嵌入式电网分析仪中双CPU间的通信

1 引言
    在我国目前电力紧缺的形势下，监控电力以确保安全用电非常重要。对电网分析仪的研究和改造一直是当前研究的热点。如果电网分析仪采用一个DSP,既采样计算电网参数，又负责控制部分的运转，由于在实际应用中要求DSP处理的信息可能很多，工作量很大，这样将会影响分析仪的处理速度，降低其工作效率。因此，这里提出一种新一代的电网分析仪，采用DSP和AVR单片机构成双CPU处理器平台,并充分利用DSP处理大容量数据和复杂算法的能力．以及单片机接口的控制能力。ATmegal28单片机负责外围电路控制，包括开关量输出报警与控制、监测输入开关量、模拟量的输出、与上位机的通信以及计时和存储参数，参数是由TMS320F2812 DSP采样计算获得，计算完成后,DSP将数据传送给AVR单片机，而监测的参数也由用户预先设置后再经DSP传输。

2 SPI通信
    根据系统设计需求，DSP和AVR单片机之间需SPI接口数据总线实现数据传输。SPI是一种串行总线的外设接口．只需4根总线就可与外设相连，而且SPI是一种真正的同步方式，两台设备在同一个时钟下工作嘲。正是由于SPI通信占用的接口线少，通信效率高，并且这两款：DSP与AVR单片机都支持SPI接口，因而SPI通信是目前一种较好的设计方案。
    由于DSP与AVR单片机的数据寄存器都是移位寄存器，当有数据从一个寄存器移出时，则另一端有数据移入．当移完8位，一次SPI通信结束。不同的是ATmegal28在通信过程中接收和发送的数据始终在一个寄存器SPDR中,因此才有同时收发。而DSP的收发寄存器是分开的，发送数据用SPITXBUF，接收数据用SPIRXBUF,8位的数据从AVR的SPDR移入DSP的SPIRXBUF，同时DSP的SPITXBUF又向AVR的SPDR移入数据，SPDR每移出1位，其本身也移进1位，相应DSP中的SPIRXBUF移入1位。SPITXBUF移出1位，从而完成16位环形移位。DSP与AVR的SPI连接如图1所示，其中XXXX为片选信号，低电平有效。

3 器件选型
3．1 TMS320F2812简介
    TMS320F281x系列DSP是TI公司推出的数字信号处理器，该系列处理器是基于TMS320C2xx内核的定点数字信号处理器，内部集成有多种先进的外设，为电机及其他运动控制应用实现提供良好平台。TMS320F2812的150 MI／s的处理速度可满足快速的处理大量数据和算法的要求。
    TMS320F2812具有丰富的外设模块：128 K的Flash程序存储器．多达128 K的ROM，2个事件管理器模块，具有看门狗定时器模块(WDT)、串行通信接口(SCI)、串行外设接口(SPI)，外设中断扩展模块支持45个外设中断。
3．2 ATmega128简介
    AVR单片机是8位,RISC结构的单片机。而ATmegal28属于AVR中配置最高的器件，可达16 MI／s／MHz的性能，其内部集成：128 K的Flash程序存储器，4 K的EEPROM和4 K的SRAM。2个串行通信接口(USART)，1个8位的TWI(I2C)总线接口,1个串行外设接口(SPI)，53个通用I／O端口，4个定时，计数器，因此足够满足该系统设计所需的控制功能。
3．3 74LVC4245简介
    由于TMS320F2812与ATmegal28的逻辑电平不同，TMS320F2812的逻辑高电平是3.3 V，而ATmegal28的逻辑高电平是5 V，需连接一个电平转换器，这里选用74LVC4245。74LVC4245是3．3 V和5 V两种电平连接时的电平转换器,提供了8路输入和8路输出。通过74LV4245的DIR引脚控制信号的传输方向，将其传输方向始终置为B到A，其OE引脚控制器件使能或处于隔离状态。

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4 系统硬件设计
    图2为系统硬件设计电路图。其中，SCK为时钟信号，用来为SPI提供时钟脉冲，SS为片选信号，当SS拉低时，SPI触发,DSP与AVR之间实现通信。MOSI是主出从入。对于主机来说，由MOSI引脚输出数据；对于从机来说，则是由MOSI引脚输入数据；而MISO则相反，是主人从出引脚，对于主机，是由MISO脚输人数据，对于从机，从MISO引脚输出数据。主机还可通过复位引脚在必要的条件下(如主机复位时)使从机复位。
    由于ATmegal28的MISO引脚是向外发送，与其他4个引脚不同，而74LVC4245方向是B到A，因此该引脚接法不同于其他引脚，需要通过一只分压电阻，并使用一个二极管将其电压箝位于3．3 V。

