存储器、控制器和高档消费类(空调和冰箱 、仪器仪表、计算机外设。以C310和C320为基础的应用广泛的通用MCU , 可覆盖目前ARM7架构的MCU 。以CK510/520为基础的高性能通用MCU , 与ARM9架构的MCU 竞争(ARM9架构MCU 的应用也刚开始不久 , 以移动多媒体终端、机顶盒, 高清电视为主。(3 市场推广开发研制通用、价格低廉的开发工具, 提供各种开源的开发环境。与大学合作建立相关的教学实验室, 开发研制面向教学的教学实验仪, 编写教学与实验书籍, 并争取列入教育部大学生电子设计比赛。与第三方System Design House 合作, 研制各种面向应用的模块, 包括各种应用的最基本的系统; 配备相应的C/OS 、CLinux 等OS , 以及C 语言编程的环境及函数库。编者注:本文为期刊缩略版, 全文见本刊网站www.mesnet. com. cn 。(收稿日期:2009201216