采用SPI接口實現(xiàn)雙DSP雙向通信和同步

摘 要： 為了實現(xiàn)兩片TMS320F2812 DSP之間的雙向數據通信和同步，給出了運用TMS320F2812 DSP內部集成的串行SPI外設接口模塊實現(xiàn)雙DSP控制器雙向數據通信和任務同步的硬件電路設計和軟件協(xié)議實現(xiàn)方案，經過實驗驗證方案能滿足兩片DSP之間高效率、高可靠的雙向數據通信和任務同步，最后提出了在通信過程中出現(xiàn)故障的解決方案。成功解決了兩個DSP控制器的雙向數據通信和任務同步的問題。
關鍵詞： DSP；SPI；雙向通信；同步

在載人航天、無人機、火控雷達等尖端技術領域的作動系統(tǒng)中，常用雙控制器余度技術來提高系統(tǒng)的可靠性。兩個控制器之間就需要一種高效可靠的數據通信以保證在同一時間執(zhí)行相同的周期任務。利用SPI接口可以實現(xiàn)數據雙向通信，TMS320F2812 DSP芯片內部集成了一個SPI模塊，方案提出了一種基于SPI通信接口的兩片DSP的雙向通信和任務同步，兩片DSP中固定一片作為SPI通信主機，另一片作為SPI通信從機[1]，最后提出通信故障的解決辦法。
1 DSP SPI外設接口模塊和SPI通信原理
1.1 SPI外設接口模塊
TMS320F2812 DSP芯片內部集成了一個SPI模塊，其數據傳輸速率和字符長度是可編程的，最高傳輸速率可達10 Mb/s ，支持主/從模式通信[2]。SPI外設模塊和DSP CPU間的接口如圖1所示，包括4個外部引腳，采用低速外設時鐘LSPCLK作為時鐘源，具有兩個獨立的外設中斷請求信號（SPIINT/RXINT和TXINT），提供了12個寄存器實現(xiàn)SPI模塊的配置和控制。

SPI之間的通信主要有以下4個外部引腳：
SPISOMI：對于主設備，該引腳為數據輸入；對于從設備，該引腳為數據輸出；
SPISIMO：對于主設備，該引腳為數據輸出；對于從設備，該引腳為數據輸入；
SPISTE：主設備向從設備發(fā)送的使能引腳；
SPICLK：SPI接口的串行時鐘引腳，由主設備向從設備提供同步時鐘。
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給出了兩個控制器（主控制器和從控制器）之間采用SPI接口的連接關系。主控制器通過發(fā)出SPICLK信號來啟動數據傳輸，主從控制器能同時發(fā)送和接收數據。

在主控制器模式下，SPI通過SPICLK引腳為整個串行通信網絡提供時鐘。此時，要發(fā)送的串行數據從引腳SPISIMO移出，并在引腳SPISOMI上接收數據。在系統(tǒng)應用中，主控制器的引腳SPISTE用來控制從控制器的片選信號。在主設備與從設備之間進行數據通信時，主設備將SPISTE置成低電平，使能從設備，此時，從設備的串行數據從SPISOMI 引腳移出，從SPISIMO引腳移入。當數據傳輸完畢后，SPISTE引腳置為高電平。
寫數據到SPIDAT或SPITXBUF，啟動SPISIMO引腳發(fā)送數據，首先發(fā)送SPIDAT寄存器的最高有效位MSB，接收到的數據通過SPISOMI引腳移入SPIDAT的最低有效位LSB。當傳輸完特定的數據位后，接收到的數據被存到SPIRXBUF寄存器中，以被讀取使用。當設定數據長度不足16 bit時，SPIRXBUF寄存器中存放的接收數據采用右對齊格式；而發(fā)送數據則需要采用左對齊格式寫入寄存器SPIDAT或SPITXBUF[3]。圖3為SPI數據傳輸格式。

2 系統(tǒng)硬件接口設計
系統(tǒng)采用TI公司TMS320F2812 DSP芯片作為控制器，利用SPI接口實現(xiàn)控制器數據通信和任務同步，即同一系統(tǒng)在同一時刻執(zhí)行相同的任務。其內部集成一個SPI外設模塊，要實現(xiàn)SPI數據傳輸只需要配置幾個相應寄存器即可。
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鐘和使能信號。本設計利用DSP內部集成外設模塊，當主控制器發(fā)送數據時，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，需要從控制器主動向主控制器發(fā)送數據，只能采用主控制器發(fā)送偽數據的形式為從控制器提供時鐘和使能信號。
3 系統(tǒng)軟件設計
3.1 軟件實現(xiàn)的同步設計
實現(xiàn)任務同步的主要思想是網絡通信中的應答模式，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致數據傳輸錯誤，而同步過程又是一個死等過程，采用SPI的軟件復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信號就進行軟件復位重新開始發(fā)送，這種方法在實踐中得到了驗證，效果很好。

