2021年04月21日 | MCU与DSP的SPI通信设计

引言

现今的工控系统中，为了提高系统的实时性和适用性，一般采用DSP来完成核心算法与控制，而使用MCU来实现人机对话，以实现实时控制功能。这样，DSP和MCU需要一种高效的数据总线来完成它们之间的大量数据传送。SPI总线由于占用的接口线少，通信效率高，并且大部分处理器芯片都支持，因而是一种理想的设计方案。

针对交流伺服系统实际使用的要求，采用TI公司的高性能DSP控制器TMS320LF2407A（简称“2407A”）作为控制核心；选用TI公司生产的MSP430系列单片机中的MSP430F149作为人机界面的控制芯片，来实现按键和数据采集以及显示的功能；采用SPI串口通信实现单片机与DSP之间的数据传输。

1系统硬件的构成

1.1MSP430

MSP430系列单片机是TI公司近几年开发的新一代单片机。该单片机在设计上打破常规采用了全新的概念,其突出的优点是低电源电压、超低功耗、多种功能。由于其功能远远超过其他系列单片机的功能，因而又称为“混合型单片机”。MSP430具有非常高的集成度,单片集成了多通道的12位A/D转换、片内精密比较器、多个具有PWM功能的定时器、片内USART、看门狗定时器、片内数控振荡器、大量的I/O端口以及大容量的片内存储器。同时，MSP430F149是Flash存储器型单片机，具有良好的仿真开发技术，设置有JTAG仿真接口和高级语言编译器。在系统支持软件下，在线实现对目标系统的硬件调试及软件开发，包括汇编语言、C语言、连接及动态调试，具有单步、多断点和跟踪，并且开放全部存储器、寄存器，可以方便、可靠地对系统进行软硬件开发[12]。

基于以上特点,该系列单片机在便携式仪表、智能传感器、实用检测仪器、电机控制、家庭自动化等领域的应用较为普遍。

1.2TMS320LF2407A

2407A是TI公司为满足工业控制应用，尤其是电机控制而设计的。把一个高性能的 DSP核和许多外围设备集成到单片内。2407A的40 MIPS的处理速度可以满足快速地处理大量数据和算法的需要。

2407A具有丰富的外设模块： 3K字的Flash程序存储器、1.5K字的数据/程序RAM、544字双口RAM(DARAM)和2K字的单口RAM(SARAM)、2个事件管理器EVA和EVB、16通道输入的A/D转换器，具有看门狗定时器模块(WDT)、串行通信接口(SCI)、16位的串行外设接口模块(SPI)、控制器局域网络(CAN)2.0B模块、基于锁相环的时钟发生器、高达40个可单独编程或复用的通用输入/输出引脚、5个外部中断。由此可以看出，2407A确实有着很强的实时处理能力，不失为高性能伺服驱动控制的理想器件之一[3]。

1.3硬件接口设计与SPI通信的实现

SPI通信设备在硬件连接上只需要将主机的发送与从机的接收相连，将主机的接收与从机的发送相连，将主机产生的时钟信号输出至从机的时钟引脚上。单片机与外设的硬件连接如图1所示。

图1MSP430F149与DSP的接口连接电路

单片机MSP430F149作为串行通信的主机， DSP 2407A则作为从机(slave)。其中，SPICLK为SPI时钟引脚， SPISIMO为SPI从动输入/主动输出，SPISOMI为从动输出/主动输入，SPISTE为从动发送使能。

从图1可以看出，SPI通过一根时钟引线将主机和从机同步，因此，它的串行数据交换不需要增加起始位、停止位等用于同步的格式位，直接将要传送的数据写入主机的SPI发送数据寄存器。这个写入过程自动启动主机的发送过程，即在同步时钟SPICLK的节拍下把SPITXBUF的内容一位一位地移到引脚SPISIMO；对于从机，同样在SPICLK的节拍下将出现在引脚SPISIMO上的数据一位一位地移到从机的移位寄存器，当接收完一个完整的数据块后，设置中断标志通知从机这个数据块已接收完毕，并同时将移位寄存器接收到的内容复制到从机的SPI接收数据寄存器SPIRXBUF。可以看出，用户编程只需在发送数据时写数据到SPI发送数据寄存器，在接收数据时读SPI接收数据寄存器，其余的工作都由SPI模块自动完成[4]。

2软件设计

MSP430F149和DSP都允许用户用C语言和汇编语言进行编程。系统中DSP对电机实现实时控制，对运行速度要求严格，所以程序采用汇编语言实现。MSP430实现按键显示、数据管理和指令传输等功能，对运行速度要求不高，所以采用C语言实现。

