DSP的SPI口和串行EEPROM在变频器中的应用分析

　　1 引言

　　变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。我们现在使用的变频器主要采用交-直-交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。

　　变频器的开发中我们选用TMS320F240芯片做主CPU，TMS320F240系列专为数字电机控制和其它控制应用系统而设计的16位定点数字信号处理器。它将数字信号处理的高速运算功能与面向电机的强大控制能力结合在一起，成为中低端变频器理想的主控芯片。变频器有几百甚至上千个参数，这些参数值都要求系统断电后不能丢失，在设计中我们选用非易失性存储器EEPROM保存数据。每次上电时，从EEPROM中读取上次参数的设定值，以保证变频器运行状态的连续性，同样每次断电时，也要保存变频器此次运行的参数设定情况，以便开机时读取。本文阐述了变频器开发中F240扩展EEPROM（X5168）的设计思路和实现过程。

　　2 对TMS320F240的串行外设接口（SPI）的说明

　　TMS320F240的串行外设接口（SPI）模块是一个高速同步串行输入/输出端口，它允许F240控制器和片外外设或其他控制器进行串行通信，在通信过程中，SPI能够以任意给定的传输速率对具有可编成长度（1-8位）的串行比特流进行收发。该模块也是一个8位外设，它直接挂在16位的片内外设总线上，因此，外设总线的高8位读写访问对该模块是没有意义的。

　　SPI模块的特性如下：

　　⑴ 4个外部引脚。SPISOM I为SPI从输出/主输入引脚；SPISIMO为SPI从输入/主输出引脚；SPISTE为SPI从发送使能引脚；SPICLK为SPI串行时钟引脚。

　　⑵ 两种工作方式，即主模式（Master）和从模式（Slave）。

　　⑶ 数据字长。1-8个数据位。

　　⑷ 可同时接收和发送数据，发送和接收操作可通过中断或查询方法来完成。

　　⑸ 波特率，l25种可编程的波特率，下列两个公式给出了计算SPI的波特率的方法：

　　① 当SPIBRR=3-127时，SPI波特率=系统时钟频率；

　　② 当SPIBRR=0、1、2时，SPI波特率=系统时钟频率/4;

　　⑹ 4种时钟方案，由时钟极性位和时钟相位位进行设置，包括：

　　① 无延时下降沿有效：串行外设接口在SPICLK 信号下降沿发送数据，而在SPICLK 信号上升沿接收数据；

　　② 有延时下降沿有效：串行外设接口在SPICLK 信号下降沿之前的半个周期时发送数据，而在SPICLK 信号下降沿接收数据；

　　③ 无延时上升沿有效：串行外设接口在SPICLK 信号上升沿发送数据，而在SPICLK 信号下降沿接收数据；

　　④ 有延时上升沿有效：串行外设接口在SPICLK 信号上升沿之前的半个周期时发送数据， 在SPICLK 信号上升沿接收数据。

　　3 对X5168的说明

　　DSP处理速度比较快，且本设计需要保存的数据量大，笔者选择了XICOR公司的带16Kb SPI EEPROM 的CPU监视器X5168。器件把四种常用的功能：上电复位、看门狗定时器、电源电压监控和块锁存保护的串行EEPROM 存储器集成在一个封装之内，这种组合降低了系统成本，减少了电路板空间，增加了可靠性。

　　器件的存储器部分是带有XICOR公司的块锁存保护的CMOS串行EEPROM 阵列，阵列的内部组织是x8位。利用XICOR专有的直接写入晶片，提供为100,000次擦写和少为100 年的数据保存期。

　　4 DSP与X5168的连接通信

　　4.1硬件设计

　　在变频器设计中DSP与X5168的硬件连接图如图1。

　　图1 TMS320F240与X5168连接原理图

　　串行外设接口（SPI）有两种工作模式：主模式和从模式，与X5168 连接时工作于主模式。从图中可看到，X5168通过四根线来完成与DSP的数据交换，DSP的SPISIMO、SPISOMI、SPICLK、SPISTE引脚分别连接X5168的SI（串行输入）、SO（串行输出）、SCK（串行时钟）、/CS（片选端），此时的F240控制器称为“主机”，这种情况下，SPI在SPICLK引脚上提供了整个串行通信网络所需的串行时钟；数据从SPISIMO引脚输出；并锁存从SPISOMI引脚输入的数据；SPIBRR寄存器决定了整个串行通信网络中数据发送和接收时的位传输率。

　　写入SPIDAT的数据启动了SPISIMO引脚上的数据发送，先发送有效位；同时，接收的数据通过SPISOMI引脚移入SPIDAT的有效位。当有一定数量的数据位通过SPIDAT移位时，产生下列事件：

　　① SPI INT FLAG置1

　　② SPIDAT的内容传送到SPIBUF

　　③ 如果SPI INT ENA也被置1，则产生中断请求

　　在主模式中，无论寄存器SPIPC1的位5（SPISTE FUNCTION）为何值，SPISTE引脚都将用作通用数字I/O引脚。在本设计中，引脚SPISTE用作从机SPI模块的片选引脚；在将主机数据传送到从机器件之前，应将从机器件片选引脚拉低电平，并且在传送完主机数据之后，重新将该引脚拉为高电平。

