引言

現今的工控系統中，為了提高系統的實時性和適用性，一般采用DSP來完成核心算法與控制，而使用MCU來實現人機對話，以實現實時控制功能。這樣，DSP和MCU需要一種高效的數據總線來完成它們之間的大量數據傳送。SPI總線由于占用的接口線少，通信效率高，并且大部分處理器芯片都支持，因而是一種理想的設計方案。

針對交流伺服系統實際使用的要求，采用TI公司的高性能DSP控制器TMS320LF2407A（簡稱“2407A”）作為控制核心；選用TI公司生產的MSP430系列單片機中的MSP430F149作為人機界面的控制芯片，來實現按鍵和數據采集以及顯示的功能；采用SPI串口通信實現單片機與DSP之間的數據傳輸。

1系統硬件的構成

1.1MSP430

MSP430系列單片機是TI公司近幾年開發的新一代單片機。該單片機在設計上打破常規采用了全新的概念,其突出的優點是低電源電壓、超低功耗、多種功能。由于其功能遠遠超過其他系列單片機的功能，因而又稱為“混合型單片機”。MSP430具有非常高的集成度,單片集成了多通道的12位A/D轉換、片內精密比較器、多個具有PWM功能的定時器、片內USART、看門狗定時器、片內數控振蕩器、大量的I/O端口以及大容量的片內存儲器。同時，MSP430F149是Flash存儲器型單片機，具有良好的仿真開發技術，設置有JTAG仿真接口和高級語言編譯器。在系統支持軟件下，在線實現對目標系統的硬件調試及軟件開發，包括匯編語言、C語言、連接及動態調試，具有單步、多斷點和跟蹤，并且開放全部存儲器、寄存器，可以方便、可靠地對系統進行軟硬件開發[12]。

基于以上特點,該系列單片機在便攜式儀表、智能傳感器、實用檢測儀器、電機控制、家庭自動化等領域的應用較為普遍。

1.2TMS320LF2407A

2407A是TI公司為滿足工業控制應用，尤其是電機控制而設計的。把一個高性能的 DSP核和許多外圍設備集成到單片內。2407A的40 MIPS的處理速度可以滿足快速地處理大量數據和算法的需要。

2407A具有豐富的外設模塊： 3K字的Flash程序存儲器、1.5K字的數據/程序RAM、544字雙口RAM(DARAM)和2K字的單口RAM(SARAM)、2個事件管理器EVA和EVB、16通道輸入的A/D轉換器，具有看門狗定時器模塊(WDT)、串行通信接口(SCI)、16位的串行外設接口模塊(SPI)、控制器局域網絡(CAN)2.0B模塊、基于鎖相環的時鐘發生器、高達40個可單獨編程或復用的通用輸入/輸出引腳、5個外部中斷。由此可以看出，2407A確實有著很強的實時處理能力，不失為高性能伺服驅動控制的理想器件之一[3]。

1.3硬件接口設計與SPI通信的實現

SPI通信設備在硬件連接上只需要將主機的發送與從機的接收相連，將主機的接收與從機的發送相連，將主機產生的時鐘信號輸出至從機的時鐘引腳上。單片機與外設的硬件連接如圖1所示。

圖1MSP430F149與DSP的接口連接電路

單片機MSP430F149作為串行通信的主機， DSP 2407A則作為從機(slave)。其中，SPICLK為SPI時鐘引腳， SPISIMO為SPI從動輸入/主動輸出，SPISOMI為從動輸出/主動輸入，SPISTE為從動發送使能。

從圖1可以看出，SPI通過一根時鐘引線將主機和從機同步，因此，它的串行數據交換不需要增加起始位、停止位等用于同步的格式位，直接將要傳送的數據寫入主機的SPI發送數據寄存器。這個寫入過程自動啟動主機的發送過程，即在同步時鐘SPICLK的節拍下把SPITXBUF的內容一位一位地移到引腳SPISIMO；對于從機，同樣在SPICLK的節拍下將出現在引腳SPISIMO上的數據一位一位地移到從機的移位寄存器，當接收完一個完整的數據塊后，設置中斷標志通知從機這個數據塊已接收完畢，并同時將移位寄存器接收到的內容復制到從機的SPI接收數據寄存器SPIRXBUF。可以看出，用戶編程只需在發送數據時寫數據到SPI發送數據寄存器，在接收數據時讀SPI接收數據寄存器，其余的工作都由SPI模塊自動完成[4]。

2軟件設計

MSP430F149和DSP都允許用戶用C語言和匯編語言進行編程。系統中DSP對電機實現實時控制，對運行速度要求嚴格，所以程序采用匯編語言實現。MSP430實現按鍵顯示、數據管理和指令傳輸等功能，對運行速度要求不高，所以采用C語言實現。

軟件設計的主要任務是：初始化相應的寄存器；單片機在相應的界面發送數據；DSP及時接收到達串口的數據，識別并保存數據。

2.1通信協議的設置

兩個設備之間要實現相互通信，首先必須規定用以傳輸數據的協議。一般來說，主機發送命令和配置信息給從機，而從機則向主機發送反饋信息。系統主要實現的是單片機向DSP發送數據信息，單片機首先發送指令數據表示主機發送數據的過程開始。如果發送的是0，則標志著該過程的開始。為了避免誤操作指令數據發送兩次，DSP接收的兩個數據都是0時進行相應的操作，否則重新傳輸指令數據。然后把單片機需要傳輸的數據存放在一個數組里面依次傳送，比如要傳輸3個數據，則定義數組a[0]和a[1]存放指令數據，a[2]到a[4]存放需要傳送的數組。

