|
1 引言 變頻器的開發中我們選用TMS320F240芯片做主CPU，TMS320F240系列是美國TI公司于1997年推出的，專為數字電機控制和其它控制應用系統而設計的16位定點數字信號處理器。它將數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合在一起，成為中低端變頻器理想的主控芯片。F240片內外設包括雙10位A/D轉換器，帶有鎖相環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，這些參數值都要求系統斷電后不能丟失，在設計中我們選用非易失性存儲器EEPROM保存數據。每次上電時，從EEPROM中讀取上次參數的設定值，以保證變頻器運行狀態的連續性，同樣每次斷電時，也要保存變頻器此次運行的參數設定情況，以便開機時讀取。本文闡述了變頻器開發中F240擴展EEPROM（X5168）的設計思路和實現過程。 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。該模塊也是一個8位外設，它直接掛在16位的片內外設總線上，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） 數據字長。1-8個數據位。 （4） 可同時接收和發送數據，發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=系統時鐘頻率/（SPI寄存器的值+1）; 2. 當SPIBRR=0、1、2時，SPI波特率=系統時鐘頻率/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 信號下降沿發送數據，而在SPICLK 信號上升沿接收數據; 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送數據，而在SPICLK 信號下降沿接收數據; 3. 無延時上升沿有效：串行外設接口在SPICLK 信號上升沿發送數據，而在SPICLK 信號下降沿接收數據; 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送數據， 在SPICLK 信號上升沿接收數據。 3 對X5168的說明 DSP處理速度比較快，且本設計需要保存的數據量大，筆者選擇了XICOR公司的帶16Kb SPI EEPROM 的CPU監視器X5168。器件把四種常用的功能：上電復位、看門狗定時器、電源電壓監控和塊鎖存保護的串行EEPROM 存儲器集成在一個封裝之內，這種組合降低了系統成本，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，陣列的內部組織是x8位。具有串行外圍接口（SPI）和軟件協議的特點，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 年的數據保存期。 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的數據交換，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絡所需的串行時鐘;數據從SPISIMO引腳輸出;并鎖存從SPISOMI引腳輸入的數據;SPIBRR寄存器決定了整個串行通信網絡中數據發送和接收時的位傳輸率。 寫入SPIDAT的數據啟動了SPISIMO引腳上的數據發送，先發送最高有效位;同時，接收的數據通過SPISOMI引腳移入SPIDAT的最低有效位。當有一定數量的數據位通過SPIDAT移位時，產生下列事件： 一、SPI INT FLAG置1 二、SPIDAT的內容傳送到SPIBUF 三、如果SPI INT ENA也被置1，則產生中斷請求 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;在將主機數據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據之后，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; //上升沿發送，下降沿輸入數據鎖存，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存儲器陣列中讀數據時，/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據在SO線上被移出，繼續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據。每移出一個字節地址自動增加至下一個更高的地址，在達到最高地址時，地址計數器返回到地址$0000，允許讀周期無限期地繼續。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為存儲讀出數據的數組的首地址，EEP_ADDR為要讀取數據在EEPROM陣列中的地址，N為要讀取數據的個數 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; /＊發送X5168的寫狀態寄存器命令字＊/ while（（＊SPISTS&0x40）!=0x40）｛｝ /＊等待SPI寫結束＊/ readspibuf=＊SPIBUF; /＊讀SPIBUF寄存器，清除SPI INT FLAG 位＊/ ＊SPIDAT=EEP_ADDR＞＞8; /＊發送地址高八位＊/ while（（＊SPISTS&0x40）!=0x40）｛｝ /＊等待SPI寫結束＊/ readspibuf=＊SPIBUF; /＊讀SPIBUF寄存器，清除SPI INT FLAG 位＊/ ＊SPIDAT=EEP_ADDR; /＊發送地址低八位＊/ while（（＊SPISTS&0x40）!=0x40）｛｝ /＊等待SPI寫結束＊/ readspibuf=＊SPIBUF; /＊讀SPIBUF寄存器，清除SPI INT FLAG 位＊/ for （I=0;I ｛ ＊SPIDAT=0; /＊發送偽數據＊/ while（（＊SPISTS&0x40）!