CPLD的DSP多SPI端口通信设计

　　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问的信息传递，并实现相应的控制功能；各种通信功能的设计与实现已成为自动化装置设计的重要组成部分。本文以一种超声波电机运动控制装置为应用背景，讨论了基于CPLD的DSP控制芯片多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、LED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LTC6903，实现在DSP控制下的PWM控制信号频率调节。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LTC6903之间的控制信息传递。DSP56F801芯片具有一个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入引脚来选择从设备，没有被选中的从设备将不参与SPI传输。SPI主使用4个信号：主机输出／从机输入(MOSI)、主机输入／从机输出(MISO)、串行时钟信号SCLK和外设芯片选择信号(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。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。
   
   　　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个上升沿到来时，跳变为高电平，保证数据的正确接收锁存。
   
   
   　　2．2 锁存器设计
   　　锁存器的工作特点：当gate引脚上输入高电平信号时，锁存器工作开始锁存总线上的数据；当gate引脚上是低电平时，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ll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人的与门，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。
   
   
   　　2．3 DSP与LTC6903的接口配置
   　　由于LTC6903芯片本身具有SPI接口，需要在DSP的程序中设置相应的SPI寄存器。LTC6903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LTC6903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个脉冲。实验结果表明，DSP配置是与LTC6903的SPI接口工作时序相匹配的。
   
   　　3 DSP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。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”。SCLK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，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。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60 MHz时，总线时钟频率是30MHz，对它进行2分频，可以计算出SCLK的周期是66．6ns(实际所测出的周期是78．2 ns)。另外通过测试得到PWM电路的延时最长时间是23．6 ns，锁存器的最大延时是7．6 ns，移位寄存器的最大延时是3．O ns。由上述对CPLD数字电路的延时和对SCLK周期的测试，就可以得到这样一个结论：设PWM电路的延时时间为t1、锁存器的延时时间为t2、移位寄存器的延时时间为t3、SCLK的时钟周期是Tc，在SPI传输的过程中，整个电路的延时t可以这样计算：
   
   　　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2μs，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输出的十六进制参数分别为频率字DBOE，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l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。
   
   
   　　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。