TMS320F2812的SPI接口設(shè)計(jì)

摘要：為了使控制系統(tǒng)的參數(shù)能夠在掉電之前保存下來，提出一種SPI模塊與25LC040芯片的接口設(shè)計(jì)方法，介紹了DSP芯片TMS320F2812 SPI模塊的特點(diǎn)，以及25LC040芯片的功能特點(diǎn)、操作規(guī)范和讀寫時(shí)序，給出了硬件接口電路，詳細(xì)介紹了SPI模塊各個(gè)功能部分的設(shè)置；設(shè)計(jì)了一種可以提高運(yùn)行效率的查詢算法，并給出數(shù)據(jù)編程的軟件設(shè)計(jì)，解決了DSP芯片不能保存在線更改參數(shù)的問題，從而使系統(tǒng)可以直接使用已經(jīng)調(diào)整好的參數(shù)，而不必重新設(shè)置。
關(guān)鍵詞：TMS320F2812；25LC040；SPI接口；軟件設(shè)計(jì)

引言
    目前，在一些控制系統(tǒng)中需要不斷地調(diào)整參數(shù)或者改變相關(guān)的設(shè)置，才能取得良好的控制效果，并且將這些參數(shù)在掉電之前保存下來，從而確保下次運(yùn)行時(shí)可以直接使用已經(jīng)調(diào)整好的參數(shù)，而不必重新設(shè)置。這就需要EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器)，一種掉電后數(shù)據(jù)不丟失的存儲(chǔ)芯片，來存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù)。隨著DSP芯片在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛，越來越多的控制系統(tǒng)采用DSP的SPI模塊來對EEPROM進(jìn)行操作，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)記錄。
    TMS320F2812是TI公司推出的一款用于控制系統(tǒng)的高性能、多功能、高性價(jià)比的32位定點(diǎn)DSP芯片。TMS320F2812采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，具有密碼保護(hù)機(jī)制，可在一個(gè)周期內(nèi)進(jìn)行雙16×16乘加和32×32乘加操作，從而兼顧控制和快速運(yùn)算的雙重功能；芯片上集成了多種外設(shè)，尤其是2個(gè)事件管理器為電動(dòng)機(jī)以及功率變換控制提供了很大的便利，因此在控制系統(tǒng)中得到了很廣泛的應(yīng)用。下面以Microchip公司的EEPROM 25LC040為例，介紹TMS320F2812的SPI接口設(shè)計(jì)。

1 主要芯片簡介
1．1 TMS320F2812 SPI模塊
    SPI總線是一種同步串行外設(shè)接口，它可以使控制芯片以串行方式與各種外圍設(shè)備進(jìn)行通信。該接口一般使用4條線：串行時(shí)鐘線(SCK)、主機(jī)輸入／從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線MISO、主機(jī)輸出／從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線MOSI和片選信號(hào)STE。
    TMS320F2812的SPI模塊有主從兩種工作模式，可以通過寄存器來設(shè)置(其數(shù)據(jù)長度可以配置為1～16位，具有125種可編程的波特率)；通過時(shí)鐘極性和時(shí)鐘相位可以將SPI模塊配置成4種不同的時(shí)鐘模式；有16級(jí)發(fā)送／接收FIFO，并且具有延時(shí)發(fā)送的功能，可以通過中斷或者查詢的方式來完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。
    SPI模塊有8個(gè)寄存器需要設(shè)置，用來控制SPI的操作：SPICCR、SPICTL用來配置SPI的工作狀態(tài)；SPISTS用來獲取SPI的狀態(tài)信息，包括2個(gè)接收狀態(tài)位和1個(gè)發(fā)送緩沖狀態(tài)位，可以通過查詢這些狀態(tài)位來判斷是否完成數(shù)據(jù)的接收或者發(fā)送；SPIBRR用來設(shè)置SPI的波特率；SPIRXB-UF和SPITXBUF分別用來接收和發(fā)送數(shù)據(jù)；SPIDAT裝載SPI要發(fā)送的數(shù)據(jù)，SPIPRI用來設(shè)置SPI中斷的優(yōu)先級(jí)。
1．2 EEPROM芯片25LC040
    25LC040是SPI接口的4 Kb EEPROM，至少可以擦寫1 000萬次，數(shù)據(jù)至少可以保存200年，可以滿足大部分?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)的要求。DSP必須能通過相應(yīng)的指令實(shí)現(xiàn)對25LC040的訪問。25LC040的操作指令如表1所列。

