ARM與DSP的SPI通信設(shè)計實現(xiàn).

1、ARM與DSP的SPI通信設(shè)計實現(xiàn)ARM與DSP的SPI通信設(shè)計實現(xiàn)CommunicationBetweenARMandDS PThrou ghS PIBus馬旭東張云帆（東南大學自動化學院，江蘇南京2 1 0 0 9 6 ）提出一種測量儀器的多處理機分布式控制方案，并對DSP與移植了LinuX操作系統(tǒng)的ARM之間SPI通信設(shè)計進行了著重闡述。對于這樣的特定系統(tǒng),首先要完成Linux下的SPI驅(qū)動程序開發(fā)，然后才能進行ARM和DSP下 的應用程序開發(fā)。對這幾個方面進行了詳細介紹，給出了一種ARM與DS P通信的通信協(xié)議，并基于此協(xié)議實現(xiàn)了ARM與DSP的SPI通信。關(guān)鍵詞:SPI總線，ARM,

2、DS P,SPI驅(qū)動程序Abstr actThispaperbringsupadistributedcontrolmethodbasedonmultipleprocessorsofs urveyinginstruments，andputstheemphasi sondiscussigtheommunicationbetweenDS PandARMwihaLiuxOS.Forthespecificsystem，tode1 gneSPIdevicedriverofembeddedLinufirst step,hencomp1 icatetheapp1 cadprog raminhARMandDS

3、P.Alltheepas aredesedindet1 inthispapedacommuncat1 onprotolbetweenARMandDS Pisg ivn,ba sedwhit heARMandDS PcommunicatehroughSPIb1saccomp1 ished.Keywords:S PIbus，ARM，DSP,SP Ideviced1 ver對于現(xiàn)代測量儀器，不僅需要具備實時性的控制、測量功能，還需要具備非實 時性的人機交互界面、數(shù)據(jù)管理、打印等功能?；诖?，常常采用多處理器結(jié)構(gòu), 組成分布式控制系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)實際要求，采用TI公司的DSP處理器TMS32 0F281

4、2為控制核心，采用三星公司的ARM 9處理器S3C241 0為管理核心。而如何保證兩者之間高效的數(shù)據(jù)傳送便成為一個至關(guān)重要的問題。就被交換了。如果只是進行寫操作，主機只需忽略收到的字節(jié)；反過來，如果 主機要讀取外設(shè)的一個字節(jié)，就必須發(fā)送一個空字節(jié)來引發(fā)從機的傳輸。還有一根nSS，為從選信號線，可以用于使能從機輸出，是可選的；若使用nSS，如本系統(tǒng)中，必須保證nSS在上電時為高電平，否則在上電后，從機將首先收到一個偽數(shù)據(jù)。根據(jù)MOSI和MISO在SP ICLK的哪個時鐘極性和時鐘相位上有效,SPI可分為4種工作時序，而S3C241 0與DSP 2812對這四種時鐘模式都可支持，因此只要任選一種即

5、可，但必須保證它們之間的一致。這里約定使用無相位延時的下降沿的SPI時序。ARM通過發(fā)出SP ICLK信號來啟動數(shù)據(jù)傳輸，SP ICLK為高電平時有效，在SP ICLK信號的下降沿發(fā)送數(shù)據(jù)，在SP ICLK信號的上升沿接收數(shù)據(jù)。ARM與DS P能夠同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，應用軟件判定數(shù)據(jù)的真?zhèn)?。其時序圖如圖2所示。SPI (Serial ParallelInterface)總線是Mot orola公司提出的一種同步串行外設(shè)接口協(xié)議總線。它具有標準的傳輸協(xié)議，占用接口線少, 傳輸效率高，且為本系統(tǒng)所采用的兩種芯片所支持，故而是一種較為理想的設(shè)計方 案。1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)中，通信是由儀器使用者通過人

