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[導(dǎo)讀]DSP(數(shù)字信號(hào)處理)的優(yōu)勢(shì)除了處理復(fù)雜的運(yùn)算,特別適用于數(shù)字濾波、語(yǔ)音、視頻、圖象處理、通信以及高速實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng)中已成為現(xiàn)代信息處理技術(shù)的重要器件,極大地促進(jìn)了信號(hào)處理和測(cè)控。

1 引言

DSP(數(shù)字信號(hào)處理)的優(yōu)勢(shì)除了處理復(fù)雜的運(yùn)算,特別適用于數(shù)字濾波、語(yǔ)音、視頻、圖象處理、通信以及高速實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng)中已成為現(xiàn)代信息處理技術(shù)的重要器件,極大地促進(jìn)了信號(hào)處理和測(cè)控各個(gè)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)研究、產(chǎn)品開發(fā)及應(yīng)用。TI公司TMS320LF2407是一種專用定點(diǎn)DSP芯片,與以往的產(chǎn)品相比.最大不同就是有豐富的外設(shè).像SCI、SPI、EV等等.在處理數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)上添加了事務(wù)管理能力。

其中串行外設(shè)接口(Serial Peripheral Interface)是Motorola公司提出的一種同步串行外圍接口協(xié)議.主要應(yīng)用在EEPROM、FLASH、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、AD轉(zhuǎn)換器.還有數(shù)字處理和數(shù)字解碼器之間。包括主/從2種模式,具有I/O資源占用少、協(xié)議實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、傳輸速度快、能夠同時(shí)收發(fā)信息、支持絕大部分處理器芯片等優(yōu)點(diǎn),是一種高速的全雙工、同步的通信總線,并且在芯片的管腳上只占用四根線,節(jié)約了芯片的管腳.同時(shí)為PCB的布局上節(jié)約了空間,提供了方便,正是出于這種簡(jiǎn)單易用的特性,TMS320LF2407芯片也集成了這種通信協(xié)議。

2 SPI接口結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)原理

2.1 SPI接口結(jié)構(gòu)

該SPI設(shè)計(jì)主要有兩大部分組成:微控制器接口和SPI控制接口。通過控制線、數(shù)據(jù)線、和地址線三大總線把微控制接口與SPI控制接口連接在一起,如果外部有更多的SPI接口模塊??梢杂蒘PI控制接口運(yùn)用軟件編程與設(shè)置,實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展具有SPI接口的外部設(shè)備。

TMS320LF2407中采用的主從控制器連接通信。主控制器通過輸出SPICLK信號(hào)來(lái)啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳送。對(duì)主控制器和從控制器.?dāng)?shù)據(jù)都是在SPICLK的一個(gè)邊沿移出移位寄存器,并在相對(duì)的另一個(gè)邊沿鎖存到移位寄存器。如果CLOCK PHASE位是1.?dāng)?shù)據(jù)的發(fā)送和傳輸就要在SPICLK跳變之前的半個(gè)周期發(fā)生。主控制器可以在任一時(shí)刻啟動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送.因?yàn)樗刂浦鳶PICLK信號(hào)。由軟件決定了主控制器如何檢測(cè)從控制器何時(shí)準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù),以啟動(dòng)SPI傳送數(shù)據(jù)。


圖1 SPI內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.2 SPI設(shè)計(jì)原理

SPI接口是同步串行總線的一種,在同步時(shí)鐘信號(hào)SCK下,能夠高速、可靠的傳送數(shù)據(jù)。它分為主從(MASTER/SLAVER)兩種傳輸模式。主模式下的發(fā)送總線即是從模式的接收總線:與之對(duì)應(yīng)的是從模式下的發(fā)送總線即是主模式的接收總線。它們可以同時(shí)接收和發(fā)送數(shù)據(jù).而且發(fā)送和接收操作可以通過中斷或者查詢方法來(lái)完成。

