MCU與DSP的SPI通信設計

引言

現(xiàn)今的工控系統(tǒng)中，為了提高系統(tǒng)的實時性和適用性，一般采用DSP來完成核心算法與控制，而使用MCU來實現(xiàn)人機對話，以實現(xiàn)實時控制功能。這樣，DSP和MCU需要一種高效的數(shù)據(jù)總線來完成它們之間的大量數(shù)據(jù)傳送。SPI總線由于占用的接口線少，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計方案。

針對交流伺服系統(tǒng)實際使用的要求，采用TI公司的高性能DSP控制器TMS320LF2407A（簡稱“2407A”）作為控制核心；選用TI公司生產(chǎn)的MSP430系列單片機中的MSP430F149作為人機界面的控制芯片，來實現(xiàn)按鍵和數(shù)據(jù)采集以及顯示的功能；采用SPI串口通信實現(xiàn)單片機與DSP之間的數(shù)據(jù)傳輸。

1 系統(tǒng)硬件的構成

1.1 MSP430

MSP430系列單片機是TI公司近幾年開發(fā)的新一代單片機。該單片機在設計上打破常規(guī)采用了全新的概念,其突出的優(yōu)點是低電源電壓、超低功耗、多種功能。由于其功能遠遠超過其他系列單片機的功能，因而又稱為“混合型單片機”。MSP430具有非常高的集成度,單片集成了多通道的12位A/D轉換、片內精密比較器、多個具有PWM功能的定時器、片內USART、看門狗定時器、片內數(shù)控振蕩器、大量的I/O端口以及大容量的片內存儲器。同時，MSP430F149是Flash存儲器型單片機，具有良好的仿真開發(fā)技術，設置有JTAG仿真接口和高級語言編譯器。在系統(tǒng)支持軟件下，在線實現(xiàn)對目標系統(tǒng)的硬件調試及軟件開發(fā)，包括匯編語言、C語言、連接及動態(tài)調試，具有單步、多斷點和跟蹤，并且開放全部存儲器、寄存器，可以方便、可靠地對系統(tǒng)進行軟硬件開發(fā)[12]。

基于以上特點,該系列單片機在便攜式儀表、智能傳感器、實用檢測儀器、電機控制、家庭自動化等領域的應用較為普遍。

1.2 TMS320LF2407A

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

2407A具有豐富的外設模塊： 3K字的Flash程序存儲器、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個事件管理器EVA和EVB、16通道輸入的A/D轉換器，具有看門狗定時器模塊(WDT)、串行通信接口(SCI)、16位的串行外設接口模塊(SPI)、控制器局域網(wǎng)絡(CAN)2.0B模塊、基于鎖相環(huán)的時鐘發(fā)生器、高達40個可單獨編程或復用的通用輸入/輸出引腳、5個外部中斷。由此可以看出，2407A確實有著很強的實時處理能力，不失為高性能伺服驅動控制的理想器件之一[3]。

1.3 硬件接口設計與SPI通信的實現(xiàn)

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

圖1 MSP430F149與DSP的接口連接電路

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

從圖1可以看出，SPI通過一根時鐘引線將主機和從機同步，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)寫入主機的SPI發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器。這個寫入過程自動啟動主機的發(fā)送過程，即在同步時鐘SPICLK的節(jié)拍下把SPITXBUF的內容一位一位地移到引腳SPISIMO；對于從機，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的移位寄存器，當接收完一個完整的數(shù)據(jù)塊后，設置中斷標志通知從機這個數(shù)據(jù)塊已接收完畢，并同時將移位寄存器接收到的內容復制到從機的SPI接收數(shù)據(jù)寄存器SPIRXBUF?？梢钥闯?，用戶編程只需在發(fā)送數(shù)據(jù)時寫數(shù)據(jù)到SPI發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器，在接收數(shù)據(jù)時讀SPI接收數(shù)據(jù)寄存器，其余的工作都由SPI模塊自動完成[4]。

