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0 引言
微控制器MCU在外圍接口設(shè)計中，上下層測控設(shè)備間的通信或現(xiàn)場總線的連接往往采用串行通信接口（SCI），而本地的串行外設(shè)，如移位寄存器，串行顯示驅(qū)動，DAC等只能用MCU的通用I/O端口模擬串行口進行通信，這樣大大影響了MCU的工作效率，增加了程序復(fù)雜性。美國TI公司的TMS320系列DSP（Digital Signal Processor）芯片提供了用于串行設(shè)備通信的功能靈活強大的串行外圍接口SPI，成為處理串行外設(shè)通信的一種優(yōu)秀解決方案。它可以與具有各種通信格式要求的串行設(shè)備方便地連接，簡化了硬件設(shè)計，提高了代碼效率。筆者通過在工程中的應(yīng)用，對TMS320系列芯片的SPI功能進行了一定的研究與開發(fā)，本文通過MAX7219驅(qū)動LED顯示的實例來介紹一下TMS320F240的串行外圍接口SPI的設(shè)計和使用方法。
1.TMS320F240簡介
德州儀器公司開發(fā)的TMS320C24X芯片使電機控制系統(tǒng)的設(shè)計者得以接觸第一片專門為電機控制應(yīng)用而優(yōu)化的工業(yè)用單片DSP控制器。它將實時處理能力和控制器外設(shè)功能集于一身。它可產(chǎn)生所需的PWM信號來控制電機的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)向�？芍С种噶畹漠a(chǎn)生，控制算法的處理，數(shù)據(jù)的交流和系統(tǒng)控制等功能。因此被廣泛應(yīng)用于自動化系統(tǒng)，工業(yè)電機驅(qū)動系統(tǒng)。本文介紹的就是一個電機調(diào)速系統(tǒng)的顯示部分。TMS320F240便是在TMS320C24X基礎(chǔ)上推出一種定點DSP芯片。TMS320F240主要結(jié)構(gòu)和特性如下：
⑴ 它是應(yīng)用高性能的靜態(tài)CMOS技術(shù)生產(chǎn)的。
⑵ 包含T320C2XLP內(nèi)核CPU：有32位中央邏輯運算單元（CALU），32位累加器（ACC）,16位×16位并行乘法器，8個16位輔助寄存器。
⑶ 它本身具有工業(yè)溫度標準、自動溫度獲取功能。
⑷ 它采用改進的哈佛總線結(jié)構(gòu)，使得結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化，芯片的性能提高。
⑸ 含544字節(jié)16位片內(nèi)數(shù)據(jù)/程序雙向RAM，16K字節(jié)Flash EEPROM。
⑹ 有串行外設(shè)接口（SPI）和通信接口（SCI），28個獨立可編程，復(fù)用I/O口，還有雙向10位串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，采樣速率可達166KHZ，滿足實時性。
⑺ 功能強大的事件管理器，可通過比較單元產(chǎn)生所需的PWM。
⑻ 帶有實時內(nèi)部，外部中斷和看門狗電路。
⑼ 支持JTAG硬件仿真。
2.SPI的原理和用法
目前控制系統(tǒng)微型化的要求越來越高，為了使數(shù)字處理系統(tǒng)微型化，必須舍棄常用的并行總線接口方案，采用只需少量引腳線的串行總線接口方案。SPI就是這樣一種串行總線的外設(shè)接口，它只需3根引腳線便可與外設(shè)相接。SPI實際上是一種串行總線標準，它是一種真正的同步方式，兩臺設(shè)備在同一個時鐘下工作，因此傳輸速率高達幾十兆�，F(xiàn)在與SPI總線兼容的芯片越來越多，因此，SPI為控制系統(tǒng)的設(shè)計帶來了很大方便。
SPI有主、從兩種工作模式，主機的發(fā)送與從機地接收相連，主機的接收與從機的發(fā)送相連，主機產(chǎn)生的時鐘信號要輸出至從機的時鐘引腳上。這時用到SPI的4個引腳：SPISIMO——主機為發(fā)送，從機為接收；SPISOMI——主機為接收，從機為發(fā)送；SPICLK——串行外設(shè)接口時鐘，主機是輸出時鐘，從機是輸入時鐘；SPISTE——串行外設(shè)接口選通，選通從機。
SPI的結(jié)構(gòu)通過兩類寄存器來體現(xiàn)：數(shù)據(jù)類寄存器和控制類寄存器。數(shù)據(jù)類寄存器包括發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器SPIDAT，接收數(shù)據(jù)寄存器SPIBUF和仿真寄存器SPIEMU；控制類寄存器包括SPI配置控制寄存器SPICCR，操作控制寄存器SPICTL，狀態(tài)寄存器SPISTS，波特率寄存器SPIBRR，端口控制寄存器SPIPC1和SPIPC2，中斷優(yōu)先級控制寄存器SPIPR1。
