华中科技大学电气与电子工程学院（武汉430074） 夏 涛王少荣程时杰
1 引 言
DSP 芯片，也称数字信号处理器，是一种特殊结构的微处理器。DSP芯片内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的DSP指令，可以用来快速实现各种数字信号处理算法。因此，DSP在计算密集的实时控制领域得到了日益广泛的应用。TMS320F240是目前应用比较广泛的一款定点DSP，它具有20MIPS的指令执行速度，强大的内部事件管理器、I／O端口和其他外围设备。其中，串行外设接口（SPI）是一个高速同步串行输入／输出（I／O）端口，它允许一个具有可编程长度（1到8位）的串行位流，以可编程的位传送速率从设备移入或移出。SPI通常用于DSP控制器和外部设备或其它控制器间的通讯。典型的应用包括通过EEPROM、移位寄存器、显示驱动器和模数转换器（ADC）等设备进行外设扩展。
对于某一控制任务需要多个DSP协同完成时，DSP之间的数据交换将会很频繁，此时，我们就可以通过SPI口进行DSP之间的高速数据交换，实现相互间的功能扩展。这种模式的DSP之间的通讯，较通过串行通讯接口（SCI）进行通讯时，速率提高近一倍，而且它还可以通过控制寄存器的TALK位实现多个DSP 之间的数据交换。当系统需要预先从EEPROM读出定值时，也可以通过TMS320F240的SPI口进行外设扩展。
2DSP之间的扩展
在多个DSP构成的串行通讯网络中，DSP分为主模式DSP和从模式DSP。主模式DSP的数据在SPISIMO引脚上输出并从SPISOMI上锁存，从模式DSP的数据在SPISOMI引脚上输出并从SPISIMO上锁存。主模式SPI为整个网络提供串行时钟SPICLK，并通过写入SPIDAT寄存器的数据启动SPICLK信号从而启动数据传送，当预先设定的1到8位串行位流传送完毕后，SPICLK信号中止，传送结束。对于从控制器和主控制器，数据在 SPICLK的一个沿从移位寄存器移出，在负跳沿锁存到移位寄存器。可以通过SPI的两个时钟模式位选择四种不同的时钟模式，使得两个控制器的发送和接收同时进行，由软件决定数据是有意义的还是哑数据。当清除从设备控制寄存器的TALK位时，数据发送被禁止并且输出线（SPISOMI）处于高阻态。这种情况下允许许多从设备在网络上连在一起，但每次只有一个从设备被允许讲。图1是SPI用于两个控制器（一个主控制器和一个从控制器）之间通讯的典型连接方式。
splk＃0h，SPIPRI
；设置SPI中断为高优先级
splk＃07h，SPICCR
；上升沿发送，有时延，字符长度为8
在程序初始化控制寄存器后，就可以按设定值进行DSP之间的发送和接收，下面是主模式和从模式的SPI子程序代码。
为了节省中断资源，SPI一般采用查询方式进行数据收发。
3扩展EEPROM
在开发DSP系统时，某些情况下会读取或者存储一些定值，这时我们就需要通过SPI接口扩展EEPROM。具有SPI接口的串行EEPROM均可被TMS320F240直接逻辑扩展，方便易行。
X5043是Xicor公司的最高时钟速率为3．3MHz的4Kbits串行EEPROM，它与TMS320F240型DSP的连接如图2所示。
其软件设置如下：
设置各控制寄存器：
TMS320F240 的SPI接口有可选择的四种不同的时钟模式，如何选择时钟模式是它与各种扩展SPI接口器件实现时钟同步的关键。X5043的数据在时钟下降沿从SO引脚上输出并在时钟上升沿从SI引脚上锁存。读操作时，在其从SI引脚输入的最低位地址所对应的时钟下降沿，其SO引脚开始输出数据。因此，作为主器件的 DSP就选择‘下降沿、无时延’的时钟模式。在这种模式下，无操作时钟时，DSP的SPICLK引脚位高，当该引脚由高变低时，启动发送。
写子程序如下：
由于X5043是一个半双工器件，故，在WRITE子程序中从SPIBUF中读出来的数据是无效的，同时，在READ子程序中写向SPIDAT的数据也是无效的，只起启动发送时钟的作用。这一点不同于SPI，SPI之间的发送和接收是全双工的，可以同时进行。
4SPI扩展在功角测量系统中的应用
发电机功角是电力系统运行的关键状态量，是电力系统能否稳定运行的重要标志。功角测量系统就是将机端电压整型后的方波信号前沿，减去代替空载电势的转子位置脉冲信号前沿，以获得负载时的上述两种信号的相位差值，再用空载时两种信号的相位差减去负载时两种信号的相位差，即得发电机的功角值。该系统具有很强的现实意义，其原理图如图3所示。
上述系统中，空载相位差是定值，一旦装置安装完毕，其值不变。而在实际的电力系统中，转子的极对数比较多，这些空载相位差值就需要存在相应的EEPROM里，以便读取。所以，该系统就通过主芯片的SPI口进行串行EEPROM的扩展。在系统上电时，DSP将初始的相位差值从EEPROM导入内存，进行相应的计算后通过ISA总线将所得的功角值送入主控器。这里的EEPROM仍然采用的是X5043，其具体操作在上面第3节中已作过详细的说明。
5结束语
本文介绍了TMS320F240型定点DSP的SPI接口的功能扩展，其一般方法同样适用于其它具有SPI接口的DSP。多个DSP通过SPI口的相互扩展可实现DSP之间的高速数据交换，通过SPI口扩展EEPROM可实现DSP对定值的存取。某些其它的串行设备，比如高精度的串行A／D，串行数字电位器等，也可通过类似方法进行扩展。通过这些扩展可以使DSP的功能变得更加强大，同时，深入了解这些扩展方法对于开发DSP控制装置有着重要的意义。
本文摘自《电子工程师》