3.2 軟件通信協(xié)議設計
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，采用主動發(fā)送數據，中斷接收數據。通過配置SPI寄存器，設置數據長度和通信速率，使能增強型FIFO發(fā)送和接收，采用7級中斷接收數據，即每接收完7個數據后觸發(fā)一次中斷，可以從中斷中讀取SPIRXBUF里面的數據。由于SPI本身并未規(guī)定數據的開始和結束，在實際通信過程中，需要對主控制器和從控制器之間的通信做一個接口通信協(xié)議[4]。
在設計中，采用包的方式發(fā)送數據，在前面發(fā)送一個包頭，里面包含奇偶校驗（1 bit）、數據類型(8 bit）和包長(數據長度4 bit)，在包的后面發(fā)送實際應用數據，實際數據的長度和類型可以根據包頭確定。圖5所示為包的數據幀結構。

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的類型以及數據的長度。當傳輸完7個數據后，進行中斷接收，先判斷第一個字的奇偶校驗位，如果錯誤則進行軟件復位，重新接收并判斷；若正確則對數據長度和數據類型進行檢驗，按照規(guī)定的數據長度和數據類型讀取到特定的變量中，如果此次接收的數據類型沒有和規(guī)定數據類型對應上，也認為數據傳輸錯誤，進行軟件復位，重新接收并判斷。主從都采取中斷接收數據，主控制器采取主動發(fā)送，而從控制器是在產生中斷后，在中斷服務子程序里先讀取數據然后發(fā)送特定數據，主從的接收模式判斷完全一樣。通信過程中，有時需要從控制器主動發(fā)送一組數據，需要主控制器為從控制器提供時鐘和使能信號，從控制器才可以發(fā)送數據，運用主控制器發(fā)送偽數據的方式可以解決這個問題。在軟件協(xié)議中，規(guī)定SPI第一個字(包頭)全零(0X0000)為偽數據，當包頭接收到偽數據時，不判斷奇偶校驗、數據長度和數據類型，直接丟棄。
3.3 通信故障處理方案
實際應用系統(tǒng)，SPI的通信環(huán)境復雜，可能會影響SPI的傳輸，由于SPI 是一個串行數據的傳輸，一旦出現(xiàn)故障如果不加以排除就會影響到以后的數據傳輸，因此這個問題必須加以解決。這個方案中，根據奇偶校驗和數據類型的判斷可以發(fā)現(xiàn)SPI 通信是否出現(xiàn)故障，若判斷發(fā)現(xiàn)故障后要對故障進行消除和隔離，以免影響以后數據傳輸。
軟件可以實現(xiàn)故障消除和隔離，采用SPI的軟件復位功能，可以在判斷錯誤后，先進行復位然后使能，可以通過設置SPI FIFO發(fā)送緩沖寄存器SPIFFTX中的SPIRST位進行設置，寫0時復位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，SPI FIFO恢復發(fā)送和接收通道，不影響SPI寄存器配置。
4 實驗結果
本方案中，DSP的主頻為120 MHz，采用SPI的低速時鐘30 MHz，數據的傳輸速率配置為7.5 Mb/s。測試結果表明，SPI能很好地滿足兩片DSP之間的高速通信。在實際的測試應用中發(fā)現(xiàn)，在正常情況下，SPI通信正常，沒有通信錯誤發(fā)生；但在外界的某些干擾下，就會出現(xiàn)通信錯誤，例如在DSP實際應用系統(tǒng)中，用到DSP控制電機，當電機換向運行或轉速比較高時就會影響SPI的傳輸，會出現(xiàn)數據傳輸錯誤，這時需進行軟件復位。選擇7.5 Mb/s的通信速率是進行多次對比設置的，如果速率低，出現(xiàn)錯誤的概率就大，系統(tǒng)不穩(wěn)；若速率過快，會影響數據傳輸，丟失數據。
SPI接口實現(xiàn)簡單、I/O資源占用少、傳輸速度快[5-6]，從軟硬件方面解決了實際應用系統(tǒng)中的SPI雙向數據傳輸、任務同步和SPI通信故障等問題，成功實現(xiàn)了兩片DSP之間的雙向通信，且用軟件代替硬件實現(xiàn)了任務同步，還對SPI通信故障提出解決方案?？蛇\用于多控制器之間的高速數據傳輸和同步。