2 軟件設計

MSP430F149和DSP都允許用戶用C語言和匯編語言進行編程。系統(tǒng)中DSP對電機實現(xiàn)實時控制，對運行速度要求嚴格，所以程序采用匯編語言實現(xiàn)。MSP430實現(xiàn)按鍵顯示、數(shù)據(jù)管理和指令傳輸?shù)裙δ?，對運行速度要求不高，所以采用C語言實現(xiàn)。

軟件設計的主要任務是：初始化相應的寄存器；單片機在相應的界面發(fā)送數(shù)據(jù)；DSP及時接收到達串口的數(shù)據(jù)，識別并保存數(shù)據(jù)。

2.1 通信協(xié)議的設置

兩個設備之間要實現(xiàn)相互通信，首先必須規(guī)定用以傳輸數(shù)據(jù)的協(xié)議。一般來說，主機發(fā)送命令和配置信息給從機，而從機則向主機發(fā)送反饋信息。系統(tǒng)主要實現(xiàn)的是單片機向DSP發(fā)送數(shù)據(jù)信息，單片機首先發(fā)送指令數(shù)據(jù)表示主機發(fā)送數(shù)據(jù)的過程開始。如果發(fā)送的是0，則標志著該過程的開始。為了避免誤操作指令數(shù)據(jù)發(fā)送兩次，DSP接收的兩個數(shù)據(jù)都是0時進行相應的操作，否則重新傳輸指令數(shù)據(jù)。然后把單片機需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)存放在一個數(shù)組里面依次傳送，比如要傳輸3個數(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

單片機的SPI初始化包括：把相應的I/O口配置成具有SPI特殊功能的接口，時鐘模式的選定，波特率的選擇，發(fā)送接收數(shù)據(jù)長度的選擇，內部相對應的時鐘使能。所有設置都是通過設計相對應的SPI控制寄存器實現(xiàn)的[5]。

初始化程序如下：

WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD;//關閉看門狗
BCSCTL1 = RSEL0 + RSEL1 + RSEL2; // XT2on
BCSCTL2 = SELM1 + SELS;//選擇高速晶體振蕩器作為時鐘源
UCTL1=CHAR + SYNC + MM + SWRST;//SPIZ主模式8位數(shù)據(jù)，單片機作為主動模式
UTCTL1=STC+SSEL1+CKPL ;//數(shù)據(jù)在下降沿輸出，系統(tǒng)主時鐘，三線模式
UBR01=0x02;
UBR11=0x00;//波特率設為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;//復位結束

2407A的SPI初始化與單片機的初始化相類似，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行設計。

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候發(fā)送數(shù)據(jù)。比如，在設計完參數(shù)后就會出現(xiàn)一個選擇界面，讓操作者選擇是進行參數(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的功能。如果選擇參數(shù)傳遞功能，則單片機會跳到相應的程序段執(zhí)行參數(shù)傳遞的任務。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接收單片機發(fā)送過來的數(shù)據(jù)是通過中斷方式實現(xiàn)的，每傳輸一個數(shù)據(jù)就發(fā)生一次中斷。主程序完成對DSP的初始化后進入等待狀態(tài)，一旦接收到單片機的中斷信號，DSP就進入中斷服務子程序，將接收到的數(shù)據(jù)存放在70H開始的存儲單元中。當所有數(shù)據(jù)傳輸完成后，將這些數(shù)據(jù)賦給相應的變量。這里要注意的是，DSP的SPIRXBUF是16位，而單片機發(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^與00FF相與來達到這個目的。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;賦值給相應變量
……?T
L3: SPLKK,0;K=0
LDP#0
LARAR2,#70H;地址指針指回70H
L2: CLRCINTM;開中斷
RET

3 結論

實驗證明，應用SPI通信進行MSP430單片機與DSP之間的串口通信完全滿足伺服系統(tǒng)實時性的要求。同時，由于SPI接口功能比較完善，通信協(xié)議清晰，時序簡單，無須外加其他元器件即可方便地實現(xiàn)DSP與主機之間數(shù)據(jù)的串行通信，簡化了系統(tǒng)設計，增強系統(tǒng)的實時處理能力和應用范圍。結構靈活性強,便于擴展,同時減輕了主CPU負擔,提高了系統(tǒng)的可靠性。

審核編輯：湯梓紅