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DSP的SPI口和串行EEPROM在變頻器中的應用
摘要: 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)字電機控制和其它控制應用系統(tǒng)而設計的16位定點數(shù)字信號處理器。
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Key words :

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)字電機控制和其它控制應用系統(tǒng)而設計的16位定點數(shù)字信號處理器。它將數(shù)字信號處理的高速運算功能與面向電機的強大控制能力結(jié)合在一起,成為中低端變頻器理想的主控芯片。F240片內(nèi)外設包括雙10位A/D轉(zhuǎn)換器,帶有鎖相環(huán)PLL時鐘模塊,帶中斷的看門狗定時器模塊,串行通信接口SCI及串行外設接口SPI,另外,還集成了一個事件管理模塊EVM。因此,TMS320F240基本能滿足筆者變頻器設計的要求。

  變頻器有幾百甚至上千個參數(shù),這些參數(shù)值都要求系統(tǒng)斷電后不能丟失,在設計中我們選用非易失性存儲器EEPROM保存數(shù)據(jù)。每次上電時,從EEPROM中讀取上次參數(shù)的設定值,以保證變頻器運行狀態(tài)的連續(xù)性,同樣每次斷電時,也要保存變頻器此次運行的參數(shù)設定情況,以便開機時讀取。本文闡述了變頻器開發(fā)中F240擴展EEPROM(X5168)的設計思路和實現(xiàn)過程。

2 對TMS320F240的串行外設接口(SPI)的說明

  TMS320F240的串行外設接口(SPI)模塊是一個高速同步串行輸入/輸出端口,它允許F240控制器和片外外設或其他控制器進行串行通信,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)的串行比特流進行收發(fā)。該模塊也是一個8位外設,它直接掛在16位的片內(nèi)外設總線上,因此,外設總線的高8位讀寫訪問對該模塊是沒有意義的。

  SPI模塊的特性如下:

  (1) 4個外部引腳。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串行時鐘引腳。

  (2) 兩種工作方式,即主模式(Master)和從模式(Slave)。

  (3) 數(shù)據(jù)字長。1-8個數(shù)據(jù)位。

  (4) 可同時接收和發(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。

  (5) 波特率,l25種可編程的波特率,下列兩個公式給出了計算SPI的波特率的方法:

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

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

  (6) 4種時鐘方案,由時鐘極性位(SPICCR寄存器的位6)和時鐘相位位(SPICTL寄存器的位3)進行設置,包括:

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

  2. 有延時下降沿有效:串行外設接口在SPICLK 信號下降沿之前的半個周期時發(fā)送數(shù)據(jù),而在SPICLK 信號下降沿接收數(shù)據(jù);

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

  4. 有延時上升沿有效:串行外設接口在SPICLK 信號上升沿之前的半個周期時發(fā)送數(shù)據(jù), 在SPICLK 信號上升沿接收數(shù)據(jù)。

3 對X5168的說明

  DSP處理速度比較快,且本設計需要保存的數(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:上電復位、看門狗定時器、電源電壓監(jiān)控和塊鎖存保護的串行EEPROM 存儲器集成在一個封裝之內(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。

  器件的存儲器部分是帶有XICOR公司的塊鎖存保護的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,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硬件設計

  在變頻器設計中DSP與X5168的硬件連接圖如圖1

圖1 TMS320F240與X5168連接原理圖

  串行外設接口(SPI)有兩種工作模式:主模式和從模式,與X5168 連接時工作于主模式。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(串行時鐘)、/CS(片選端),此時的F240控制器稱為“主機”,這種情況下,SPI在SPICLK引腳上提供了整個串行通信網(wǎng)絡所需的串行時鐘;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寄存器決定了整個串行通信網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)發(fā)送和接收時的位傳輸率。

  寫入SPIDAT的數(shù)據(jù)啟動了SPISIMO引腳上的數(shù)據(jù)發(fā)送,先發(fā)送最高有效位;同時,接收的數(shù)據(jù)通過SPISOMI引腳移入SPIDAT的最低有效位。當有一定數(shù)量的數(shù)據(jù)位通過SPIDAT移位時,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。在本設計中,引腳SPISTE用作從機SPI模塊的片選引腳;在將主機數(shù)據(jù)傳送到從機器件之前,應將從機器件片選引腳拉低電平,并且在傳送完主機數(shù)據(jù)之后,重新將該引腳拉為高電平。

4.2軟件設計

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接口工作于主模式,波特率設置為2MHz,初始化程序如下:

  void SPIinitial(void)

  { *SPICCR=0xc7; //復位SPI

  *SPICTL=0x06; //主模式,使能TALK,禁止SPI中斷

  *SPISTS=0x00; //清中斷標志

  *SPIBRR=0x04; //波特率設為SPICLK=SYSCLK/4+1=2MHz,SYSCLK=10MHz

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

  //入或輸出

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

  *SPICCR=0x47; //上升沿發(fā)送,下降沿輸入數(shù)據(jù)鎖存,無時延,字符長度為8

  }

4.2.2 F240對X5168的讀寫程序

  對EEPROM的讀寫是設計的重點,以下分別介紹:

  一、讀操作

  a).從EEPROM存儲器陣列中讀數(shù)據(jù)時,/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,存儲位于在所選地址的存儲器中的數(shù)據(jù)在SO線上被移出,繼續(xù)提供時鐘脈沖可接著讀出存儲在位于下一個地址的存儲器中的數(shù)據(jù)。每移出一個字節(jié)地址自動增加至下一個更高的地址,在達到最高地址時,地址計數(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陣列時序圖2。

圖2 讀EEPROM陣列時序圖

  以下是讀X5168子程序,其中RA_ADDR為存儲讀出數(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)的個數(shù)

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

  { unsigned int I,readspibuf1,readspibuf2;

  *SPIPC1&=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*/

  *SPIDAT=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*/

  *SPIDAT=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;

  *SPIDAT=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)*/

  *(RA_ADDR+I)=readspibuf1+readspibuf2;

  }

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

  }

  b).讀狀態(tài)寄存器時,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)寄存器時序圖3。

圖3 讀狀態(tài)寄存器時序圖

  以下是讀狀態(tài)寄存器子程序:

  unsigned int RSDR_X5168(void)

  { unsigned int readspibuftrue;

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

  *SPIDAT=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*/

  *SPIDAT=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*/

  *SPIDAT=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*/

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

  }

  b).為了向EEPROM存儲器陣列寫入數(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個時鐘,/CS 必須為低并在該操作期間一直保持為低。如果地址計數(shù)器達到一頁的末端而時鐘還在繼續(xù),時計數(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,在寫入的最后一個數(shù)據(jù)的位0被同時輸入后,/CS只能被拉高。如果它在其它任何時候被拉高則不能完成寫操作(見圖5)。

圖5 寫EEPROM陣列時序圖

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

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

  { unsigned int I;

  WREN_X5168(); /*寫使能*/

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

  *SPIDAT=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*/

  *SPIDAT =*(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*/

  }

  *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*/

  *SPIDAT=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*/

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

  TIMEDEL(5); /*延時1us*/

  }

  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的串行外設接口和X5168的各項特性,這些說明書上都有敘述且很具體。而是把重點放在了講述DSP擴展EEPROM應用的軟硬件設計,該設計已成功應用在筆者開發(fā)的變頻器中,經(jīng)過反復測試,運行可靠。

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