基于CPLD的DSP多SPI端口通信設計

引言

目前在電氣自動(dòng)化控制裝置中，廣泛采用各種通信手段以完成上層與底層控制器、底層控制器以及控制芯片之間的信息傳遞，并實(shí)現相應的控制功能；各種通信功能的設計與實(shí)現已成為自動(dòng)化裝置設計的重要組成部分。本文以一種超聲波電機運動(dòng)控制裝置為應用背景，討論了基于CPLD的DSP控制芯片多SPI端口通信技術(shù)。

串行同步外設端口(SPI)通常也稱(chēng)為同步外設端口，具有信號線(xiàn)少、協(xié)議簡(jiǎn)單、傳輸速度快的特點(diǎn)，大量用在微控制器與外圍芯片的通信中。目前SPI通信方式已被普遍接受，帶有SPI端口的芯片越來(lái)越多，如Flash、RAM、A／D轉換、LED顯示、控制專(zhuān)用 DSP芯片等。

本文介紹一種采用運動(dòng)控制專(zhuān)用DSP芯片DSP56F801設計的超聲波電機運動(dòng)控制裝置。由于該超聲波電機需要采用兩相四路對稱(chēng)．PWM信號來(lái)實(shí)現驅動(dòng)控制，而DSP芯片無(wú)法直接產(chǎn)生所需PWM信號，采用軟件方法又會(huì )占用大量的DSP計算時(shí)間，于是設計了基于可編程邏輯器件(CPLD)的對稱(chēng)PWM信號發(fā)生器。該信號發(fā)生器在DSP的控制下，可以實(shí)現輸出兩相PWM控制信號的占空比及相位差調節；同時(shí)采用具有SPI接口的可編程振蕩器LTC6903，實(shí)現在DSF?？刂葡碌腜WM控制信號頻率調節[1]。由此可見(jiàn)，為了實(shí)現DsP對PwM控制信號占空比、相位差及頻率的控制，需要采用適當的通信方式實(shí)現DSP與CPLD及LTC6903之間的控制信息傳遞。DSP56F801芯片具有一個(gè)SPI通信端口。本文在分析SPI 數據傳輸時(shí)序關(guān)系的基礎上，設計并實(shí)現了基于CPLD的多SPI接口通信。

1 工作原理

SPI是一個(gè)同步協(xié)議接口，所有的傳輸都參照一個(gè)共同的時(shí)鐘。在同一個(gè)SPI端口可以實(shí)現一個(gè)主機芯片與多個(gè)從機芯片的相連，這時(shí)主機通過(guò)觸發(fā)從設備的片選輸入引腳來(lái)選擇從設備，沒(méi)有被選中的從設備將不參與SPI傳輸。SPI主使用4個(gè)信號：主機輸出／從機輸人(MOSI)、主機輸入／從機輸出(MISO)、串行時(shí)鐘信號SCLK和外設芯片選擇信號(SS)。主機和外設都包含一個(gè)串行移位寄存器，主機通過(guò)向它的SPI串行移位寄存器寫(xiě)入一個(gè)字節來(lái)發(fā)起一次傳輸。寄存器是通過(guò)MOSI引腳將字節傳送給從設備，從設備也將自己移位寄存器中的內容通過(guò)MISO信號線(xiàn)返回給主機。這樣，兩個(gè)移位寄存器中的內容就被交換了。外設的寫(xiě)操作和讀操作是同步完成的，因此SPI成為一個(gè)很有效的串行通信協(xié)議[2]。

SPI端口的通信網(wǎng)絡(luò )結構框圖如圖1所示。為了使信號發(fā)生器輸出可調頻、調壓和調相輸出的兩相四路PWM波，需要DSP向CPLD電路輸出參數。這4個(gè)控制參數的傳遞是在小型的通信網(wǎng)絡(luò )中實(shí)現的。在該網(wǎng)絡(luò )中，DSP的SPl只是進(jìn)行數據輸出端口的寫(xiě)操作，即輸出電壓控制字、相位控制字和頻率控制字。數據流程：主機DSP向cPLD傳輸數據，在傳輸數據時(shí)，數據在MOSI引腳上輸出，同時(shí)數據在時(shí)鐘信號的作用下實(shí)現同步移位輸出。由于不需要從機向主機回送任何數據，主機在數據傳輸結束之后，結束這次傳送。由于sPI端口工作時(shí)沒(méi)有應答信號，并且數據在發(fā)送時(shí)無(wú)需校驗位，所以要求主、從器件的數據發(fā)送與接收必須完全符合設定的SPI時(shí)序要求，否則數據傳輸將出現錯誤。

2 基于CPLD的串口SPI設計

2．1移位寄存器設計

本設計為一個(gè)12位的SPI串行接收端口。圖1中移位寄存器是由12個(gè)D觸發(fā)器和1個(gè)計數器組成的，實(shí)現移位接收和串并轉換。在傳輸過(guò)程中，先使能移位寄存器和計數器，啟動(dòng)傳輸，同時(shí)計數器開(kāi)始計數。當計數到16時(shí)，進(jìn)位端輸出一個(gè)脈沖寬度的高電平脈沖，進(jìn)行數據鎖存，其電路如圖2所示。

實(shí)驗中為保證時(shí)序正確，測出了使能信號和計數器進(jìn)位脈沖的輸出時(shí)序，如圖3、圖4 所示。其中十六進(jìn)制計數器采用的是上升沿計數，在第16個(gè)上升沿到來(lái)時(shí)，跳變?yōu)楦唠娖?，保證數據的正確接收鎖存。

2．2鎖存器設計

鎖存器的工作特點(diǎn)：當gate引腳上輸入高電平信號時(shí)，鎖存器工作開(kāi)始鎖存總線(xiàn)上的數據；當gate引腳上是低電平時(shí)，鎖存器不工作，即當總線(xiàn)上的數據發(fā)生變化時(shí)，鎖存器的輸出不發(fā)生變化。由于本設計需要多個(gè)參數傳輸，通過(guò)地址選擇的方法把這3個(gè)數據從一條總線(xiàn)上區分出來(lái)，設置傳輸數據的低兩位為地址選擇位。地址選擇位經(jīng)移位寄存器，串并轉換，作為三輸入與門(mén)的兩個(gè)輸人端，進(jìn)行地址選擇。每次16位的數據移位結束，數據穩定時(shí)，在計數器高電平作用下，相應gate的引腳上輸出高電平，數據鎖存入相應的鎖存器。例如，可以設置低兩位是“ll”時(shí)，DSP送入PWM電路的是ll位的調相信號；當低兩位設置成“01”時(shí)，DSP送入PwM電路的是10位調節A 相占空比的信號；當低兩位設置成“10”時(shí)，。DSP送入PWM電路的是10位調節B相占空比的信號。由此可以在電路中設計一個(gè)三輸入的與門(mén)，當16位數據傳輸完畢，即在相應gate的引腳上輸出高電平時(shí)，數據存入對應的鎖存器，如圖5所示。