6、機交互界面操作儀器發(fā)起的，故將管理核心ARM設(shè)置為主機，將控制核心DSP設(shè)置為從機。其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖2無相位延時的下降沿的SPI時序系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件設(shè)計的主要任務有：由于在ARM上移植了LinuxARM與DSP的SPI通信接口一般情況下，實現(xiàn)SPI接口需要34根線。SPI是一個同步協(xié)議接口， 所有的傳輸都參照一個共同的時鐘CLOCK，這個同步時鐘信號由主機產(chǎn)生，從 機使用時鐘來對串行比特流的接收進行同步化。主機和從機都包含一個串行移位寄 存器，主機通過向它的SPI串行寄存器寫入一個字節(jié)來發(fā)起一次傳輸。寄存器是 通過MOSI （主輸出從輸入數(shù)據(jù)線）信號線將字節(jié)傳送給從機，從機也將自己

7、移 位寄存器中的內(nèi)容通過MISO （主輸入從輸出數(shù)據(jù)線）信號線返回給主機，這 樣，兩個移位寄存器中的內(nèi)容操作系統(tǒng)，要在用戶空間正確使用SPI設(shè)備，首先要在內(nèi)核空間編寫相應的 設(shè)備驅(qū)動程序；另外要在用戶空間編寫應用程序以完成ARM上的數(shù)據(jù)收發(fā)流程， DSP上的數(shù)據(jù)收發(fā)。在ARM端，S3C241 0芯片內(nèi)SPI接口支持查詢、中斷與DMA三種傳輸模式。若采用中斷模式，接收到一個字節(jié)的數(shù)據(jù)即中斷一次，而本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)量較大，因此效率較低；若采用DMA方式實現(xiàn)，則增加了驅(qū)動程序開發(fā)的難度。這里選擇采用查詢方式接收數(shù)據(jù)。工業(yè)控制計算機2 0 0 8年2 1卷第9期而在DSP端，因為采用前后臺結(jié)構(gòu)，故對于SP

8、I通信模塊，采用中斷方式 接收數(shù)據(jù)。通過中斷處理程序完成前后臺切換。本系統(tǒng)中，對ARM和DSP均采用C語言進行編程。2.1數(shù)據(jù)格式定義根據(jù)實際要求，本系統(tǒng)中在SPI通信時主要有三種格式的數(shù)據(jù)。分別是命令 幀、數(shù)據(jù)幀、信息幀，其中命令幀總是由主機發(fā)出，用于指示從機完成相應的控制功能；信息幀總是由從機發(fā)出，作用是在從機執(zhí)行控制功能時，將相關(guān)狀態(tài)信息反 饋給主機。數(shù)據(jù)幀則既可以由主機也可以從機發(fā)出，用于主機和從機進行必要的參 數(shù)傳遞。二種幀的格式如下表所示：命令幀格式:信息幀格式:數(shù)據(jù)幀格式:2.2ARM上的SPI驅(qū)動程序編寫在向內(nèi)核注冊完成SPI設(shè)備后，首先要初始化硬件。即把相關(guān)寄存器映射到虛擬內(nèi)

9、存地址，對其進行相應的設(shè)置。其中較為重要的便是SPI控制寄存器。SPI控制寄存器的字段定義如下:初始化代碼如下:4)A /控r _ SP CON0=ioremap(0x5 9000000, 制寄存器地址映射r_S PCON0 = 0x18 A/控制寄存器設(shè)置根據(jù)所要實現(xiàn)的文件操作，本系統(tǒng)SPI驅(qū)動程序定義的f ile _ operations結(jié)構(gòu)為:staticstructfile _ operationspi2410_ fops= Kr ead:spi24 10 _ rd，write:spi240_wr，poll:spi2410_ poll，open:spi2410 _ open，relea

10、se:spl2410 _ close,PA這樣在用戶空間應用程序中通過read、write等關(guān)鍵字，即可調(diào)用內(nèi) 核空間驅(qū)動程序中相應的函數(shù)。SPI發(fā)送數(shù)據(jù)調(diào)用spi2410_wr()函數(shù)。在該函數(shù)中首先分配數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)，并將用戶空間的數(shù)據(jù)復制到內(nèi)核空間，然后調(diào)用spidata_send()進行數(shù)據(jù)的發(fā)送，發(fā)送過程結(jié)束后，返回實際發(fā)送的數(shù)據(jù)長度。spldatasend()函數(shù)的實現(xiàn)過程如圖3所示spi_poll_done()函數(shù)設(shè)置一定的超時時間，在此時間內(nèi)不斷查詢設(shè)備狀態(tài)寄存器rSP STA0的相關(guān)標志位，如果狀態(tài)指示字節(jié)數(shù)據(jù)已發(fā)出或者發(fā)送超時，則返回。關(guān)鍵代碼如下:SPI數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖co