2.2串行口的初始化

單片機的SPI初始化包括：把相應的I/O口配置成具有SPI特殊功能的接口，時鐘模式的選定，波特率的選擇，發送接收數據長度的選擇，內部相對應的時鐘使能。所有設置都是通過設計相對應的SPI控制寄存器實現的[5]。

初始化程序如下：

WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD;//關閉看門狗

BCSCTL1 = RSEL0 + RSEL1 + RSEL2; // XT2on

BCSCTL2 = SELM1 + SELS;//選擇高速晶體振蕩器作為時鐘源

UCTL1=CHAR + SYNC + MM + SWRST;//SPIZ主模式8位數據，單片機作為主動模式

UTCTL1=STC+SSEL1+CKPL ;//數據在下降沿輸出，系統主時鐘，三線模式

UBR01=0x02;

UBR11=0x00;//波特率設為fclk/2

UMCTL1=0x00;

ME2=USPIE1;//模塊使能2

P5SEL|=0x0F;//低4位為模塊端口功能

P5OUT|=0xf0;

UCTL1&= ~SWRST;//復位結束

2407A的SPI初始化與單片機的初始化相類似，但是DSP作為從器件，所以其波特率由主器件決定不需要再進行設計。

2.3MSP430發送數據

系統具有薄膜按鍵和液晶顯示，可以方便地在需要的時候發送數據。比如，在設計完參數后就會出現一個選擇界面，讓操作者選擇是進行參數保存、參數備份還是傳遞參數給DSP，操作者可以根據自己不同的需要選擇相應的功能。如果選擇參數傳遞功能，則單片機會跳到相應的程序段執行參數傳遞的任務。發送數據程序如下：

P5OUT &= 0x1f;//片選DSP芯片

while((U1IFG & UTXIFG1) != UTXIFG1);

for(k=0;k<6;k++) {//傳輸的數據個數

P5OUT &= 0x1f;

while((U1IFG & UTXIFG1) != UTXIFG1);

TXBUF1=a[k];//發送數據

while((UTCTL1&0x01)==0);//發送完成

delay(10);

P5OUT &= 0x2f;

}

2.4DSP接收數據

DSP接收單片機發送過來的數據是通過中斷方式實現的，每傳輸一個數據就發生一次中斷。主程序完成對DSP的初始化后進入等待狀態，一旦接收到單片機的中斷信號，DSP就進入中斷服務子程序，將接收到的數據存放在70H開始的存儲單元中。當所有數據傳輸完成后，將這些數據賦給相應的變量。這里要注意的是，DSP的SPIRXBUF是16位，而單片機發送的數據是8位，所以在DSP接收到數據以后需要做處理，把高8位屏蔽掉。可以通過與00FF相與來達到這個目的。中斷程序流程如圖2所示。

圖2DSP中斷程序流程

中斷程序如下：

LDP#6

LACCK;K=K+1

ADD#1

SACLK

MAR*,AR2;AR2為存儲單元地址指針

LDP#DP_PF1

LACCSPIRXBUF

AND#00FFH;高位屏蔽掉

SACL*+

LDP#6

LACCK

SUB#1;判斷是否為指令數據

BCNDL1,NEQ

LDP#0

LACC#70H

SUB#0

BCNDL3,NEQ;不是0則跳到L3

BL2;是0則跳到L2

L1: …;判斷是否是第2個數據

L4: LACCK;判斷數據是否傳送完畢

SUB#05H

BCNDL5,EQ

BL2

L5：LDP#0;數據全部發送完畢

LACC72H

LDP#6

SACLSPEED;賦值給相應變量

……

L3: SPLKK,0;K=0

LDP#0

LARAR2,#70H;地址指針指回70H

L2: CLRCINTM;開中斷

RET

3結論

實驗證明，應用SPI通信進行MSP430單片機與DSP之間的串口通信完全滿足伺服系統實時性的要求。同時，由于SPI接口功能比較完善，通信協議清晰，時序簡單，無須外加其他元器件即可方便地實現DSP與主機之間數據的串行通信，簡化了系統設計，增強系統的實時處理能力和應用范圍。結構靈活性強,便于擴展,同時減輕了主CPU負擔,提高了系統的可靠性。

參考文獻

[1] 胡大可.MSP430系列超低功耗16位單片機原理與應用[M].北京:北京航空航天大學出版社,2000.

[2] Texas Instruments.MSP430x1xx Family Users Guide (SLAU049B.pdf)，2002.

[3] 劉和平,嚴利平,張學鋒,等.TMS320LF240X DSP結構、原理及應用[M].北京:北京航空航天大學出版社,2002.

[4] 任志斌,車長征.串行外設接口SPI的應用[J] .電子技術應用,2002,29(10):2022.

[5] 魏小龍.MSP430系列單片機接口技術及系統設計實例[M].北京:北京航空航天大學出版社,2002.

朱廣斌(碩士研究生)，主要研究方向為交流伺服系統。