    表1中，A8是讀／寫開始地址的第9位。25LC2040是512×8位的EEPROM，分成上下兩頁，每頁256個(gè)字節(jié)，通過選擇A8可以實(shí)現(xiàn)對不同頁的操作。[!--empirenews.page--]
1．2．1 讀時(shí)序
    當(dāng)片選信號(hào)為低時(shí)，向25LC040傳送8位的讀指令(0000 A8011)，緊接著傳送需要讀取數(shù)據(jù)的低8位地址。當(dāng)正確的讀寫指令和地址被識(shí)別后，EEPROM中對應(yīng)地址的數(shù)據(jù)將會(huì)由輸出引腳順次傳出，若繼續(xù)提供時(shí)鐘信號(hào)，下一位地址對應(yīng)的數(shù)據(jù)也會(huì)依次讀出。當(dāng)片選信號(hào)為高時(shí)，讀數(shù)據(jù)的操作將會(huì)被終止。其具體操作如圖1所示。圖中，CS為片選信號(hào)，SCK為時(shí)鐘信號(hào)，SI為輸入引腳信號(hào)，SO為輸出引腳信號(hào)。

1．2．2 寫時(shí)序
    在對25LC040進(jìn)行任何寫操作之前，必須先執(zhí)行WREN(寫使能)指令。寫使能指令的操作如圖2所示。先使片選信號(hào)為低，然后傳送寫使能指令到25LC040中，指令傳送完畢后，必須將片選信號(hào)設(shè)置為高以完成寫使能操作。如果寫指令傳送結(jié)束后沒有拉高片選信號(hào)，直接進(jìn)行寫操作，那么數(shù)據(jù)將不會(huì)寫入到存儲(chǔ)陣列中。

    寫使能操作完成后，片選信號(hào)應(yīng)該被拉低以進(jìn)行寫操作，時(shí)序如圖3所示。寫指令、寫入地址以及寫入的數(shù)據(jù)會(huì)被依次傳送到25LC040中。若要使數(shù)據(jù)正確地寫入到存儲(chǔ)陣列中，片選信號(hào)應(yīng)該在最后一個(gè)有效字節(jié)的D0位傳送完畢后被拉高。

2 TMS320F2812的SPI接口設(shè)計(jì)
    TMS320F2812與25LC040的硬件連接如圖4所示。TMS320F2812工作在主模式，SPISIMO為主模式下的數(shù)據(jù)輸出接口，連接到25LC040的數(shù)據(jù)接收端口；SPISOMI為主模式下的數(shù)據(jù)輸入接口，連接到25LC040的數(shù)據(jù)發(fā)送端口；時(shí)鐘信號(hào)SPICLK和片選信號(hào)SPISTE均由TMS320F2812產(chǎn)生。寫保護(hù)引腳直接接高電平以確保25LC040總是可以被寫入。

2．1 SPI模塊的設(shè)置
    SPI模塊的波特率可由如下兩種情況計(jì)算得出：
    ①SPIBRR=3～127，波特率的計(jì)算公式為：
      SPI波特率=LSPCLK／(SPIBRR+1)
    ②SPIBRR=O～2，波特率的計(jì)算公式為：
      SPI波特率=LSPCLK／4
    LSPCLK是TMS320F2812的低速外設(shè)時(shí)鐘頻率；SPIBRR是SPIBRR寄存器的值。將LSPCLK設(shè)置成37．5 MHz，25LC040的最大時(shí)鐘頻率為2 MHz，SPI的波特率應(yīng)該小于2 MHz，即37．5／(SPIBRR+1)≤2，SPIBRR的取值范圍為SPIBRR≥18。
    通信中將SPISIMO、SPISOMI和SPICLK設(shè)置為基本功能SPI口，SPISTE設(shè)置為一般I／O口。作為25LC040的片選信號(hào)，當(dāng)主／從控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，SPISTE配置成低電平，數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后再配置成高電平。
    TMS320F2812的數(shù)據(jù)寄存器都是16位的，且接收和發(fā)送都是雙緩沖的，而25LC040的地址和數(shù)據(jù)寄存器都是8位的，因此將SPI模塊的數(shù)據(jù)長度設(shè)置成8位。發(fā)送緩沖寄存器SPITXBUF中的數(shù)據(jù)以左對齊的方式發(fā)送，先發(fā)送數(shù)據(jù)的最高位，因此在發(fā)送數(shù)據(jù)前必須將等待發(fā)送的數(shù)據(jù)放在SPITXBUF的高8位。當(dāng)要對25LC2040進(jìn)行寫使能操作時(shí)，寫入SPITXBUF的數(shù)據(jù)應(yīng)為Ox0600。TMS320F2812則是以右對齊的方式來接收數(shù)據(jù)的，8位的數(shù)據(jù)被放在SPITXBUF的低8位上。[!--empirenews.page--]
    SPI模塊有4種時(shí)鐘模式：上升沿?zé)o延時(shí)模式、上升沿有延時(shí)模式、下降沿?zé)o延時(shí)模式和下降沿有延時(shí)模式。25LC040是在時(shí)鐘的上升沿接收數(shù)據(jù)，下降沿發(fā)送數(shù)據(jù)，所以TMS320F2812的SPI應(yīng)該配置為上升沿發(fā)送數(shù)據(jù)，下降沿接收數(shù)據(jù)。
2．2 接收數(shù)據(jù)流程
    通過SPI讀取數(shù)據(jù)比較簡單，只需要依次傳送讀指令和待讀數(shù)據(jù)的低位地址，就可以在SPISOMI引腳上接收到25LC040中的數(shù)據(jù)。因?yàn)門MS320F2812為主控制器，所以必須先發(fā)送一個(gè)無意義的數(shù)，才能夠啟動(dòng)時(shí)鐘。在SPI狀態(tài)寄存器(SPISTS)中有一個(gè)SPI中斷標(biāo)志位(SPIINT FLAG)，該位是一個(gè)只讀標(biāo)志位，由硬件設(shè)置。當(dāng)SPI已經(jīng)完成數(shù)據(jù)發(fā)送或者接收，正在等待下一步的操作時(shí)，SPI中斷標(biāo)志位被置1，若使能SPI中斷，將產(chǎn)生一個(gè)SPI中斷請求。可以通過查詢SPI中斷標(biāo)志位來判斷數(shù)據(jù)是否完成接收。若該標(biāo)志為1，已接收的數(shù)據(jù)將被放入接收緩沖寄存器SPIRXBUF中，通過讀SPIRXBUF寄存器即可得到需要的數(shù)據(jù)。下面給出接收數(shù)據(jù)的子程序，其中addr為待讀數(shù)據(jù)的低位地址。

