高速DSP串行外设接口设计

2万 · 2014-5-18 23:39

　1 引言

　　DSP(数字信号处理)的优势除了处理复杂的运算，特别适用于数字滤波、语音、视频、图象处理、通信以及高速实时测控系统中已成为现代信息处理技术的重要器件，极大地促进了信号处理和测控各个领域的学术研究、产品开发及应用。TI公司TMS320LF2407是一种专用定点DSP芯片，与以往的产品相比．最大不同就是有丰富的外设．像SCI、SPI、EV等等．在处理数据优势上添加了事务管理能力。

　　其中串行外设接口(Serial Peripheral Interface)是Motorola公司提出的一种同步串行外围接口协议．主要应用在EEPROM、FLASH、实时时钟、AD转换器．还有数字处理和数字解码器之间。包括主/从2种模式，具有I/O资源占用少、协议实现简单、传输速度快、能够同时收发信息、支持绝大部分处理器芯片等优点，是一种高速的全双工、同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚．同时为PCB的布局上节约了空间，提供了方便，正是出于这种简单易用的特性，TMS320LF2407芯片也集成了这种通信协议。

　　2 SPI接口结构和设计原理

　　2．1 SPI接口结构

　　该SPI设计主要有两大部分组成：微控制器接口和SPI控制接口。通过控制线、数据线、和地址线三大总线把微控制接口与SPI控制接口连接在一起，如果外部有更多的SPI接口模块。可以由SPI控制接口运用软件编程与设置，实现扩展具有SPI接口的外部设备。

　　TMS320LF2407中采用的主从控制器连接通信。主控制器通过输出SPICLK信号来启动数据传送。对主控制器和从控制器．数据都是在SPICLK的一个边沿移出移位寄存器，并在相对的另一个边沿锁存到移位寄存器。如果CLOCK PHASE位是1．数据的发送和传输就要在SPICLK跳变之前的半个周期发生。主控制器可以在任一时刻启动数据发送．因为它控制着SPICLK信号。由软件决定了主控制器如何检测从控制器何时准备发送数据，以启动SPI传送数据。

图1 SPI内部结构

2万 · 2014-5-18 23:39

　2．2 SPI设计原理

　　SPI接口是同步串行总线的一种，在同步时钟信号SCK下，能够高速、可靠的传送数据。它分为主从(MASTER/SLAVER)两种传输模式。主模式下的发送总线即是从模式的接收总线：与之对应的是从模式下的发送总线即是主模式的接收总线。它们可以同时接收和发送数据．而且发送和接收操作可以通过中断或者查询方法来完成。

　　2．2．1工作时钟

　　时钟极性CPOL和时钟相位CPHA控制着时钟信号引脚上4中不同的时钟方式。在设备被使能激活后．还未进行数据传输时或两个字节数据间歇期间，SCK处于空闲电平，通过时钟极性控制位可以选择此空闲电平的电平时0还是1：时钟相位控制位用来选择数据接收端设备的采样时刻。在该采样时刻，线上数据必须同时满足建立时间和保持时间两个参数，因此数据发送端设备应提前将数据移出到数据线上。

　　4种不同的时钟方式能根据外设需要，能够提供相对应的传输协议来完成数据的传输工作。它们之间没有优先级．SPI线上的主从设备必须根据具体情况设置匹配的传输时序模式．时序只有匹配擞据传输才能正常进行。如果设置的不匹配．可能导致数据接收方和发送方在同一个时钟沿作用．导致数据输出失败。

　　图2是CPHA=0时的数据传输时序．它同时包含了CPOL=0和CPOL=1的情况，当CPOL=O时，要传输的数据在时钟信号没有延时且上升沿出发送，在时钟信号下降沿处接收数据。当CPOL=1时，同样在没有延时的情况下传输，不同的是下降沿发送数据，上升沿接收。图3是CPHA=1时数据传输时序。与图2相似，但采样时刻延迟了半个周期。

2万 · 2014-5-18 23:39

图2 CPHA="0是SPI总线数据传输时序"

图3 CPHA="1时SPI总线数据传输时序"

2万 · 2014-5-18 23:40

　　3 SPI硬件设计

　　寄存器在SPI中起着决定性的作用．无论是在微控制器接口，还是SPI控制接口，寄存器在数据传输和控制方面都是主要的组成部分。而寄存器最基本最重要的单元是触发器．只有改善触发器的结构，才能提高整个SPI接口的性能。

　　有的串行接口设计中采用B结构的触发器设计，这些结构里应用的是一种简单的MOS管做开关．虽然MOS管做开关有功耗低，占面积小的优点。但要提高它的电路工作频率．开关速度，制作丁艺却是越来越困难。而且如果输入信号不强．就很可能出现信号倒流，这就需要一个较高电压来控制开关。这也不利于数据传输和降低功耗等等。

　　为了解决由MOS管做开关时引起的种种难题．来实现在TMS320LF2407串行接口中的信息传递的高速率。本设计综合考虑速度、工作电压、噪声容限等因素的影响．采用了一种新颖的触发器结构(图4A部分)，本文接口电路中大都采用了该触发器的电路设计，工作电压降低到3.3V，大大降低了整体功耗；在开关方面采用了三态门，有效的防止了信号倒流，实现了信号传输的稳定；添加了一个反馈信号，在需要的时候．能够把所需反馈信号再次输入；同时加快r开关速率，带负载的能力也增强。

图4 A、B两种触发器比较

2万 · 2014-5-18 23:40

　4 RTL级设计

　　随着数字系统设计的复杂性不断增加，在设计初期指定有效的设计策略对于整个设计是至关重要的。行为描述方式是对系统数学模型的描述。它包括RTL、算法级、系统级的描述。RTL是指通过描述寄存器之间数据流动来描述数字电路系统，是一个数据流的概念．寄存器与寄存器之间的数据处理由组合逻辑完成。RTL级是Verilog较高抽象层次，在这个抽象层次上，模块可以根据设计的算法来实现．而不用考虑具体的实现细节。

　　4．1寄存器整体电路设计

　　下面是部分Verilog HDL源代码．描述了数据传输时相关寄存器的功能设置：先是对复位时各个寄存器的初始值，接下来是对寄存器进行功能设计．和数据传输时候产生的中断使能和标志位的设计。

2万 · 2014-5-18 23:41

　4．2整体时序仿真

　　将上述Verilog代码编译，再写上对应测试代码进行验证。图5是寄存器的写操作的整体时序仿真波形图．验证了上述代码正确可行。

图5写操作整体时序仿真

2万 · 2014-5-18 23:41

5 结论

　　本文作者的创新点是改进了硬件触发器的结构．用三态门和传输门取代那种单一MOS管的结构。首次应用到TMS320LF2407芯片串行外设接口上，降低工作电压到3.3V，加快数据传输，而且还有相应的反馈信号，进一步完善了触发器结构。同时有很好的可移植性好。具有充分的可裁剪性，本设计运行可靠，达到预期的效果。