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案例頻道 前言
隨著信息時代的到來，各種信息的集成和交互越來越頻繁。在運動控制系統(tǒng)中需要處理和存儲的信息量也與日俱增，大部分運動控制系統(tǒng)中核心芯片MCU自身已經(jīng)集成了較大容量的存儲器（與以前MCU相比），但僅僅依靠MCU自身的存儲器一般很難滿足系統(tǒng)對大容量存儲器的要求，因此必須找到高效的方法實現(xiàn)對系統(tǒng)的存儲容量的擴展。
SPI是一個高效的、數(shù)據(jù)位數(shù)可編程的高速輸入/輸出串行流接口，幾乎所有MCU生產(chǎn)廠商都提供對SPI接口的支持，目前高速的SPI接口時鐘頻率已達(dá)到60M甚至更高，SPI接口一般只用4根連接線即可完成所有的數(shù)據(jù)通訊和控制操作，因此不占用MCU的數(shù)據(jù)總線和地址總線，極大的節(jié)約了系統(tǒng)的硬件資源，是一種經(jīng)濟(jì)實用的擴展系統(tǒng)存儲容量的方法。
本文利用TI公司最新的32位DSP―TMS320F2812自身的增強型SPI接口，結(jié)合性價比高的串行接口Flash，高效地實現(xiàn)了對系統(tǒng)存儲容量的擴展，具有非常大的實用價值和推廣意義。
系統(tǒng)總體介紹
本文的FLASH擴展實現(xiàn)的硬件系統(tǒng)是具有Ethernet接口的基于DSP和CPLD的運動控制板，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖所示。
核心芯片是TI公司最新推出的的32位定點DSP―TMS320F2812和ALTERA公司的MAXII系列CPLD―EPM1270G。主要完成對系統(tǒng)輸入信號檢測、處理、各種控制算法以及和各種接口（Ethernet接口和RS232接口）的通訊，運動控制系統(tǒng)的部分控制程序、大量的初始化數(shù)據(jù)和系統(tǒng)的配置信息都存放在ST公司的大容量串口FLASH：m25p80中，通過DSP增強型的SPI接口實現(xiàn)與核心處理器DSP的高速通信。
Flash擴展的硬件設(shè)計
1． TMS320F2812的增強型SPI接口特性：
（1）波特率：可編程的125種不同的波特率。
（2）有效數(shù)據(jù)長度：可編程的1~ 16位有效數(shù)據(jù)長度
（3）支持4種時鐘模式：不帶相位延時的下降沿模式、帶相位延時的下降沿模式、
不帶相位延時的上升沿模式和帶相位延時的上升沿模式。
（4）可連續(xù)操作的特性：
Ø 16級發(fā)送和接收FIFO；
Ø 可編程的延時發(fā)送控制
時鐘模式應(yīng)根據(jù)具體的應(yīng)用中與MCU接口器件的操作時序決定，選取原則是保證在器件進(jìn)行讀寫操作過程中，所要求的CLK時鐘沿到來時所操作的數(shù)據(jù)必須已經(jīng)提供在相應(yīng)的引腳上。例如：當(dāng)接口器件（本系統(tǒng)中是FLASH）在上升沿接收數(shù)據(jù)，在下降沿發(fā)送數(shù)據(jù)時，MCU應(yīng)該選擇不帶相位延時的下降沿方式。
增強型的SPI接口具有16位16級深度的發(fā)送和接收FIFO，這為高速連續(xù)操作提供了可能，在發(fā)送和接收時可以最多進(jìn)行32個字節(jié)的連續(xù)操作，從而極大地提高了通訊效率；可編程的中斷優(yōu)先級使用戶可以根據(jù)具體系統(tǒng)應(yīng)用，確定產(chǎn)生中斷時已經(jīng)發(fā)送或者接收到的字節(jié)數(shù)，提高了系統(tǒng)通訊效率和系統(tǒng)的靈活性；可編程的延時發(fā)送控制功能使用戶可以根據(jù)系統(tǒng)要求配置每次發(fā)送時的延時時間，當(dāng)接口器件操作速度相對MCU慢時，在不改變SPI接口時鐘的條件下增加發(fā)送延時時間，既保證了接口操作的高速性時也滿足了慢速接口器件的操作時序要求。這些增強的特性為SPI接口的擴展提供了極大的靈活性。
2．ST公司串行接口FLASH芯片m25p80特性：
