DSP的SPI口和串行EEPROM在變頻器中的應(yīng)用

1 引言

　　變頻器的開發(fā)中我們選用TMS320F240芯片做主CPU，TMS320F240系列是美國TI公司于1997年推出的，專為數(shù)字電機(jī)控制和其它控制應(yīng)用系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的16位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器。它將數(shù)字信號(hào)處理的高速運(yùn)算功能與面向電機(jī)的強(qiáng)大控制能力結(jié)合在一起，成為中低端變頻器理想的主控芯片。F240片內(nèi)外設(shè)包括雙10位A/D轉(zhuǎn)換器，帶有鎖相環(huán)PLL時(shí)鐘模塊，帶中斷的看門狗定時(shí)器模塊，串行通信接口SCI及串行外設(shè)接口SPI，另外，還集成了一個(gè)事件管理模塊EVM。因此，TMS320F240基本能滿足筆者變頻器設(shè)計(jì)的要求。

　　變頻器有幾百甚至上千個(gè)參數(shù)，這些參數(shù)值都要求系統(tǒng)斷電后不能丟失，在設(shè)計(jì)中我們選用非易失性存儲(chǔ)器EEPROM保存數(shù)據(jù)。每次上電時(shí)，從EEPROM中讀取上次參數(shù)的設(shè)定值，以保證變頻器運(yùn)行狀態(tài)的連續(xù)性，同樣每次斷電時(shí)，也要保存變頻器此次運(yùn)行的參數(shù)設(shè)定情況，以便開機(jī)時(shí)讀取。本文闡述了變頻器開發(fā)中F240擴(kuò)展EEPROM（X5168）的設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)過程。

2 對TMS320F240的串行外設(shè)接口（SPI）的說明

　　TMS320F240的串行外設(shè)接口（SPI）模塊是一個(gè)高速同步串行輸入/輸出端口，它允許F240控制器和片外外設(shè)或其他控制器進(jìn)行串行通信，在通信過程中，SPI能夠以任意給定的傳輸速率對具有可編成長度（1-8位）的串行比特流進(jìn)行收發(fā)。該模塊也是一個(gè)8位外設(shè)，它直接掛在16位的片內(nèi)外設(shè)總線上，因此，外設(shè)總線的高8位讀寫訪問對該模塊是沒有意義的。

　　SPI模塊的特性如下：

　?。?） 4個(gè)外部引腳。SPISOM I為SPI從輸出/主輸入引腳;SPISIMO為SPI從輸入/主輸出引腳;SPISTE為SPI從發(fā)送使能引腳;SPICLK為SPI串行時(shí)鐘引腳。

　?。?） 兩種工作方式，即主模式（Master）和從模式（Slave）。

　?。?） 數(shù)據(jù)字長。1-8個(gè)數(shù)據(jù)位。

　　（4） 可同時(shí)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送和接收操作可通過中斷或查詢方法來完成。

　?。?） 波特率，l25種可編程的波特率，下列兩個(gè)公式給出了計(jì)算SPI的波特率的方法：

　　1. 當(dāng)SPIBRR=3-127時(shí)，SPI波特率=系統(tǒng)時(shí)鐘頻率/（SPI寄存器的值+1）;

　　2. 當(dāng)SPIBRR=0、1、2時(shí)，SPI波特率=系統(tǒng)時(shí)鐘頻率/4;

　?。?） 4種時(shí)鐘方案，由時(shí)鐘極性位（SPICCR寄存器的位6）和時(shí)鐘相位位（SPICTL寄存器的位3）進(jìn)行設(shè)置，包括：

　　1. 無延時(shí)下降沿有效：串行外設(shè)接口在SPICLK 信號(hào)下降沿發(fā)送數(shù)據(jù)，而在SPICLK 信號(hào)上升沿接收數(shù)據(jù);

　　2. 有延時(shí)下降沿有效：串行外設(shè)接口在SPICLK 信號(hào)下降沿之前的半個(gè)周期時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，而在SPICLK 信號(hào)下降沿接收數(shù)據(jù);

　　3. 無延時(shí)上升沿有效：串行外設(shè)接口在SPICLK 信號(hào)上升沿發(fā)送數(shù)據(jù)，而在SPICLK 信號(hào)下降沿接收數(shù)據(jù);