11、py _ from_ user(TXdata，buf，count/復制數(shù)據(jù)到內(nèi)核空間的發(fā)送緩沖區(qū)spi _ data _ send() A/調(diào)用函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)SPI接收數(shù)據(jù)調(diào)用spi2410_rd()函數(shù)，其過程與SPI發(fā)送數(shù)據(jù)過程類似。首先分配數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū),同樣調(diào)用spi _tx_data()發(fā)送數(shù)據(jù)，只是此時發(fā)送的是偽數(shù)據(jù)，并在發(fā)送過程返回后，從SPI的接收數(shù)據(jù)寄存器中讀取數(shù)據(jù)并保存在已分配好的接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中。最后再將該內(nèi)核空間的數(shù)據(jù)傳遞到用戶空間中。該實現(xiàn)過程的流程圖略去。其關(guān)鍵代碼如下:spl _ tx _ data(Oxff) A /發(fā)送偽數(shù)據(jù) RXdatal =rS PRDAT0

12、 A/接收數(shù)據(jù)copy _ to _ user(buf，RXdata，count/復制數(shù)據(jù)到用戶空間2.3ARM收發(fā)數(shù)據(jù)前文已經(jīng)提到，ARM端采用查詢方式接收數(shù)據(jù)。ARM在執(zhí)行SPI通信任 務時，其他任務均被掛起。而本系統(tǒng)要求ARM還要不間斷完成其他任務(如每秒 對顯示屏幕進行刷新)，故在ARM端設(shè)計如下收發(fā)協(xié)議：ARM向DSP發(fā)出動 作命令幀后，立即返回，完成其他任務。然后每3 s向DSP發(fā)出一個命令幀進行 詢問。如果未收到應答或收到動作尚未完成的信息幀，則返回并重復上述動作。若 收到動作完成的信息幀，若有數(shù)據(jù)上傳則發(fā)一個命令幀請求數(shù)據(jù)，否則直接返回并 關(guān)閉SPI通信。對于每個動作，相應設(shè)定

13、一個延時時間，若超過該時間仍未收到動作完成的信息幀，或 數(shù)據(jù)上傳未完成，則返回并關(guān)閉SPI通信以進行其他操作。以上流程如圖4所2.4DS P收發(fā)數(shù)據(jù)在DSP端，將接收中斷的級別設(shè)置為單字節(jié)，即每接（下轉(zhuǎn)第6 6頁）ARM端收發(fā)數(shù)據(jù)流程圖IRQ和非向量IRQ，不同外設(shè)的中斷優(yōu)先級可以動態(tài)分配并調(diào)整。系統(tǒng)將 中斷請求分配給非向量IRQ，響應過程為：當發(fā)生IRQ中斷時，首先保存任務環(huán)境，然后中斷控制器（VIC）將所有相或”向LP C2131產(chǎn)生IRQ信號，借著調(diào)用異常處IRQ中斷理程序，處理結(jié)束后關(guān)閉中斷，最后恢復現(xiàn)場、返回?；谇度胧郊夹g(shù)的分布式測控系統(tǒng)研究與應用局部管理單元與電能管理終端間RS4

14、85通信轉(zhuǎn)換過程2.4系統(tǒng)各部分間通信2.4. 1系統(tǒng)握手方式系統(tǒng)的通信總體上采用自上而下的主從方式，即遠程上位機與局部管理單元之 間的通信始終由遠程上位機發(fā)起，局部管理單元與電能管理終端之間始終由局部管 理單元發(fā)起。具體方式為：發(fā)起通信的一方先發(fā)出功能命令，應答方作出回應。若 無應答或錯誤應答則發(fā)起方重新發(fā)送命令，直到收到正確應答或者重發(fā)次數(shù)達到最 大重發(fā)次數(shù)則視為此次通信失敗。由于系統(tǒng)采取分級的分布式結(jié)構(gòu)，一個局部管理單元下可帶多達上百個電能管 理終端，而每個電能管理終端可最多管理RS485通信幀格式16塊電表，因此地址域有3個字節(jié)。在應用中用位域掩碼代替具體的電表號，目的是減少通信的流量