m25p80是意法半導(dǎo)體公司推出的8M大容量串行接口FLASH芯片，芯片采用2.7~3.6V單電源供電，兼容標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口，器件在上升沿接收數(shù)據(jù)下降沿發(fā)送數(shù)據(jù)，接口時鐘最高為40M；支持最大256 bytes的快速頁面編程操作、快速的塊擦除（512 kbit）操作和快速的整體擦除（8M）操作；具有操作暫停和硬件寫保護(hù)功能。
SPI模塊接線圖如右圖所示：
SPISOMI：SPI從模 式輸出/主模式輸入引腳; 與FLASH的串行數(shù)據(jù)輸出引腳Q相連。
SPISIMO：SPI從模式輸入/主模式輸出引腳; 與FLASH的串行數(shù)據(jù)輸入D引腳相連。
SPISTE：SPI從模式發(fā)送使能引腳；與FLASH的片選引腳 相連。
SPICLK：SPI串行時鐘引腳；與FLASH的時鐘輸入引腳C相連。
RAM_WP信號由DSP的I/O口輸出，控制外部Flash的寫保護(hù)功能，當(dāng)RAM_WP為高電平時，使能Flash的硬件寫保護(hù)功能，F(xiàn)lash內(nèi)部扇區(qū)受保護(hù)的，不能進(jìn)行寫操作。系統(tǒng)中對Flash的操作不會發(fā)生暫停，因此M25P80的 信號直接接高電平，不進(jìn)行中斷暫停操作。
3． m25p80的指令操作：m25p80支持的操作指令共有12條，所有指令都是8比特位，操作步驟如下：操作時先選中芯片（片選信號拉低），然后輸入8位操作指令字節(jié)，緊接著輸入地址字節(jié)（0~3bytes，必要時還要加入啞讀字節(jié)），然后把片選信號拉高（有些指令不要求），然后m25p80即可以啟動內(nèi)部控制邏輯，自行完成相應(yīng)的操作。以下以最常用的頁面快速編程指令進(jìn)行具體說明（其他指令與該指令操作相似可以相互參考）：
進(jìn)行頁面編程操作首先應(yīng)將內(nèi)部狀態(tài)寄存器的寫允許位（WREN）置1，然后將片選信號拉低選中芯片，輸入pp指令字節(jié)02h，緊接著輸入3個字節(jié)的地址數(shù)據(jù)，然后輸入要編程的數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)都輸入后將片選信號拉高，m25p80隨即啟動內(nèi)部邏輯完成編程操作。指令時序圖如下圖所示,具體的軟件編程實現(xiàn)請參考SPI模塊軟件編程部分。
SPI模塊軟件編程
SPI模塊軟件編程
（1）軟件流程說明：（流程圖如下圖所示）
a. 與SPI相關(guān)的系統(tǒng)初始化：完成SPI接口引腳功能的選擇、DSP外部接口時鐘的定標(biāo)、SPI接口時鐘的使能。本系統(tǒng)中具體為：GPIO多路復(fù)用控制寄存器：GPFMUX中將相關(guān)引腳配置為SPI功能引腳，低速設(shè)備時鐘定標(biāo)寄存器LOSPCP中低速設(shè)備時鐘的定標(biāo)，外設(shè)時鐘控制寄存器PCLKCR中SPI接口時鐘使能；實現(xiàn)程序如下：
GpioMuxRegs.GPFMUX.all=0xfff7;
GpioMuxRegs.GPFDIR.all=0x0008; SysCtrlRegs.HISPCP.bit.HSPCLK=0x0001;
SysCtrlRegs.LOSPCP.bit.LSPCLK=0x0000;
SysCtrlRegs.PCLKCR.bit.SPIAENCLK=1;
b. 與SPI相關(guān)的中斷初始化：使能外部中斷向量表（PIEVECT寄存器），復(fù)位外部中斷應(yīng)答寄存器（PIEACK），清除外部中斷標(biāo)志寄存器（PIEIFR），置位PIE中斷使能寄存器（PIEIER），清除全局中斷屏蔽位（ST1 寄存器的INTM位）。
c. SPI接口初始化：在SPI配置寄存器（SPICCR）中：首先置位SPI軟件復(fù)位位，使SPI進(jìn)入復(fù)位模式、設(shè)置SPI接口的時鐘極性（根據(jù)具體的FLASH器件操作特性設(shè)置，在4中時鐘模式中選擇，本系統(tǒng)選擇不帶相位延時的下降沿方式）、選擇有效數(shù)據(jù)位數(shù)、選擇奇偶校驗位；在SPI控制寄存器（SPICTL）中：使能接收中斷和發(fā)送中斷、選擇SPI時鐘相位、選擇主或從模式；SPI波特率寄存器（SPIBRR）中：設(shè)置SPI接口的通訊波特率。