　　4. 有延時(shí)上升沿有效：串行外設(shè)接口在SPICLK 信號(hào)上升沿之前的半個(gè)周期時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)， 在SPICLK 信號(hào)上升沿接收數(shù)據(jù)。

3 對X5168的說明

　　DSP處理速度比較快，且本設(shè)計(jì)需要保存的數(shù)據(jù)量大，筆者選擇了XICOR公司的帶16Kb SPI EEPROM 的CPU監(jiān)視器X5168。器件把四種常用的功能：上電復(fù)位、看門狗定時(shí)器、電源電壓監(jiān)控和塊鎖存保護(hù)的串行EEPROM 存儲(chǔ)器集成在一個(gè)封裝之內(nèi)，這種組合降低了系統(tǒng)成本，減少了電路板空間，增加了可靠性。[!--empirenews.page--]

　　器件的存儲(chǔ)器部分是帶有XICOR公司的塊鎖存保護(hù)的CMOS串行EEPROM 陣列，陣列的內(nèi)部組織是x8位。具有串行外圍接口（SPI）和軟件協(xié)議的特點(diǎn)，允許在簡單的四線總線上工作。利用XICOR專有的直接寫入晶片，提供最小為100,000次擦寫和最少為100 年的數(shù)據(jù)保存期。

4 DSP與X5168的連接通信

4.1硬件設(shè)計(jì)

　　在變頻器設(shè)計(jì)中DSP與X5168的硬件連接圖如圖1

圖1 TMS320F240與X5168連接原理圖

　　串行外設(shè)接口（SPI）有兩種工作模式：主模式和從模式，與X5168 連接時(shí)工作于主模式。從圖中可看到，X5168通過四根線來完成與DSP的數(shù)據(jù)交換，DSP的SPISIMO、SPISOMI、SPICLK、SPISTE引腳分別連接X5168的SI（串行輸入）、SO（串行輸出）、SCK（串行時(shí)鐘）、/CS（片選端），此時(shí)的F240控制器稱為“主機(jī)”，這種情況下，SPI在SPICLK引腳上提供了整個(gè)串行通信網(wǎng)絡(luò)所需的串行時(shí)鐘;數(shù)據(jù)從SPISIMO引腳輸出;并鎖存從SPISOMI引腳輸入的數(shù)據(jù);SPIBRR寄存器決定了整個(gè)串行通信網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)發(fā)送和接收時(shí)的位傳輸率。

　　寫入SPIDAT的數(shù)據(jù)啟動(dòng)了SPISIMO引腳上的數(shù)據(jù)發(fā)送，先發(fā)送最高有效位;同時(shí)，接收的數(shù)據(jù)通過SPISOMI引腳移入SPIDAT的最低有效位。當(dāng)有一定數(shù)量的數(shù)據(jù)位通過SPIDAT移位時(shí)，產(chǎn)生下列事件：

　　一、SPI INT FLAG置1

　　二、SPIDAT的內(nèi)容傳送到SPIBUF

　　三、如果SPI INT ENA也被置1，則產(chǎn)生中斷請求

　　在主模式中，無論寄存器SPIPC1的位5（SPISTE FUNCTION）為何值，SPISTE引腳都將用作通用數(shù)字I/O引腳。在本設(shè)計(jì)中，引腳SPISTE用作從機(jī)SPI模塊的片選引腳;在將主機(jī)數(shù)據(jù)傳送到從機(jī)器件之前，應(yīng)將從機(jī)器件片選引腳拉低電平，并且在傳送完主機(jī)數(shù)據(jù)之后，重新將該引腳拉為高電平。

4.2軟件設(shè)計(jì)

