高速DSP串行外設(shè)接口設(shè)計(jì)

　1 引言

　　DSP(數(shù)字信號(hào)處理)的優(yōu)勢(shì)除了處理復(fù)雜的運(yùn)算，特別適用于數(shù)字濾波、語(yǔ)音、視頻、圖象處理、通信以及高速實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng)中已成為現(xiàn)代信息處理技術(shù)的重要器件，極大地促進(jìn)了信號(hào)處理和測(cè)控各個(gè)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)研究、產(chǎn)品開發(fā)及應(yīng)用。TI公司TMS320LF2407是一種專用定點(diǎn)DSP芯片，與以往的產(chǎn)品相比．最大不同就是有豐富的外設(shè)．像SCI、SPI、EV等等．在處理數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)上添加了事務(wù)管理能力。

　　其中串行外設(shè)接口(Serial Peripheral Interface)是Motorola公司提出的一種同步串行外圍接口協(xié)議．主要應(yīng)用在EEPROM、FLASH、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、AD轉(zhuǎn)換器．還有數(shù)字處理和數(shù)字解碼器之間。包括主/從2種模式，具有I/O資源占用少、協(xié)議實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、傳輸速度快、能夠同時(shí)收發(fā)信息、支持絕大部分處理器芯片等優(yōu)點(diǎn)，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(jié)約了芯片的管腳．同時(shí)為PCB的布局上節(jié)約了空間，提供了方便，正是出于這種簡(jiǎn)單易用的特性，TMS320LF2407芯片也集成了這種通信協(xié)議。

　　2 SPI接口結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)原理

　　2．1 SPI接口結(jié)構(gòu)

　　該SPI設(shè)計(jì)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(shù)據(jù)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(yùn)用軟件編程與設(shè)置，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展具有SPI接口的外部設(shè)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(hào)來啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳送。對(duì)主控制器和從控制器．?dāng)?shù)據(jù)都是在SPICLK的一個(gè)邊沿移出移位寄存器，并在相對(duì)的另一個(gè)邊沿鎖存到移位寄存器。如果CLOCK PHASE位是1．?dāng)?shù)據(jù)的發(fā)送和傳輸就要在SPICLK跳變之前的半個(gè)周期發(fā)生。主控制器可以在任一時(shí)刻啟動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送．因?yàn)樗刂浦鳶PICLK信號(hào)。由軟件決定了主控制器如何檢測(cè)從控制器何時(shí)準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)，以啟動(dòng)SPI傳送數(shù)據(jù)。

圖1 SPI內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　2．2 SPI設(shè)計(jì)原理

　　SPI接口是同步串行總線的一種，在同步時(shí)鐘信號(hào)SCK下，能夠高速、可靠的傳送數(shù)據(jù)。它分為主從(MASTER/SLAVER)兩種傳輸模式。主模式下的發(fā)送總線即是從模式的接收總線：與之對(duì)應(yīng)的是從模式下的發(fā)送總線即是主模式的接收總線。它們可以同時(shí)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)．而且發(fā)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(shí)鐘

　　時(shí)鐘極性CPOL和時(shí)鐘相位CPHA控制著時(shí)鐘信號(hào)引腳上4中不同的時(shí)鐘方式。在設(shè)備被使能激活后．還未進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)或兩個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)間歇期間，SCK處于空閑電平，通過時(shí)鐘極性控制位可以選擇此空閑電平的電平時(shí)0還是1：時(shí)鐘相位控制位用來選擇數(shù)據(jù)接收端設(shè)備的采樣時(shí)刻。在該采樣時(shí)刻，線上數(shù)據(jù)必須同時(shí)滿足建立時(shí)間和保持時(shí)間兩個(gè)參數(shù)，因此數(shù)據(jù)發(fā)送端設(shè)備應(yīng)提前將數(shù)據(jù)移出到數(shù)據(jù)線上。

　　4種不同的時(shí)鐘方式能根據(jù)外設(shè)需要，能夠提供相對(duì)應(yīng)的傳輸協(xié)議來完成數(shù)據(jù)的傳輸工作。它們之間沒有優(yōu)先級(jí)．SPI線上的主從設(shè)備必須根據(jù)具體情況設(shè)置匹配的傳輸時(shí)序模式．時(shí)序只有匹配擻據(jù)傳輸才能正常進(jìn)行。如果設(shè)置的不匹配．可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)接收方和發(fā)送方在同一個(gè)時(shí)鐘沿作用．導(dǎo)致數(shù)據(jù)輸出失敗。