15、，提高 通信效率，更方便于今后電表的維護更新。2.4.2遠程上位機與局部管理單元間以太網(wǎng)通信局部管理單元與遠程上位機之間采用以太網(wǎng)通信，并采用自定義的通信協(xié)議, 格式如表1所示。表1以太網(wǎng)通信幀格式3結(jié)束語本文所設(shè)計的基于ARM處理器的分布式智能電能管理系統(tǒng)，采用分級結(jié)構(gòu)，具有良好的智能性與可擴展性，并且數(shù)據(jù)采集可靠、通信穩(wěn)定。該系統(tǒng)已開始應用于實際智能小區(qū)的建設(shè)。本系統(tǒng)是較為典型的分級分布式 智能測控系統(tǒng)，不僅對智能電能管理，而且對于智能樓宇、電機控制、車間控制、 流量監(jiān)控等生產(chǎn)生活的很多領(lǐng)域的開發(fā)具有良好的啟示作用?？蓪ο到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)及功 能進行適當調(diào)整以適應不同的應用場合，具有很強的靈活性和

16、可擴展性。其中，同步頭為字符：數(shù)據(jù)與長度根據(jù)不同情況有所”不同，檢驗域校驗的范圍包括命令域與數(shù)據(jù)域的長度，信息包長度指命令域長度、數(shù)據(jù)與長度、校驗域 長度三者的總和。參考文獻1魏忠，等著.嵌入式開發(fā)詳解M.北京：電子工業(yè)出版社，20032 孫秋野，等著.ARM嵌入式系統(tǒng)開發(fā)典型模塊M.北京：人民郵電 出版社，2 0 0 73周立功，等著.深入淺出ARM7 LP C213X/214X（上）M.北京：北京航空航天大學出版社，2 0 0 54 2 0 0 3年全國單片機及嵌入式系統(tǒng)學術(shù)年會論文集C.北京：北 京航空航天大學出版社，2 0 0 35ElectronicsSamsung.S3C2410X

17、32Bi tRISCMicroprocessor2.4.3局部管理單元與電能管理終端間RS485通信局部管理單元與電能管理終端之間采用RS 4 8 5通信，系統(tǒng)首先需要將微處 理器SCI出來TTL電平轉(zhuǎn)換為RS 2 3 2電平，再在通過外部裝換模塊將RS 2 3 2電平轉(zhuǎn)換為RS 4 8 5電平，從而與電能管理終端進行通信，基本過程如圖 4所示。由于RS 4 8 5總線只規(guī)定了相應的物理層協(xié)議，并沒有定義上層協(xié)議，因此 系統(tǒng)中采用自定義的數(shù)據(jù)格式和協(xié)議，如表2所示。UsersManual(Rev1s1on1.2).2003收稿日期：2 0 0 8.4.1 5 !（上接第5 7頁）斷正確，則該字

18、節(jié)數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)，儲存于緩沖區(qū)中，并將spl_1做加1 處理。否則結(jié)束中斷處理程序DSP端整個接收流程如圖5所示。收到一個字節(jié)數(shù)據(jù)就觸發(fā)一次中斷處理程序。在中斷處理程序中可利用一個全 局變量spi_St，用來標記當前接收字節(jié)所表示的狀態(tài)；開通一個數(shù)據(jù)緩沖 區(qū)，用來存放有效數(shù)據(jù)；利用一個全局變量spi_1,用來標記已獲得有效數(shù)據(jù) 數(shù)目。具體處理時,根據(jù)3結(jié)束語本文所述方法和通信協(xié)議已在實際系統(tǒng)中得到實現(xiàn)，通信速度快、可靠性高。且系統(tǒng)充分利用了SPI總線接口功能完善、時序簡單且 無須外加其他元器件等特點，簡化了系統(tǒng)設(shè)計，提高了系統(tǒng)可靠性。參考文獻1蘇奎強，呂強，等.TMS320F28京：電子工業(yè)出版社，2