软件设计的主要任务是：初始化相应的寄存器；单片机在相应的界面发送数据；DSP及时接收到达串口的数据，识别并保存数据。

2.1通信协议的设置

两个设备之间要实现相互通信，首先必须规定用以传输数据的协议。一般来说，主机发送命令和配置信息给从机，而从机则向主机发送反馈信息。系统主要实现的是单片机向DSP发送数据信息，单片机首先发送指令数据表示主机发送数据的过程开始。如果发送的是0，则标志着该过程的开始。为了避免误操作指令数据发送两次，DSP接收的两个数据都是0时进行相应的操作，否则重新传输指令数据。然后把单片机需要传输的数据存放在一个数组里面依次传送，比如要传输3个数据，则定义数组a[0]和a[1]存放指令数据，a[2]到a[4]存放需要传送的数组。

2.2串行口的初始化

单片机的SPI初始化包括：把相应的I/O口配置成具有SPI特殊功能的接口，时钟模式的选定，波特率的选择，发送接收数据长度的选择，内部相对应的时钟使能。所有设置都是通过设计相对应的SPI控制寄存器实现的[5]。

初始化程序如下：

WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD;//关闭看门狗

BCSCTL1 = RSEL0 + RSEL1 + RSEL2; // XT2on

BCSCTL2 = SELM1 + SELS;//选择高速晶体振荡器作为时钟源

UCTL1=CHAR + SYNC + MM + SWRST;//SPIZ主模式8位数据，单片机作为主动模式

UTCTL1=STC+SSEL1+CKPL ;//数据在下降沿输出，系统主时钟，三线模式

UBR01=0x02;

UBR11=0x00;//波特率设为fclk/2

UMCTL1=0x00;

ME2=USPIE1;//模块使能2

P5SEL|=0x0F;//低4位为模块端口功能

P5OUT|=0xf0;

UCTL1&= ~SWRST;//复位结束

2407A的SPI初始化与单片机的初始化相类似，但是DSP作为从器件，所以其波特率由主器件决定不需要再进行设计。

2.3MSP430发送数据

系统具有薄膜按键和液晶显示，可以方便地在需要的时候发送数据。比如，在设计完参数后就会出现一个选择界面，让操作者选择是进行参数保存、参数备份还是传递参数给DSP，操作者可以根据自己不同的需要选择相应的功能。如果选择参数传递功能，则单片机会跳到相应的程序段执行参数传递的任务。发送数据程序如下：

P5OUT &= 0x1f;//片选DSP芯片

while((U1IFG & UTXIFG1) != UTXIFG1);

for(k=0;k<6;k++) {//传输的数据个数

P5OUT &= 0x1f;

while((U1IFG & UTXIFG1) != UTXIFG1);

TXBUF1=a[k];//发送数据

while((UTCTL1&0x01)==0);//发送完成

delay(10);

P5OUT &= 0x2f;

}

2.4DSP接收数据

DSP接收单片机发送过来的数据是通过中断方式实现的，每传输一个数据就发生一次中断。主程序完成对DSP的初始化后进入等待状态，一旦接收到单片机的中断信号，DSP就进入中断服务子程序，将接收到的数据存放在70H开始的存储单元中。当所有数据传输完成后，将这些数据赋给相应的变量。这里要注意的是，DSP的SPIRXBUF是16位，而单片机发送的数据是8位，所以在DSP接收到数据以后需要做处理，把高8位屏蔽掉。可以通过与00FF相与来达到这个目的。中断程序流程如图2所示。

图2DSP中断程序流程

中断程序如下：

LDP#6

LACCK;K=K+1

ADD#1

SACLK

MAR*,AR2;AR2为存储单元地址指针

LDP#DP_PF1

LACCSPIRXBUF

AND#00FFH;高位屏蔽掉

SACL*+

LDP#6

LACCK

SUB#1;判断是否为指令数据

BCNDL1,NEQ

LDP#0

LACC#70H

SUB#0

BCNDL3,NEQ;不是0则跳到L3

BL2;是0则跳到L2

L1: …;判断是否是第2个数据

L4: LACCK;判断数据是否传送完毕

SUB#05H

BCNDL5,EQ

BL2

L5：LDP#0;数据全部发送完毕

LACC72H

LDP#6

SACLSPEED;赋值给相应变量

……

L3: SPLKK,0;K=0

LDP#0

LARAR2,#70H;地址指针指回70H

L2: CLRCINTM;开中断

RET

3结论

实验证明，应用SPI通信进行MSP430单片机与DSP之间的串口通信完全满足伺服系统实时性的要求。同时，由于SPI接口功能比较完善，通信协议清晰，时序简单，无须外加其他元器件即可方便地实现DSP与主机之间数据的串行通信，简化了系统设计，增强系统的实时处理能力和应用范围。结构灵活性强,便于扩展,同时减轻了主CPU负担,提高了系统的可靠性。

参考文献

[1] 胡大可.MSP430系列超低功耗16位单片机原理与应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2000.

[2] Texas Instruments.MSP430x1xx Family Users Guide (SLAU049B.pdf)，2002.

[3] 刘和平,严利平,张学锋,等.TMS320LF240X DSP结构、原理及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002.

[4] 任志斌,车长征.串行外设接口SPI的应用[J] .电子技术应用,2002,29(10):2022.

[5] 魏小龙.MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002.

朱广斌(硕士研究生)，主要研究方向为交流伺服系统。