2.2.1工作時(shí)鐘

時(shí)鐘極性CPOL和時(shí)鐘相位CPHA控制著時(shí)鐘信號(hào)引腳上4中不同的時(shí)鐘方式。在設(shè)備被使能激活后.還未進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)或兩個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)間歇期間,SCK處于空閑電平,通過時(shí)鐘極性控制位可以選擇此空閑電平的電平時(shí)0還是1:時(shí)鐘相位控制位用來(lái)選擇數(shù)據(jù)接收端設(shè)備的采樣時(shí)刻。在該采樣時(shí)刻,線上數(shù)據(jù)必須同時(shí)滿足建立時(shí)間和保持時(shí)間兩個(gè)參數(shù),因此數(shù)據(jù)發(fā)送端設(shè)備應(yīng)提前將數(shù)據(jù)移出到數(shù)據(jù)線上。

4種不同的時(shí)鐘方式能根據(jù)外設(shè)需要,能夠提供相對(duì)應(yīng)的傳輸協(xié)議來(lái)完成數(shù)據(jù)的傳輸工作。它們之間沒有優(yōu)先級(jí).SPI線上的主從設(shè)備必須根據(jù)具體情況設(shè)置匹配的傳輸時(shí)序模式.時(shí)序只有匹配擻據(jù)傳輸才能正常進(jìn)行。如果設(shè)置的不匹配.可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)接收方和發(fā)送方在同一個(gè)時(shí)鐘沿作用.導(dǎo)致數(shù)據(jù)輸出失敗。

圖2是CPHA=0時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序.它同時(shí)包含了CPOL=0和CPOL=1的情況,當(dāng)CPOL=O時(shí),要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)在時(shí)鐘信號(hào)沒有延時(shí)且上升沿出發(fā)送,在時(shí)鐘信號(hào)下降沿處接收數(shù)據(jù)。當(dāng)CPOL=1時(shí),同樣在沒有延時(shí)的情況下傳輸,不同的是下降沿發(fā)送數(shù)據(jù),上升沿接收。圖3是CPHA=1時(shí)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序。與圖2相似,但采樣時(shí)刻延遲了半個(gè)周期。


圖2 CPHA=0是SPI總線數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序


圖3 CPHA=1時(shí)SPI總線數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序

3 SPI硬件設(shè)計(jì)

寄存器在SPI中起著決定性的作用.無(wú)論是在微控制器接口,還是SPI控制接口,寄存器在數(shù)據(jù)傳輸和控制方面都是主要的組成部分。而寄存器最基本最重要的單元是觸發(fā)器.只有改善觸發(fā)器的結(jié)構(gòu),才能提高整個(gè)SPI接口的性能。

有的串行接口設(shè)計(jì)中采用B結(jié)構(gòu)的觸發(fā)器設(shè)計(jì),這些結(jié)構(gòu)里應(yīng)用的是一種簡(jiǎn)單的MOS管做開關(guān).雖然MOS管做開關(guān)有功耗低,占面積小的優(yōu)點(diǎn)。但要提高它的電路工作頻率.開關(guān)速度,制作丁藝卻是越來(lái)越困難。而且如果輸入信號(hào)不強(qiáng).就很可能出現(xiàn)信號(hào)倒流,這就需要一個(gè)較高電壓來(lái)控制開關(guān)。這也不利于數(shù)據(jù)傳輸和降低功耗等等。

為了解決由MOS管做開關(guān)時(shí)引起的種種難題.來(lái)實(shí)現(xiàn)在TMS320LF2407串行接口中的信息傳遞的高速率。本設(shè)計(jì)綜合考慮速度、工作電壓、噪聲容限等因素的影響.采用了一種新穎的觸發(fā)器結(jié)構(gòu)(圖4A部分),本文接口電路中大都采用了該觸發(fā)器的電路設(shè)計(jì),工作電壓降低到3.3V,大大降低了整體功耗;在開關(guān)方面采用了三態(tài)門,有效的防止了信號(hào)倒流,實(shí)現(xiàn)了信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定;添加了一個(gè)反饋信號(hào),在需要的時(shí)候.能夠把所需反饋信號(hào)再次輸入;同時(shí)加快r開關(guān)速率,帶負(fù)載的能力也增強(qiáng)。