5 系统软件设计
5．1 通信协议
    两个设备实现通信，首先规定传输数据的协议。根据需求,主机应向从机发送计算数据以及配置信息，从机向主机发送报警状态以及应答，以告知发送方消息是否正确接收，如图3所示。

    DSP与AVR单片机之间的通信协议采用内部制定的SPI通信协议。表1列出了TMS320F2812与ATmegal28之间通信的3种数据格式，接收方以起始码辨别帧的类别。参数类型代表不同参数，如“0x01”表示设置时间。如：3D 01 0008 0A 0A 00 11 14 00 A2 FC，因为0x3D是“=”的ASCII码，则该帧表示一个数据帧，参数类型为0x01，可知这是一个设置时间的数据帧，最后2位是CRC校验码，中间剩余的序列"00 08 0A 0A 00 11 14 00"为参数，即时间，设置时间为08年10月10日17点20分O秒，使参数为4xN字节是为了保持与上一代产品相兼容，当从机接收后并校验正确后，将设置好时间并返回表示正确的应答帧。

5．2 SPI初始化
    TMS320F2812的初始化包括：配置I／O端口为具有SPI特殊功能的接口，选定主从机，数据传送模式、波特率和发送接收数据长度，所有设置都是通过设计相应的SPI控制寄存器实现。
    ATmegal28的初始化与TMS320F12812相似，不同的是，由于ATmegal28是从机，因此不用选择波特率，同时应该注意的是，数据传送模式应保持与主机一致。数据传送模式有4种,是由设置控制寄存器里的CPOL和CPHA来设定的，如表2所示。 [p]

    TMS320F2812的SPI通信未采用中断方式．因为它是主要发送者，当ATmegal28有数据发送来时，通过外部中断得知。ATmegal28是采用中断方式，当有数据发送来时，进入SPI中断,开始接收数据。
5．3 DSP的接收和发送
    以下为DSP接收数据的程序代码：

   
    其中．SpiaRegs．SPISTS．bit．INT_FLAG是接收完成标志位。当一个字节传送完毕后．SpiaRegs．SPISTS．bit．INT_FLAG置1．由于TMS320F2812的SPI数据寄存器是16位的，因此取低8位即为所接收的数据。
    以下为DSP的发送数据的程序代码：

    void DSP_Spi_Write_Byte(Uchar Byte_Out) //向SPI总线发送1个字节
    { Byte_Out=(Byte_Out<<8)&0xFF00；//发送时高8位有效while(SpiaRegs．SPISTS．bit．BUFFULL_FLAG=1)； //fFXBUF里有数据．还没被移走

    SpiaRegs．SPIT_XBUF=Byte_Out；
    }
    同理．当DSP发送数据时．首先判断缓存里的数据是否有被移走，一旦判断数据移走，马上将要发送的数据写入缓存。
5．4 AVR的发送和接收

    SPIF是发送完成标志，当SPDR里的数据发送完后，SPIF置1，此时可向SPDR写数据。注意AVR单片机向DSP发送数据前先向DSP发送一个中断信号。ATmegal28接收数据采用中断方式完成数据接收，中断程序的流程图如4所示。

6 注意事项
    (1)拉低片选信号SS后，需延时再发送数据。由于逻辑电平的不同,应在TMS320F2812与ATmegal28之间加电平转换器74LV4245，当主机将片选信号拉低后。由于74LVC4245的存在，两者不能立即工作，会产生一个延时,因此在软件编程中，需要加一个延时函数。一般来说延时1μs就足够了。
    (2)AVR往SPDR写数据时，SS被拉高。一般来说，两个MCU之间的数据传输不会只有1个字节。在设计中，当从机向主机发送数据时，当主机接收完第一个字节后，如果不将片选信号SS拉高．则会造成从机不能将数据写入寄存器内，主机也不能正确接收数据，这样造成数据丢失、错误。因此，每接收完一个字节主机都要将丙拉高．待从机写入数据后，再将SS拉低，这样数据才能够正确传输。

7 结语
    实验证明．SPI通信完成TMS320F2812与ATmegal28之间的通信完全满足系统需求。因为SPI时序简单，传输速度快，占用的接口线少，简化了系统设计。同时运用双CPU设计系统，增强了系统的实时处理能力，减轻主CPU负担，提高了产品的性能。