采用SPI接口實(shí)現(xiàn)雙DSP雙向通信和同步

在載人航天、無人機(jī)、火控雷達(dá)等尖端技術(shù)領(lǐng)域的作動(dòng)系統(tǒng)中，常用雙控制器余度技術(shù)來提高系統(tǒng)的可靠性。兩個(gè)控制器之間就需要一種高效可靠的數(shù)據(jù)通信以保證在同一時(shí)間執(zhí)行相同的周期任務(wù)。利用SPI接口可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向通信，TMS320F2812 DSP芯片內(nèi)部集成了一個(gè)SPI模塊，方案提出了一種基于SPI通信接口的兩片DSP的雙向通信和任務(wù)同步，兩片DSP中固定一片作為SPI通信主機(jī)，另一片作為SPI通信從機(jī)[1]，最后提出通信故障的解決辦法。

1 DSP SPI外設(shè)接口模塊和SPI通信原理

1.1 SPI外設(shè)接口模塊

TMS320F2812 DSP芯片內(nèi)部集成了一個(gè)SPI模塊，其數(shù)據(jù)傳輸速率和字符長(zhǎng)度是可編程的，最高傳輸速率可達(dá)10 Mb/s ，支持主/從模式通信[2]。SPI外設(shè)模塊和DSP CPU間的接口如圖1所示，包括4個(gè)外部引腳，采用低速外設(shè)時(shí)鐘LSPCLK作為時(shí)鐘源，具有兩個(gè)獨(dú)立的外設(shè)中斷請(qǐng)求信號(hào)（SPIINT/RXINT和TXINT），提供了12個(gè)寄存器實(shí)現(xiàn)SPI模塊的配置和控制。

SPI之間的通信主要有以下4個(gè)外部引腳：

SPISOMI：對(duì)于主設(shè)備，該引腳為數(shù)據(jù)輸入；對(duì)于從設(shè)備，該引腳為數(shù)據(jù)輸出；

SPISIMO：對(duì)于主設(shè)備，該引腳為數(shù)據(jù)輸出；對(duì)于從設(shè)備，該引腳為數(shù)據(jù)輸入；

SPISTE：主設(shè)備向從設(shè)備發(fā)送的使能引腳；

SPICLK：SPI接口的串行時(shí)鐘引腳，由主設(shè)備向從設(shè)備提供同步時(shí)鐘。

1.2 SPI通信原理

SPI接口可配置為兩種模式，分別為主控制模式和從控制模式。圖2給出了兩個(gè)控制器（主控制器和從控制器）之間采用SPI接口的連接關(guān)系。主控制器通過發(fā)出SPICLK信號(hào)來啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸，主從控制器能同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

在主控制器模式下，SPI通過SPICLK引腳為整個(gè)串行通信網(wǎng)絡(luò)提供時(shí)鐘。此時(shí)，要發(fā)送的串行數(shù)據(jù)從引腳SPISIMO移出，并在引腳SPISOMI上接收數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)應(yīng)用中，主控制器的引腳SPISTE用來控制從控制器的片選信號(hào)。在主設(shè)備與從設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)，主設(shè)備將SPISTE置成低電平，使能從設(shè)備，此時(shí)，從設(shè)備的串行數(shù)據(jù)從SPISOMI 引腳移出，從SPISIMO引腳移入。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸完畢后，SPISTE引腳置為高電平。

寫數(shù)據(jù)到SPIDAT或SPITXBUF，啟動(dòng)SPISIMO引腳發(fā)送數(shù)據(jù)，首先發(fā)送SPIDAT寄存器的最高有效位MSB，接收到的數(shù)據(jù)通過SPISOMI引腳移入SPIDAT的最低有效位LSB。當(dāng)傳輸完特定的數(shù)據(jù)位后，接收到的數(shù)據(jù)被存到SPIRXBUF寄存器中，以被讀取使用。當(dāng)設(shè)定數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不足16 bit時(shí)，SPIRXBUF寄存器中存放的接收數(shù)據(jù)采用右對(duì)齊格式；而發(fā)送數(shù)據(jù)則需要采用左對(duì)齊格式寫入寄存器SPIDAT或SPITXBUF[3]。圖3為SPI數(shù)據(jù)傳輸格式。