4.2.1 TMS320 F240的SPI初始化

　　上文介紹了F240的SPI模塊的功能，配置寄存器串行外設(shè)接口工作于主模式，波特率設(shè)置為2MHz，初始化程序如下：

　　void SPIinitial（void）

　?。?＊SPICCR=0xc7; //復(fù)位SPI

　?。猄PICTL=0x06; //主模式，使能TALK,禁止SPI中斷

　?。猄PISTS=0x00; //清中斷標(biāo)志

　?。猄PIBRR=0x04; //波特率設(shè)為SPICLK=SYSCLK/4+1=2MHz，SYSCLK=10MHz

　　＊SPIPC1=0x52; //SPISTE引腳配置成輸出引腳，SPICLK被配置成串行時(shí)鐘的輸

　　//入或輸出

　　＊SPIPC2=0x22; //SPISIMO,SPISOMI用作SPI輸入輸出

　?。猄PICCR=0x47; //上升沿發(fā)送，下降沿輸入數(shù)據(jù)鎖存，無時(shí)延，字符長度為8

　?。?/p>

4.2.2 F240對X5168的讀寫程序[!--empirenews.page--]

　　對EEPROM的讀寫是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，以下分別介紹：

　　一、讀操作

　　a）.從EEPROM存儲(chǔ)器陣列中讀數(shù)據(jù)時(shí)，/CS 首先被拉低以選擇器件，向器件傳送8位讀READ指令（00000011B），接著是16位地址（高位在前）。在讀操作碼和地址送出后，存儲(chǔ)位于在所選地址的存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)在SO線上被移出，繼續(xù)提供時(shí)鐘脈沖可接著讀出存儲(chǔ)在位于下一個(gè)地址的存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)。每移出一個(gè)字節(jié)地址自動(dòng)增加至下一個(gè)更高的地址，在達(dá)到最高地址時(shí)，地址計(jì)數(shù)器返回到地址$0000，允許讀周期無限期地繼續(xù)。將/CS拉高可終止讀操作。參見讀EEPROM陣列時(shí)序圖2。

圖2 讀EEPROM陣列時(shí)序圖

　　以下是讀X5168子程序，其中RA_ADDR為存儲(chǔ)讀出數(shù)據(jù)的數(shù)組的首地址，EEP_ADDR為要讀取數(shù)據(jù)在EEPROM陣列中的地址，N為要讀取數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)

　　void READ_X5168（unsigned int ＊ RA_ADDR, unsigned int EEP_ADDR, unsigned int N）

　　｛ unsigned int I,readspibuf1,readspibuf2;

　?。猄PIPC1&=0xBF; /＊置低SPISTE引腳，從而選通X5168＊/

　　＊SPIDAT=READ; /＊發(fā)送X5168的寫狀態(tài)寄存器命令字＊/

　　while（（＊SPISTS&0x40）!=0x40）｛｝ /＊等待SPI寫結(jié)束＊/

　　readspibuf=＊SPIBUF; /＊讀SPIBUF寄存器，清除SPI INT FLAG 位＊/

　?。猄PIDAT=EEP_ADDR>>8; /＊發(fā)送地址高八位＊/

　　while（（＊SPISTS&0x40）!=0x40）｛｝ /＊等待SPI寫結(jié)束＊/

　　readspibuf=＊SPIBUF; /＊讀SPIBUF寄存器，清除SPI INT FLAG 位＊/

　?。猄PIDAT=EEP_ADDR; /＊發(fā)送地址低八位＊/

　　while（（＊SPISTS&0x40）!=0x40）｛｝ /＊等待SPI寫結(jié)束＊/

　　readspibuf=＊SPIBUF; /＊讀SPIBUF寄存器，清除SPI INT FLAG 位＊/

　　for （I=0;I

　?。?＊SPIDAT=0; /＊發(fā)送偽數(shù)據(jù)＊/

　　while（（＊SPISTS&0x40）!=0x40）｛｝ /＊等待SPI讀/寫結(jié)束＊/

　　readspibuf1=＊SPIBUF; /＊讀取高位字節(jié)＊/

　　readspibuf1=readspibuf1<<8;

　?。猄PIDAT=0; /＊發(fā)送偽數(shù)據(jù)＊/

　　while（（＊SPISTS&0x40）!=0x40）｛｝ /＊等待SPI讀/寫結(jié)束＊/

　　readspibuf2=＊SPIBUF; /＊讀取低位字節(jié)＊/

　?。≧A_ADDR+I）=readspibuf1+readspibuf2;

　?。?/p>

　?。猄PIPC1|=0x40; /＊置高SPISTE引腳，從而禁止X5168＊/

　　｝

　　b）.讀狀態(tài)寄存器時(shí)，首先要拉低/CS 線，以選中器件，接著發(fā)送8位的RDSR指令（00000101B），在RDSR操作碼發(fā)出以后，狀態(tài)寄存器的內(nèi)容在SO線上被移出。參見讀狀態(tài)寄存器時(shí)序圖3。[!--empirenews.page--]