數(shù)據(jù)類寄存器是CPU與串行外設(shè)數(shù)據(jù)交換的橋梁，讀寫數(shù)據(jù)類寄存器即可實現(xiàn)通信。由于SPI通過一根時鐘引線將主機和從機同步，因此它的串行數(shù)據(jù)交換不需要增加起始位，終止位等用于同步的格式位，直接將要傳送的信息（1到8位的數(shù)據(jù)）寫入SPIDAT，這個寫入自動啟動了發(fā)送過程即在同步時鐘SPICLK的節(jié)拍下把SPIDAT的內(nèi)容從高位到低位一位一位移到引腳SPISIMO，完成后將置中斷標志SPIINT FLAG（SPISTS.6）來通知主機信息塊已發(fā)送完畢。從機接收數(shù)據(jù)與此一樣，只是會將從SPISIMO引腳接收到的內(nèi)容復(fù)制到接收數(shù)據(jù)寄存器SPIBUF。
控制類寄存器規(guī)定SPI的工作方式，串行訪問的參數(shù)和響應(yīng)標志等，這需要在軟件中進行初始化設(shè)置，因此要了解控制寄存器的使用方法。
SPICCR.7位SPI SW RESET是軟件復(fù)位位，置1將使標志位SPIINT FLAG和RECEIVER OVERRUN清零，但其他配置參數(shù)不變，此時發(fā)送停止。復(fù)位完成后，要將此位清零，已準備進行正常的工作。SPICCR.6位CLOCK POLARITY與SPICTL.3位CLOCK PHASE配合產(chǎn)生四種時序（見表1）。
SPICCR.2-0位SPICHAR2-0可確定信息塊的大�。ㄔ�1至8位間選擇）。其它位為保留位。SPICTL的SPIINT ENA和OVERRUN INT ENA為中斷位，置1允許中斷，否則清零。SPICTL的MASTER/SLAVE位置1表示主機，置0為從機。TALK位為發(fā)送允許位，1為允許發(fā)送，0為禁止發(fā)送。其它位為保留位。SPISTS.7為接收溢出標志位，如果在SPIBUF的內(nèi)容未讀出之前又接收到了新的數(shù)據(jù)，就會有原數(shù)據(jù)丟失，這將使溢出標志RECEIVER OVERRUN置1。寫0到該位，SPI軟件復(fù)位或系統(tǒng)復(fù)位都可清0該位。SPIBRR.6-0這7位為SPI波特率寄存器值，SPI的波特率即它的時鐘SPICLK的周期。由于SPICLK是SYSCLK時鐘經(jīng)SPIBRR規(guī)定的分頻系數(shù)分頻后得到的，所以，SPI的波特率是：
這里要注意的是SPI工作在從機方式時，允許的最大波特率是SYSCLK/8。SPIPRI寄存器設(shè)定中斷優(yōu)先級和仿真掛起是否允許。SPI還有兩個端口控制寄存器SPIPC1和SPIPC2。SPIPC1來設(shè)定SPISTS和SPICLK的數(shù)據(jù)傳送方向（通過設(shè)定DATA DIR），端口功能（通過設(shè)定FUNCTION來決定是SPI功能還是I/O功能）。SPIPC2則來設(shè)定SPISIMO和SPISOMI的數(shù)據(jù)傳送方向和端口功能。
使用SPI模塊時要注意兩點：第一、SPI與串行外圍器件相連時，SPI應(yīng)設(shè)置為主機；第二、注意SPI寄存器的初始化和標志位的及時復(fù)位。
3.MAX7219的原理與用法
MAX7219是MAXIM公司生產(chǎn)的7段共陰極LED數(shù)碼管的驅(qū)動芯片，每一片7219最多可驅(qū)動8位LED，它集BCD碼譯碼器、多路掃描器、段驅(qū)動和位驅(qū)動電路于一體，內(nèi)含8×8位雙口靜態(tài)SRAM,可保存8位LED數(shù)據(jù)，使用方便，連線簡單，還可串聯(lián)使用，大大簡化了硬件電路，減小了軟件的工作量。
MAX7219具有典型的三線串行接口，命令與數(shù)據(jù)組成16位字串，從DIN管腳進入，從DOUT管腳輸出，當(dāng)每一個CLK脈沖上升沿到來時，串行數(shù)據(jù)從DIN管腳進入MAX7219內(nèi)部移位寄存器，最先收到的是最高位，這便與SPI的數(shù)據(jù)輸出順序正好匹配了。第16個CLK上升沿，LOAD管腳若變?yōu)楦唠娖�，�?shù)據(jù)就會被鎖存到內(nèi)部寄存器中，再過半個脈沖，數(shù)據(jù)在CLK下降沿從DOUT管腳輸出。時序如圖2所示。
MAX7219的命令與數(shù)據(jù)所組成的16位數(shù)據(jù)格式如表示：
MAX7219有14個可尋址命令寄存器：8個位驅(qū)動寄存器和6個狀態(tài)寄存器。地址排列如表2所示。MAX7219提供了段選碼和BCD解碼兩種方式。解碼方式寄存器數(shù)據(jù)位都設(shè)為1時，為BCD解碼方式，都為0時為段選碼方式。工作在解碼方式時，LED