圖4 A、B兩種觸發(fā)器比較

4 RTL級(jí)設(shè)計(jì)

隨著數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性不斷增加,在設(shè)計(jì)初期指定有效的設(shè)計(jì)策略對(duì)于整個(gè)設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。行為描述方式是對(duì)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的描述。它包括RTL、算法級(jí)、系統(tǒng)級(jí)的描述。RTL是指通過描述寄存器之間數(shù)據(jù)流動(dòng)來(lái)描述數(shù)字電路系統(tǒng),是一個(gè)數(shù)據(jù)流的概念.寄存器與寄存器之間的數(shù)據(jù)處理由組合邏輯完成。RTL級(jí)是Verilog較高抽象層次,在這個(gè)抽象層次上,模塊可以根據(jù)設(shè)計(jì)的算法來(lái)實(shí)現(xiàn).而不用考慮具體的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。

4.1寄存器整體電路設(shè)計(jì)

下面是部分Verilog HDL源代碼.描述了數(shù)據(jù)傳輸時(shí)相關(guān)寄存器的功能設(shè)置:先是對(duì)復(fù)位時(shí)各個(gè)寄存器的初始值,接下來(lái)是對(duì)寄存器進(jìn)行功能設(shè)計(jì).和數(shù)據(jù)傳輸時(shí)候產(chǎn)生的中斷使能和標(biāo)志位的設(shè)計(jì)。

always @ (posedge Peri_clk or posedge RESET)
begin
if(RESET)
begin
outdb<=8’hz; SPICCR<=8’h00; SPICTL<=8’h00; SPIBBR<=8’h00; SPIPRI<=8’h00;
end
end
always @(posedge Peri_clk or posedge RESET)
begin
if(RESET)
shift_out_d<=1’b0;
else
case(1’b1)
spidat_w: SPIDAT<=PeriDB; shifi_out_clk:shift_out_d<=SPIDAT[7];
sample_in_clk:SPIDAT[7:0]<={SPIDAT[6:0],sample in_d};
default;
endcase
end
always@(posedge Peri_clk or posedge RESET)
begin
if(RESET)
SPISTS<=8’h00;
else
begin
if(SW_RESET)
SPISTS[7:6]<=2’hO;
else if(int_flag_set)
begin
SPISTS[6]<=1’b1;SPIBUF<=SPIDAT;SPIEMU<=SPIDAT;
end
else if(spibuf_r)
SPISTS[6]<=1’b0;
if(overrun_flag set)
SPISTS[7]<=1’b1;
else if(sts7_clr)
SPISTS[7]<=1’b0;
end
end

4.2整體時(shí)序仿真

將上述Verilog代碼編譯,再寫上對(duì)應(yīng)測(cè)試代碼進(jìn)行驗(yàn)證。圖5是寄存器的寫操作的整體時(shí)序仿真波形圖.驗(yàn)證了上述代碼正確可行。


圖5寫操作整體時(shí)序仿真

5 結(jié)論

本文作者的創(chuàng)新點(diǎn)是改進(jìn)了硬件觸發(fā)器的結(jié)構(gòu).用三態(tài)門和傳輸門取代那種單一MOS管的結(jié)構(gòu)。首次應(yīng)用到TMS320LF2407芯片串行外設(shè)接口上,降低工作電壓到3.3V,加快數(shù)據(jù)傳輸,而且還有相應(yīng)的反饋信號(hào),進(jìn)一步完善了觸發(fā)器結(jié)構(gòu)。同時(shí)有很好的可移植性好。具有充分的可裁剪性,本設(shè)計(jì)運(yùn)行可靠,達(dá)到預(yù)期的效果。


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