圖3 讀狀態(tài)寄存器時(shí)序圖

　　以下是讀狀態(tài)寄存器子程序：

　　unsigned int RSDR_X5168（void）

　?。?unsigned int readspibuftrue;

　?。猄PIPC1&=0xBF; /＊置低SPISTE引腳，從而選通X5168＊/

　?。猄PIDAT=RDSR; /＊發(fā)送x5168的讀狀態(tài)寄存器命令字＊/

　　while（（＊SPISTS&0x40）!=0x40）｛｝ /＊等待SPI寫結(jié)束＊/

　　readspibuftrue=＊SPIBUF; /＊讀SPIBUF寄存器，清除SPI INT FLAG 位＊/

　?。猄PIDAT=0; /＊發(fā)送偽數(shù)據(jù)＊/

　　while（（＊SPISTS&0x40）!=0x40）｛｝ /＊等待SPI讀/寫結(jié)束＊/

　　readspibuftrue=＊SPIBUF; /＊讀SPIBUF寄存器，讀取狀態(tài)寄存器＊/

　　return readspibuftrue;

　　｝

　　二、寫操作

　　a）.在試圖向器件寫入數(shù)據(jù)前必須首先通過發(fā)送WREN指令來設(shè)置寫使能鎖存WEL（見圖4）。/CS 先被拉低，接著向器件輸入WREN指令（00000110B）。在指令的所有的8位傳送完后，/CS 必須被拉高。如果用戶在發(fā)送完WREN指令后，沒有將/CS 拉高而繼續(xù)寫操作則該寫操作將被忽略。

圖4 寫使能時(shí)序圖

　　串行EEPROMX5168寫使能命令子程序如下：

　　void WREN_X5168（void） /＊寫使能＊/

　?。?＊SPIPC1&=0xBF; /＊置低SPISTE引腳，從而選通X5168＊/

　?。猄PIDAT=WREN; /＊發(fā)送X5168的寫使能命令字＊/

　　while（（＊SPISTS&0x40）!=0x40）｛｝ /＊等待SPI寫結(jié)束＊/

　　readspibuf=＊SPIBUF; /＊讀SPIBUF寄存器，清除SPI INT FLAG 位＊/

　?。猄PIPC1|=0x40; /＊置高SPISTE引腳，從而禁止X5168＊/

　?。?/p>

　　b）.為了向EEPROM存儲(chǔ)器陣列寫入數(shù)據(jù)用戶接著發(fā)送寫WRITE 指令（00000010B），跟著是16位地址和被寫入的數(shù)據(jù)。任何不用的地址位都被指令為“0”，寫操作最少要用32個(gè)時(shí)鐘，/CS 必須為低并在該操作期間一直保持為低。如果地址計(jì)數(shù)器達(dá)到一頁的末端而時(shí)鐘還在繼續(xù)，時(shí)計(jì)數(shù)器將返回至該頁的首地址，并覆蓋任何之前已寫入的數(shù)據(jù)。對于將完成的頁面寫操作（字節(jié)或頁面寫）而言，在寫入的最后一個(gè)數(shù)據(jù)的位0被同時(shí)輸入后，/CS只能被拉高。如果它在其它任何時(shí)候被拉高則不能完成寫操作（見圖5）。[!--empirenews.page--]

圖5 寫EEPROM陣列時(shí)序圖

　　以下是寫EEPROM陣列子程序，RA_ADDR為存儲(chǔ)要寫數(shù)據(jù)數(shù)組的首地址，EEP_ADDR為要寫入的EEPROM首地址，N要存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)。

　　void WRITE_X5168（unsigned int ＊ RA_ADDR, unsigned int EEP_ADDR, unsigned int N）

　?。?unsigned int I;