可顯示數(shù)字0~9及“—”，“E、F、H、L、P”等字符和空顯示。寫寄存器時，只要在對應(yīng)的數(shù)據(jù)位的低4位寫入“0H”-“FH”即可，與數(shù)據(jù)位高4位無關(guān)，數(shù)據(jù)位最高位來設(shè)定小數(shù)點狀態(tài)，置1點亮小數(shù)點，否則為0。段選碼方式是通過將數(shù)碼管對應(yīng)數(shù)據(jù)位寫“1”來使該段亮。
MAX7219還有6個狀態(tài)寄存器。亮度寄存器來控制LED的亮度，這種軟件亮度控制可代替硬件限流的亮度控制方法。掃描限制寄存器用于控制掃描頻率。停機寄存器控制MAX7219的工作狀態(tài)，該寄存器數(shù)據(jù)格式為“×0”時，進入關(guān)閉正常工作狀態(tài)，但可受測試控制寄存器控制；數(shù)據(jù)格式為“×1”時，進入正常工作狀態(tài)。顯示測試寄存器為“×0”時，顯示驅(qū)動器進入正常工作狀態(tài)；寄存器為“×1”時，為測試狀態(tài)，此時LED應(yīng)全亮狀態(tài)。空操作寄存器用在7219串聯(lián)時，只改變某片7219驅(qū)動的LED，但不用改變其他顯示區(qū)。它可使7219進行空操作，保持LED的原狀。
MAX7221與MAX7219基本一致，只是7221段驅(qū)動有轉(zhuǎn)換速率限制，以此來減小EMI，而且它更專業(yè)化用于SPI。7219則通用性較強。
4.實例介紹
筆者在開發(fā)的一個電機調(diào)速系統(tǒng)中，顯示部分采用的是TMS320F240的SPI外接MAX7219來驅(qū)動LED動態(tài)顯示。
4.1硬件連接
TMS320F240芯片的45，49，分別為SPI的SPISIMO和SPICLK腳，將它們分別與MAX7219的DIN和CLK腳相連以輸出數(shù)據(jù)和時鐘信號給MAX7219。TMS320F240的73腳是I/O口，將它與7219的LOAD( )連接，來輸入7219的片選信號，低電平選擇，高電平取消選擇。硬件連接如圖3示：
4.2軟件設(shè)計
由于SPI與MAX7219的匹配性很好，不但使得硬件電路簡捷，軟件編程也比較容易。最主要的基本工作就是對SPI和MAX7219的寄存器賦值，之后的編程工作則因系統(tǒng)要求而定。
對于DSP，首先設(shè)置好頭文件和聲明要用的DSP的寄存器。接下來根據(jù)需要設(shè)置寄存器。先設(shè)置SPICCR來復(fù)位SPI并定義字符長度為8。設(shè)置SPICTL定義工作為主動模式，按需要設(shè)置中斷，并結(jié)合SPICCR設(shè)定SPI時鐘時序，由于7219在輸入時鐘的上升沿接收數(shù)據(jù)，因此時鐘時序應(yīng)設(shè)置為有延時上升沿。寫寄存器SPIBRR設(shè)置SPI波特率（可為最快）。寫SPIPC1，SPIPC2設(shè)置SPICLK腳輸出時鐘信號，SPISIMO腳輸出SPIDAT寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)。最后還要清SPICCR的SPI SW RESET復(fù)位位來允許SPI工作，準備發(fā)送數(shù)據(jù)。
MAX7219要通過SPI輸出的地址和數(shù)據(jù)來初始化自己的寄存器。要分別設(shè)置顯示測試寄存器為正常工作狀態(tài)。設(shè)置解碼方式寄存器為BCD解碼方式。設(shè)置亮度寄存器為合適的亮度值（最亮即可）。設(shè)置掃描限制寄存器為適合的掃描頻率。設(shè)置停機寄存器為正常工作狀態(tài)�？詹僮骷拇嫫鞯脑O(shè)置在7219串聯(lián)時，由顯示數(shù)據(jù)的需要來設(shè)置。軟件流程如圖4所示。
注意，初始化7219和LED顯示時，對7219的每一個寄存器傳送值時，都要調(diào)用一次顯示子程序。SPI復(fù)位位應(yīng)及時清零，保證新的發(fā)送能進行。每一次寄存器接收完值，都要取消7219片選以鎖存接收到的值。
實驗結(jié)果表明，SPI串行輸出可令DSP不用始終掃描，只在需要的中斷發(fā)生時，串行輸出即可，而且SPI的波特率可達到最高，這些都大大節(jié)省了CPU的時間，減少了工作量，節(jié)省了大量的系統(tǒng)資源。而且，顯示效果穩(wěn)定不閃爍，可根據(jù)要求靈活顯示。
5.結(jié)束語
數(shù)字化的信息時代，DSP會有更加廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，與之兼容匹配的產(chǎn)品也會越來越豐富，我們的工作生活也會因此而更加方便快捷。
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