2．3 發(fā)送數(shù)據(jù)流程
    SPI發(fā)送數(shù)據(jù)需要先完成寫使能操作，然后依次傳送寫指令和低位地址，才可以正確地進(jìn)行數(shù)據(jù)寫入。向SPITXBUF寄存器中寫入待發(fā)的數(shù)據(jù)，SPI時(shí)鐘就會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，數(shù)據(jù)會(huì)由輸出引腳順次傳出；數(shù)據(jù)傳送完后，SPI時(shí)鐘自動(dòng)停止。也可以通過查詢SPI中斷標(biāo)志位來判斷數(shù)據(jù)是否完成發(fā)送，若該標(biāo)志位為1，則可接著發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)。SPI設(shè)置成主模式時(shí)，發(fā)送完一個(gè)數(shù)據(jù)，必須要空讀一下SPIRXBUF寄存器，以清除SPI中斷標(biāo)志位。由于在讀取數(shù)據(jù)的過程中已經(jīng)包含讀SPIRXBUF寄存器，因此在讀取數(shù)據(jù)時(shí)不需要再空讀SPIRXBUF寄存器。下面給出發(fā)送數(shù)據(jù)程序，其中data為待發(fā)送的數(shù)據(jù)，addr為待發(fā)送數(shù)據(jù)將要存放的地址。

2．4 運(yùn)行效率的提升
    25LC040要求在寫操作之后有一定的寫周期時(shí)間來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，其間TMS320F2812對25LC040的所有訪問會(huì)被忽略。每個(gè)器件都有規(guī)定的最壞情況寫周期時(shí)間，可以通過在再次訪問25LC040之前插入不小于最壞情況寫周期時(shí)間的延時(shí)等待來確保遵守寫周期時(shí)間。但是25LC040常常會(huì)在最大規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成寫周期，而此時(shí)TMS320F2812還在等待，會(huì)造成不必要的時(shí)間浪費(fèi)。25LC040內(nèi)部有一個(gè)狀態(tài)寄存器，其第l位為WIP(Write-In-Process)位，該位是一個(gè)只讀位，可以顯示25LC040是否處在寫周期內(nèi)。當(dāng)芯片處于寫周期時(shí)，WIP位置1；當(dāng)寫操作完成時(shí)，WIP位立即清零。狀態(tài)寄存器在寫操作期間仍然可讀，可以通過讀狀態(tài)寄存器指令(WRSR)來獲取狀態(tài)寄存器的內(nèi)容，從而得到WIP位的值以判斷寫周期何時(shí)完成，以進(jìn)入下一步操作。這樣就可以減少不必要的等待時(shí)間，使運(yùn)行更加高效。具體的流程如圖5所示。

結(jié)語
   本文在分析TMS320F2812 SPI模塊的特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，描述了SPI各個(gè)控制寄存器的作用。通過與EEPROM25LC040通信的實(shí)例，給出了SPI口的軟硬件設(shè)計(jì)方法，并對其中需要注意的關(guān)鍵問題進(jìn)行了分析討論。