　　WREN_X5168（）; /＊寫使能＊/

　?。猄PIPC1&=0xBF; /＊置低SPISTE引腳，從而選通X5168＊/

　?。猄PIDAT=WRITE; /＊發(fā)送x5168的寫狀態(tài)寄存器命令字＊/

　　while（（＊SPISTS&0x40）!=0x40）｛｝ /＊等待SPI寫結(jié)束＊/

　　readspibuf=＊SPIBUF; /＊讀SPIBUF寄存器，清除SPI INT FLAG 位＊/

　　＊SPIDAT=EEP_ADDR>>8; /＊先發(fā)送高位地址在發(fā)送低位地址＊/

　　while（（＊SPISTS&0x40）!=0x40）｛｝ /＊等待SPI寫結(jié)束＊/

　　readspibuf=＊SPIBUF; /＊讀SPIBUF寄存器，清除SPI INT FLAG 位＊/

　　＊SPIDAT=EEP_ADDR; /＊先發(fā)送高位地址在發(fā)送低位地址＊/

　　while（（＊SPISTS&0x40）!=0x40）｛｝ /＊等待SPI寫結(jié)束＊/

　　readspibuf=＊SPIBUF; /＊讀SPIBUF寄存器，清除SPI INT FLAG 位＊/

　　for （I=0;I

　?。?＊SPIDAT =＊（RA_ADDR+I）>>8 ; /＊發(fā)送數(shù)據(jù)用數(shù)組傳送,傳送數(shù)據(jù)高八位＊/

　　while（（＊SPISTS&0x40）!=0x40）｛｝ /＊等待SPI寫結(jié)束＊/

　　readspibuf=＊SPIBUF; /＊讀SPIBUF寄存器，清除SPI INT FLAG 位＊/

　?。猄PIDAT =＊（RA_ADDR+I） ; /＊發(fā)送數(shù)據(jù)用數(shù)組傳送,傳送數(shù)據(jù)第八位＊/

　　while（（＊SPISTS&0x40）!=0x40）｛｝ /＊等待SPI寫結(jié)束＊/

　　readspibuf=＊SPIBUF; /＊讀SPIBUF寄存器，清除SPI INT FLAG 位＊/

　?。?/p>

　　＊SPIPC1|=0x40; /＊置高SPISTE引腳，從而禁止X5168＊/

　　｝

　　c）.為向狀態(tài)寄存器寫數(shù)據(jù)，在WRSR指令（00000001B）之后應(yīng)跟隨被寫入的數(shù)據(jù)（見圖6）,數(shù)據(jù)位0和位1必須為“0”。

圖6 寫狀態(tài)寄存器時(shí)序圖

　　以下是寫狀態(tài)寄存器子程序：

　　void WRSR_X5168（unsigned int COM） /＊寫狀態(tài)＊/

　?。?WREN_X5168（）; /＊寫使能＊/

　　＊SPIPC1&=0xBF; /＊置低SPISTE引腳，從而選通X5168＊/

　　＊SPIDAT=WRSR; /＊發(fā)送X5168的寫狀態(tài)寄存器命令字＊/

　　while（（＊SPISTS&0x40）!=0x40）｛｝ /＊等待SPI寫結(jié)束＊/

　　readspibuf=＊SPIBUF; /＊讀SPIBUF寄存器，清除SPI INT FLAG 位＊/

　?。猄PIDAT=COM; /＊STATUS_REG發(fā)送狀態(tài)字＊/

　　while（（＊SPISTS&0x40）!=0x40）｛｝ /＊等待SPI寫結(jié)束＊/

　　readspibuf=＊SPIBUF; /＊讀SPISTS寄存器，清除SPI INT FLAG 位＊/

　?。猄PIPC1|=0x40; /＊置高SPISTE引腳，從而禁止X5168＊/

　　TIMEDEL（5）; /＊延時(shí)1us＊/

　?。?/p>

　　以上子程序?qū)崿F(xiàn)了DSP對X5168的讀寫功能，在主程序中調(diào)用這些子程序就可實(shí)現(xiàn)對X5168的操作。

5 結(jié)束語

　　由于篇幅的原因，本文沒有過多的講述DSP的串行外設(shè)接口和X5168的各項(xiàng)特性，這些說明書上都有敘述且很具體。而是把重點(diǎn)放在了講述DSP擴(kuò)展EEPROM應(yīng)用的軟硬件設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)已成功應(yīng)用在筆者開發(fā)的變頻器中，經(jīng)過反復(fù)測試，運(yùn)行可靠。