高速DSP串行外設接口設計

　1 引言

　　DSP(數字信號處理)的優勢除了處理復雜的運算，特別適用于數字濾波、語音、視頻、圖象處理、通信以及高速實時測控系統中已成為現代信息處理技術的重要器件，極大地促進了信號處理和測控各個領域的學術研究、產品開發及應用。TI公司TMS320LF2407是一種專用定點DSP芯片，與以往的產品相比．最大不同就是有豐富的外設．像SCI、SPI、EV等等．在處理數據優勢上添加了事務管理能力。

　　其中串行外設接口(Serial Peripheral Interface)是Motorola公司提出的一種同步串行外圍接口協議．主要應用在EEPROM、FLASH、實時時鐘、AD轉換器．還有數字處理和數字解碼器之間。包括主/從2種模式，具有I/O資源占用少、協議實現簡單、傳輸速度快、能夠同時收發信息、支持絕大部分處理器芯片等優點，是一種高速的全雙工、同步的通信總線，并且在芯片的管腳上只占用四根線，節約了芯片的管腳．同時為PCB的布局上節約了空間，提供了方便，正是出于這種簡單易用的特性，TMS320LF2407芯片也集成了這種通信協議。

　　2 SPI接口結構和設計原理

　　2．1 SPI接口結構

　　該SPI設計主要有兩大部分組成：微控制器接口和SPI控制接口。通過控制線、數據線、和地址線三大總線把微控制接口與SPI控制接口連接在一起，如果外部有更多的SPI接口模塊。可以由SPI控制接口運用軟件編程與設置，實現擴展具有SPI接口的外部設備。

　　TMS320LF2407中采用的主從控制器連接通信。主控制器通過輸出SPICLK信號來啟動數據傳送。對主控制器和從控制器．數據都是在SPICLK的一個邊沿移出移位寄存器，并在相對的另一個邊沿鎖存到移位寄存器。如果CLOCK PHASE位是1．數據的發送和傳輸就要在SPICLK跳變之前的半個周期發生。主控制器可以在任一時刻啟動數據發送．因為它控制著SPICLK信號。由軟件決定了主控制器如何檢測從控制器何時準備發送數據，以啟動SPI傳送數據。

圖1 SPI內部結構

　　2．2 SPI設計原理

　　SPI接口是同步串行總線的一種，在同步時鐘信號SCK下，能夠高速、可靠的傳送數據。它分為主從(MASTER/SLAVER)兩種傳輸模式。主模式下的發送總線即是從模式的接收總線：與之對應的是從模式下的發送總線即是主模式的接收總線。它們可以同時接收和發送數據．而且發送和接收操作可以通過中斷或者查詢方法來完成。

　　2．2．1工作時鐘

　　時鐘極性CPOL和時鐘相位CPHA控制著時鐘信號引腳上4中不同的時鐘方式。在設備被使能激活后．還未進行數據傳輸時或兩個字節數據間歇期間，SCK處于空閑電平，通過時鐘極性控制位可以選擇此空閑電平的電平時0還是1：時鐘相位控制位用來選擇數據接收端設備的采樣時刻。在該采樣時刻，線上數據必須同時滿足建立時間和保持時間兩個參數，因此數據發送端設備應提前將數據移出到數據線上。

　　4種不同的時鐘方式能根據外設需要，能夠提供相對應的傳輸協議來完成數據的傳輸工作。它們之間沒有優先級．SPI線上的主從設備必須根據具體情況設置匹配的傳輸時序模式．時序只有匹配擻據傳輸才能正常進行。如果設置的不匹配．可能導致數據接收方和發送方在同一個時鐘沿作用．導致數據輸出失敗。

　　圖2是CPHA=0時的數據傳輸時序．它同時包含了CPOL=0和CPOL=1的情況，當CPOL=O時，要傳輸的數據在時鐘信號沒有延時且上升沿出發送，在時鐘信號下降沿處接收數據。當CPOL=1時，同樣在沒有延時的情況下傳輸，不同的是下降沿發送數據，上升沿接收。圖3是CPHA=1時數據傳輸時序。與圖2相似，但采樣時刻延遲了半個周期。

圖2 CPHA="0是SPI總線數據傳輸時序"

圖3 CPHA="1時SPI總線數據傳輸時序"

　　3 SPI硬件設計

　　寄存器在SPI中起著決定性的作用．無論是在微控制器接口，還是SPI控制接口，寄存器在數據傳輸和控制方面都是主要的組成部分。而寄存器最基本最重要的單元是觸發器．只有改善觸發器的結構，才能提高整個SPI接口的性能。

　　有的串行接口設計中采用B結構的觸發器設計，這些結構里應用的是一種簡單的MOS管做開關．雖然MOS管做開關有功耗低，占面積小的優點。但要提高它的電路工作頻率．開關速度，制作丁藝卻是越來越困難。而且如果輸入信號不強．就很可能出現信號倒流，這就需要一個較高電壓來控制開關。這也不利于數據傳輸和降低功耗等等。

　　為了解決由MOS管做開關時引起的種種難題．來實現在TMS320LF2407串行接口中的信息傳遞的高速率。本設計綜合考慮速度、工作電壓、噪聲容限等因素的影響．采用了一種新穎的觸發器結構(圖4A部分)，本文接口電路中大都采用了該觸發器的電路設計，工作電壓降低到3.3V，大大降低了整體功耗；在開關方面采用了三態門，有效的防止了信號倒流，實現了信號傳輸的穩定；添加了一個反饋信號，在需要的時候．能夠把所需反饋信號再次輸入；同時加快r開關速率，帶負載的能力也增強。

圖4 A、B兩種觸發器比較

　　4 RTL級設計

　　隨著數字系統設計的復雜性不斷增加，在設計初期指定有效的設計策略對于整個設計是至關重要的。行為描述方式是對系統數學模型的描述。它包括RTL、算法級、系統級的描述。RTL是指通過描述寄存器之間數據流動來描述數字電路系統，是一個數據流的概念．寄存器與寄存器之間的數據處理由組合邏輯完成。RTL級是Verilog較高抽象層次，在這個抽象層次上，模塊可以根據設計的算法來實現．而不用考慮具體的實現細節。

　　4．1寄存器整體電路設計

　　下面是部分Verilog HDL源代碼．描述了數據傳輸時相關寄存器的功能設置：先是對復位時各個寄存器的初始值，接下來是對寄存器進行功能設計．和數據傳輸時候產生的中斷使能和標志位的設計。

　　4．2整體時序仿真

　　將上述Verilog代碼編譯，再寫上對應測試代碼進行驗證。圖5是寄存器的寫操作的整體時序仿真波形圖．驗證了上述代碼正確可行。

圖5寫操作整體時序仿真

　　5 結論

　　本文作者的創新點是改進了硬件觸發器的結構．用三態門和傳輸門取代那種單一MOS管的結構。首次應用到TMS320LF2407芯片串行外設接口上，降低工作電壓到3.3V，加快數據傳輸，而且還有相應的反饋信號，進一步完善了觸發器結構。同時有很好的可移植性好。具有充分的可裁剪性，本設計運行可靠，達到預期的效果。