d. SPI增強特性配置： SPIFIFO發(fā)送寄存器（SPIFFTX）中：復(fù)位SPI發(fā)送和接收通道、使能增強特性、復(fù)位FIFO指針、清除FIFO中斷標(biāo)志位、使能FIFIO中斷、設(shè)置FIFO中斷優(yōu)先級；SPIFIFO接受寄存器（SPIFFRX）：請參考SPIFFTX寄存器配置，兩者基本相同，分別用于發(fā)送控制和接收控制；SPIFIFO控制寄存器（SPIFFCT）：根據(jù)具體器件的操作時序要求配置FIFO發(fā)送延時。實現(xiàn)程序如下：
SpiaRegs.SPIFFTX.all=0xe060;//連續(xù)發(fā)送16個字節(jié)后產(chǎn)生發(fā)送中斷
SpiaRegs.SPIFFRX.all=0x606f;//當(dāng)接收到一個數(shù)據(jù)時產(chǎn)生接受中斷
SpiaRegs.SPIFFCT.all=0x0006;//延時6個串行時鐘周期后發(fā)送數(shù)據(jù)
（2）頁編程PP軟件實例
//將寫允許位置1
GpioDataRegs.GPFDAT.bit.GPIOF3=0; //片選信號拉低
SpiaRegs.SPIDAT=INS_WREN; //輸入寫允許位置1指令I(lǐng)NS_WREN
while(!SpiaRegs.SPISTS.bit.INT_FLAG); //等待發(fā)送完畢
GpioDataRegs.GPFDAT.bit.GPIOF3=1; //片選信號拉高
//PP頁面編程操作
GpioDataRegs.GPFDAT.bit.GPIOF3=0; //片選信號拉低
SpiaRegs.SPIDAT=INS_PP; // 輸入頁編程指令 INS_ PP=0x02h
for(i=0;i<4;i++) //連續(xù)發(fā)送3個字節(jié)的地址和一個字節(jié)的編程數(shù)據(jù)
{ if(I= =3)
SpiaRegs.SPIDAT=data; //data為輸入的編程數(shù)據(jù)
else
SpiaRegs.SPIDAT=w_addr8[i]; // w_addr8[i] 為輸入的地址字節(jié)
}
GpioDataRegs.GPFDAT.bit.GPIOF3=1; //片選信號拉高，執(zhí)行頁面寫操作
//接收中斷子程序
interrupt void spi_rx_isr(void)
{ FLASH_VALUE=SpiaRegs.SPIRXBUF; //讀取接收到的數(shù)據(jù)
PieCtrlRegs.PIEACK.all = 0xFFFF; //清除中斷響應(yīng)標(biāo)志位
}
結(jié)束語
本文所述的運動控制系統(tǒng)利用系統(tǒng)核心芯片DSP自身的SPI接口，結(jié)合其高速性、可連續(xù)操作性和極大的靈活性，選用性價比高的大容量串行接口FLASH，高效地實現(xiàn)了對系統(tǒng)存儲容量的擴展，適應(yīng)了目前信息化發(fā)展趨勢，滿足了系統(tǒng)大容量存儲空間的要求。本文的實現(xiàn)形式經(jīng)實驗驗證正確無誤，具有很高的參考價值和廣泛的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)：
『1』 ST. Corporation ，Serial Flash Memory m25p80 Data Manual ，August 2005
『2』 Texas Instruments Incorporation ，TMS320F2812 Digital Signal Processors Data Manual ，USA，.December 2005。
『3』 張衛(wèi)寧，TMS320C28X系列DSP的CPU與外設(shè)（上、下）,清華大學(xué)出版社， 2005-1
『4』 蘇奎峰，TMS320F2812原理與開放，電子工業(yè)出版社，2005-4。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號