=0x40）｛｝ /＊等待SPI讀/寫結束＊/ readspibuf1=＊SPIBUF; /＊讀取高位字節＊/ readspibuf1=readspibuf1＜＜8; ＊SPIDAT=0; /＊發送偽數據＊/ while（（＊SPISTS&0x40）!=0x40）｛｝ /＊等待SPI讀/寫結束＊/ readspibuf2=＊SPIBUF; /＊讀取低位字節＊/ ＊（RA_ADDR+I）=readspibuf1+readspibuf2; ｝ ＊SPIPC1|=0x40; /＊置高SPISTE引腳，從而禁止X5168＊/ ｝ b）.讀狀態寄存器時，首先要拉低/CS 線，以選中器件，接著發送8位的RDSR指令（00000101B），在RDSR操作碼發出以后，狀態寄存器的內容在SO線上被移出。參見讀狀態寄存器時序圖3。 圖3 讀狀態寄存器時序圖 以下是讀狀態寄存器子程序： unsigned int RSDR_X5168（void） ｛ unsigned int readspibuftrue; ＊SPIPC1&=0xBF; /＊置低SPISTE引腳，從而選通X5168＊/ ＊SPIDAT=RDSR; /＊發送x5168的讀狀態寄存器命令字＊/ while（（＊SPISTS&0x40）!=0x40）｛｝ /＊等待SPI寫結束＊/ readspibuftrue=＊SPIBUF; /＊讀SPIBUF寄存器，清除SPI INT FLAG 位＊/ ＊SPIDAT=0; /＊發送偽數據＊/ while（（＊SPISTS&0x40）!=0x40）｛｝ /＊等待SPI讀/寫結束＊/ readspibuftrue=＊SPIBUF; /＊讀SPIBUF寄存器，讀取狀態寄存器＊/ return readspibuftrue; ｝ 二、寫操作 a）.在試圖向器件寫入數據前必須首先通過發送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。如果用戶在發送完WREN指令后，沒有將/CS 拉高而繼續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; /＊發送X5168的寫使能命令字＊/ while（（＊SPISTS&0x40）!=0x40）｛｝ /＊等待SPI寫結束＊/ 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存儲器陣列寫入數據用戶接著發送寫WRITE 指令（00000010B），跟著是16位地址和被寫入的數據。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。如果地址計數器達到一頁的末端而時鐘還在繼續，時計數器將返回至該頁的首地址，并覆蓋任何之前已寫入的數據。對于將完成的頁面寫操作（字節或頁面寫）而言，在寫入的最后一個數據的位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為存儲要寫數據數組的首地址，EEP_ADDR為要寫入的EEPROM首地址，N要存儲數據的個數。 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; /＊發送x5168的寫狀態寄存器命令字＊/ while（（＊SPISTS&0x40）!=0x40）｛｝ /＊等待SPI寫結束＊/ readspibuf=＊SPIBUF; /＊讀SPIBUF寄存器，清除SPI INT FLAG 位＊/ ＊SPIDAT=EEP_ADDR＞＞8; /＊先發送高位地址在發送低位地址＊/ while（（＊SPISTS&0x40）!=0x40）｛｝ /＊等待SPI寫結束＊/ readspibuf=＊SPIBUF; /＊讀SPIBUF寄存器，清除SPI INT FLAG 位＊/ ＊SPIDAT=EEP_ADDR; /＊先發送高位地址在發送低位地址＊/ while（（＊SPISTS&0x40）!=0x40）｛｝ /＊等待SPI寫結束＊/ readspibuf=＊SPIBUF; /＊讀SPIBUF寄存器，清除SPI INT FLAG 位＊/ for （I=0;I ｛ ＊SPIDAT =＊（RA_ADDR+I）＞＞8 ; /＊發送數據用數組傳送,傳送數據高八位＊/ while（（＊SPISTS&0x40）!=0x40）｛｝ /＊等待SPI寫結束＊/ readspibuf=＊SPIBUF; /＊讀SPIBUF寄存器，清除SPI INT FLAG 位＊/ ＊SPIDAT =＊（RA_ADDR+I） ; /＊發送數據用數組傳送,傳送數據第八位＊/ while（（＊SPISTS&0x40）!=0x40）｛｝ /＊等待SPI寫結束＊/ 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）.為向狀態寄存器寫數據，在WRSR指令（00000001B）之后應跟隨被寫入的數據（見圖6）,數據位0和位1必須為“0”。 圖6 寫狀態寄存器時序圖 以下是寫狀態寄存器子程序： void WRSR_X5168（unsigned int COM） /＊寫狀態＊/ ｛ WREN_X5168（）; /＊寫使能＊/ ＊SPIPC1&=0xBF; /＊置低SPISTE引腳，從而選通X5168＊/ ＊SPIDAT=WRSR; /＊發送X5168的寫狀態寄存器命令字＊/ while（（＊SPISTS&0x40）!=0x40）｛｝ /＊等待SPI寫結束＊/ readspibuf=＊SPIBUF; /＊讀SPIBUF寄存器，清除SPI INT FLAG 位＊/ ＊SPIDAT=COM; /＊STATUS_REG發送狀態字＊/ while（（＊SPISTS&0x40）!=0x40）｛｝ /＊等待SPI寫結束＊/ 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＊/ ｝ 以上子程序實現了DSP對X5168的讀寫功能，在主程序中調用這些子程序就可實現對X5168的操作。 5 結束語 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的變頻器中，經過反復測試，運行可靠。 |