　　圖2是CPHA=0時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序．它同時(shí)包含了CPOL=0和CPOL=1的情況，當(dāng)CPOL=O時(shí)，要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)在時(shí)鐘信號(hào)沒有延時(shí)且上升沿出發(fā)送，在時(shí)鐘信號(hào)下降沿處接收數(shù)據(jù)。當(dāng)CPOL=1時(shí)，同樣在沒有延時(shí)的情況下傳輸，不同的是下降沿發(fā)送數(shù)據(jù)，上升沿接收。圖3是CPHA=1時(shí)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序。與圖2相似，但采樣時(shí)刻延遲了半個(gè)周期。

圖2 CPHA="0是SPI總線數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序"

圖3 CPHA="1時(shí)SPI總線數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序"

　　3 SPI硬件設(shè)計(jì)

　　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(shù)據(jù)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(fā)器．只有改善觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)，才能提高整個(gè)SPI接口的性能。

　　有的串行接口設(shè)計(jì)中采用B結(jié)構(gòu)的觸發(fā)器設(shè)計(jì)，這些結(jié)構(gòu)里應(yīng)用的是一種簡(jiǎn)單的MOS管做開關(guān)．雖然MOS管做開關(guān)有功耗低，占面積小的優(yōu)點(diǎn)。但要提高它的電路工作頻率．開關(guān)速度，制作丁藝卻是越來越困難。而且如果輸入信號(hào)不強(qiáng)．就很可能出現(xiàn)信號(hào)倒流，這就需要一個(gè)較高電壓來控制開關(guān)。這也不利于數(shù)據(jù)傳輸和降低功耗等等。

　　為了解決由MOS管做開關(guān)時(shí)引起的種種難題．來實(shí)現(xiàn)在TMS320LF2407串行接口中的信息傳遞的高速率。本設(shè)計(jì)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(fā)器結(jié)構(gòu)(圖4A部分)，本文接口電路中大都采用了該觸發(fā)器的電路設(shè)計(jì)，工作電壓降低到3.3V，大大降低了整體功耗；在開關(guān)方面采用了三態(tài)門，有效的防止了信號(hào)倒流，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定；添加了一個(gè)反饋信號(hào)，在需要的時(shí)候．能夠把所需反饋信號(hào)再次輸入；同時(shí)加快r開關(guān)速率，帶負(fù)載的能力也增強(qiáng)。

圖4 A、B兩種觸發(fā)器比較

　　4 RTL級(jí)設(shè)計(jì)

　　隨著數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性不斷增加，在設(shè)計(jì)初期指定有效的設(shè)計(jì)策略對(duì)于整個(gè)設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。行為描述方式是對(duì)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的描述。它包括RTL、算法級(jí)、系統(tǒng)級(jí)的描述。RTL是指通過描述寄存器之間數(shù)據(jù)流動(dòng)來描述數(shù)字電路系統(tǒng)，是一個(gè)數(shù)據(jù)流的概念．寄存器與寄存器之間的數(shù)據(jù)處理由組合邏輯完成。RTL級(jí)是Verilog較高抽象層次，在這個(gè)抽象層次上，模塊可以根據(jù)設(shè)計(jì)的算法來實(shí)現(xiàn)．而不用考慮具體的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。

　　4．1寄存器整體電路設(shè)計(jì)

　　下面是部分Verilog HDL源代碼．描述了數(shù)據(jù)傳輸時(shí)相關(guān)寄存器的功能設(shè)置：先是對(duì)復(fù)位時(shí)各個(gè)寄存器的初始值，接下來是對(duì)寄存器進(jìn)行功能設(shè)計(jì)．和數(shù)據(jù)傳輸時(shí)候產(chǎn)生的中斷使能和標(biāo)志位的設(shè)計(jì)。

　　4．2整體時(shí)序仿真

　　將上述Verilog代碼編譯，再寫上對(duì)應(yīng)測(cè)試代碼進(jìn)行驗(yàn)證。圖5是寄存器的寫操作的整體時(shí)序仿真波形圖．驗(yàn)證了上述代碼正確可行。

圖5寫操作整體時(shí)序仿真

　　5 結(jié)論

　　本文作者的創(chuàng)新點(diǎn)是改進(jìn)了硬件觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)．用三態(tài)門和傳輸門取代那種單一MOS管的結(jié)構(gòu)。首次應(yīng)用到TMS320LF2407芯片串行外設(shè)接口上，降低工作電壓到3.3V，加快數(shù)據(jù)傳輸，而且還有相應(yīng)的反饋信號(hào)，進(jìn)一步完善了觸發(fā)器結(jié)構(gòu)。同時(shí)有很好的可移植性好。具有充分的可裁剪性，本設(shè)計(jì)運(yùn)行可靠，達(dá)到預(yù)期的效果。