2 系統(tǒng)硬件接口設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用TI公司TMS320F2812 DSP芯片作為控制器，利用SPI接口實(shí)現(xiàn)控制器數(shù)據(jù)通信和任務(wù)同步，即同一系統(tǒng)在同一時(shí)刻執(zhí)行相同的任務(wù)。其內(nèi)部集成一個(gè)SPI外設(shè)模塊，要實(shí)現(xiàn)SPI數(shù)據(jù)傳輸只需要配置幾個(gè)相應(yīng)寄存器即可。

SPI的傳輸只能由主控制器發(fā)起，主控制為從控制器提供時(shí)鐘和使能信號(hào)。本設(shè)計(jì)利用DSP內(nèi)部集成外設(shè)模塊，當(dāng)主控制器發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，通過SPISTE使能從控制器，繼而開始SPI的傳輸。如果在通信過程中，需要從控制器主動(dòng)向主控制器發(fā)送數(shù)據(jù)，只能采用主控制器發(fā)送偽數(shù)據(jù)的形式為從控制器提供時(shí)鐘和使能信號(hào)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件實(shí)現(xiàn)的同步設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)任務(wù)同步的主要思想是網(wǎng)絡(luò)通信中的應(yīng)答模式，具體流程圖如圖4所示。通信過程中，SPI有可能受到外界干擾導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤，而同步過程又是一個(gè)死等過程，采用SPI的軟件復(fù)位可以解決這一問題，在通信過程中若發(fā)現(xiàn)接收不到正確ACK信號(hào)就進(jìn)行軟件復(fù)位重新開始發(fā)送，這種方法在實(shí)踐中得到了驗(yàn)證，效果很好。

3.2 軟件通信協(xié)議設(shè)計(jì)

基于SPI的通信有兩種情況：由SPI主方發(fā)起通信，以及由SPI的從方發(fā)起通信。本方案中，采用主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)，中斷接收數(shù)據(jù)。通過配置SPI寄存器，設(shè)置數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和通信速率，使能增強(qiáng)型FIFO發(fā)送和接收，采用7級(jí)中斷接收數(shù)據(jù)，即每接收完7個(gè)數(shù)據(jù)后觸發(fā)一次中斷，可以從中斷中讀取SPIRXBUF里面的數(shù)據(jù)。由于SPI本身并未規(guī)定數(shù)據(jù)的開始和結(jié)束，在實(shí)際通信過程中，需要對(duì)主控制器和從控制器之間的通信做一個(gè)接口通信協(xié)議[4]。

在設(shè)計(jì)中，采用包的方式發(fā)送數(shù)據(jù)，在前面發(fā)送一個(gè)包頭，里面包含奇偶校驗(yàn)（1 bit）、數(shù)據(jù)類型(8 bit）和包長(zhǎng)(數(shù)據(jù)長(zhǎng)度4 bit)，在包的后面發(fā)送實(shí)際應(yīng)用數(shù)據(jù)，實(shí)際數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度和類型可以根據(jù)包頭確定。圖5所示為包的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)。

在這種情況下，一次SPI的傳輸過程可描述如下：主控制器首先發(fā)送包頭，告知從控制器此次傳輸?shù)念愋鸵约皵?shù)據(jù)的長(zhǎng)度。當(dāng)傳輸完7個(gè)數(shù)據(jù)后，進(jìn)行中斷接收，先判斷第一個(gè)字的奇偶校驗(yàn)位，如果錯(cuò)誤則進(jìn)行軟件復(fù)位，重新接收并判斷；若正確則對(duì)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和數(shù)據(jù)類型進(jìn)行檢驗(yàn)，按照規(guī)定的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和數(shù)據(jù)類型讀取到特定的變量中，如果此次接收的數(shù)據(jù)類型沒有和規(guī)定數(shù)據(jù)類型對(duì)應(yīng)上，也認(rèn)為數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤，進(jìn)行軟件復(fù)位，重新接收并判斷。主從都采取中斷接收數(shù)據(jù)，主控制器采取主動(dòng)發(fā)送，而從控制器是在產(chǎn)生中斷后，在中斷服務(wù)子程序里先讀取數(shù)據(jù)然后發(fā)送特定數(shù)據(jù)，主從的接收模式判斷完全一樣。通信過程中，有時(shí)需要從控制器主動(dòng)發(fā)送一組數(shù)據(jù)，需要主控制器為從控制器提供時(shí)鐘和使能信號(hào)，從控制器才可以發(fā)送數(shù)據(jù)，運(yùn)用主控制器發(fā)送偽數(shù)據(jù)的方式可以解決這個(gè)問題。在軟件協(xié)議中，規(guī)定SPI第一個(gè)字(包頭)全零(0X0000)為偽數(shù)據(jù)，當(dāng)包頭接收到偽數(shù)據(jù)時(shí)，不判斷奇偶校驗(yàn)、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和數(shù)據(jù)類型，直接丟棄。

3.3 通信故障處理方案

實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)，SPI的通信環(huán)境復(fù)雜，可能會(huì)影響SPI的傳輸，由于SPI 是一個(gè)串行數(shù)據(jù)的傳輸，一旦出現(xiàn)故障如果不加以排除就會(huì)影響到以后的數(shù)據(jù)傳輸，因此這個(gè)問題必須加以解決。這個(gè)方案中，根據(jù)奇偶校驗(yàn)和數(shù)據(jù)類型的判斷可以發(fā)現(xiàn)SPI 通信是否出現(xiàn)故障，若判斷發(fā)現(xiàn)故障后要對(duì)故障進(jìn)行消除和隔離，以免影響以后數(shù)據(jù)傳輸。

軟件可以實(shí)現(xiàn)故障消除和隔離，采用SPI的軟件復(fù)位功能，可以在判斷錯(cuò)誤后，先進(jìn)行復(fù)位然后使能，可以通過設(shè)置SPI FIFO發(fā)送緩沖寄存器SPIFFTX中的SPIRST位進(jìn)行設(shè)置，寫0時(shí)復(fù)位SPI的發(fā)送和接收通道，但FIFO寄存器的配置保持不變，寫1時(shí)，SPI FIFO恢復(fù)發(fā)送和接收通道，不影響SPI寄存器配置。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本方案中，DSP的主頻為120 MHz，采用SPI的低速時(shí)鐘30 MHz，數(shù)據(jù)的傳輸速率配置為7.5 Mb/s。測(cè)試結(jié)果表明，SPI能很好地滿足兩片DSP之間的高速通信。在實(shí)際的測(cè)試應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，在正常情況下，SPI通信正常，沒有通信錯(cuò)誤發(fā)生；但在外界的某些干擾下，就會(huì)出現(xiàn)通信錯(cuò)誤，例如在DSP實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中，用到DSP控制電機(jī)，當(dāng)電機(jī)換向運(yùn)行或轉(zhuǎn)速比較高時(shí)就會(huì)影響SPI的傳輸，會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤，這時(shí)需進(jìn)行軟件復(fù)位。選擇7.5 Mb/s的通信速率是進(jìn)行多次對(duì)比設(shè)置的，如果速率低，出現(xiàn)錯(cuò)誤的概率就大，系統(tǒng)不穩(wěn)；若速率過快，會(huì)影響數(shù)據(jù)傳輸，丟失數(shù)據(jù)。

SPI接口實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、I/O資源占用少、傳輸速度快[5-6]，從軟硬件方面解決了實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中的SPI雙向數(shù)據(jù)傳輸、任務(wù)同步和SPI通信故障等問題，成功實(shí)現(xiàn)了兩片DSP之間的雙向通信，且用軟件代替硬件實(shí)現(xiàn)了任務(wù)同步，還對(duì)SPI通信故障提出解決方案?？蛇\(yùn)用于多控制器之間的高速數(shù)據(jù)傳輸和同步。

參考文獻(xiàn)

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