　　4.2软件设计

　　4.2.1 TMS320 F240的SPI初始化

　　上文介绍了F240的SPI模块的功能，配置寄存器串行外设接口工作于主模式，波特率设置为2MHz，初始化程序如下：

　　void SPIinitial（void）

　　｛ ＊SPICCR=0xc7; //复位SPI

　　＊SPICTL=0x06; //主模式，使能TALK,禁止SPI中断

　　＊SPISTS=0x00; //清中断标志

　　＊SPIBRR=0x04; //波特率设为SPICLK=SYSCLK/4+1=2MHz，SYSCLK=10MHz

　　＊SPIPC1=0x52; //SPISTE引脚配置成输出引脚，SPICLK被配置成串行时钟的输

　　//入或输出

　　＊SPIPC2=0x22; //SPISIMO,SPISOMI用作SPI输入输出

　　＊SPICCR=0x47; //上升沿发送，下降沿输入数据锁存，无时延，字符长度为8

　　｝

　　4.2.2 F240对X5168的读写程序

　　对EEPROM的读写是设计的重点，以下分别介绍：

　　① 读操作

　　a）。从EEPROM存储器阵列中读数据时，/CS 首先被拉低以选择器件，向器件传送8位读READ指令（00000011B），接着是16位地址（高位在前）。在读操作码和地址送出后，存储位于在所选地址的存储器中的数据在SO线上被移出，继续提供时钟脉冲可接着读出存储在位于下一个地址的存储器中的数据。每移出一个字节地址自动增加至下一个更高的地址，在达到地址时，地址计数器返回到地址$0000，允许读周期无限期地继续。将/CS拉高可终止读操作。参见读EEPROM阵列时序图2。

　　图2 读EEPROM阵列时序图

　　以下是读X5168子程序，其中RA_ADDR为存储读出数据的数组的首地址，EEP_ADDR为要读取数据在EEPROM阵列中的地址，N为要读取数据的个数

　　void READ_X5168（unsigned int ＊ RA_ADDR, unsigned int EEP_ADDR, unsigned int N）

　　｛ unsigned int I,readspibuf1,readspibuf2;

　　＊SPIPC1&=0xBF; /＊置低SPISTE引脚，从而选通X5168＊/

　　＊SPIDAT=READ; /＊发送X5168的写状态寄存器命令字＊/

　　while（（＊SPISTS&0x40）！=0x40）｛｝ /＊等待SPI写结束＊/

　　readspibuf=＊SPIBUF; /＊读SPIBUF寄存器，清除SPI INT FLAG 位＊/

　　＊SPIDAT=EEP_ADDR》8; /＊发送地址高八位＊/

　　while（（＊SPISTS&0x40）！=0x40）｛｝ /＊等待SPI写结束＊/

　　readspibuf=＊SPIBUF; /＊读SPIBUF寄存器，清除SPI INT FLAG 位＊/

　　＊SPIDAT=EEP_ADDR; /＊发送地址低八位＊/

　　while（（＊SPISTS&0x40）！=0x40）｛｝ /＊等待SPI写结束＊/

　　readspibuf=＊SPIBUF; /＊读SPIBUF寄存器，清除SPI INT FLAG 位＊/

　　for （I=0;I

　　｛ ＊SPIDAT=0; /＊发送伪数据＊/

　　while（（＊SPISTS&0x40）！=0x40）｛｝ /＊等待SPI读/写结束＊/

　　readspibuf1=＊SPIBUF; /＊读取高位字节＊/

　　readspibuf1=readspibuf1《8;

　　＊SPIDAT=0; /＊发送伪数据＊/

　　while（（＊SPISTS&0x40）！=0x40）｛｝ /＊等待SPI读/写结束＊/

　　readspibuf2=＊SPIBUF; /＊读取低位字节＊/

　　＊（RA_ADDR+I）=readspibuf1+readspibuf2;

　　｝

　　＊SPIPC1|=0x40; /＊置高SPISTE引脚，从而禁止X5168＊/

　　｝

　　b）。读状态寄存器时，首先要拉低/CS 线，以选中器件，接着发送8位的RDSR指令（00000101B），在RDSR操作码发出以后，状态寄存器的内容在SO线上被移出。参见读状态寄存器时序图3。

　　图3 读状态寄存器时序图

　　以下是读状态寄存器子程序：

　　unsigned int RSDR_X5168（void）

　　｛ unsigned int readspibuftrue;

　　＊SPIPC1&=0xBF; /＊置低SPISTE引脚，从而选通X5168＊/

　　＊SPIDAT=RDSR; /＊发送x5168的读状态寄存器命令字＊/

　　while（（＊SPISTS&0x40）！=0x40）｛｝ /＊等待SPI写结束＊/

　　readspibuftrue=＊SPIBUF; /＊读SPIBUF寄存器，清除SPI INT FLAG 位＊/

　　＊SPIDAT=0; /＊发送伪数据＊/

　　while（（＊SPISTS&0x40）！=0x40）｛｝ /＊等待SPI读/写结束＊/

　　readspibuftrue=＊SPIBUF; /＊读SPIBUF寄存器，读取状态寄存器＊/

　　return readspibuftrue;

　　｝

　　② 写操纵

　　a）。在试图向器件写进数据前必须首先通过发送WREN指令来设置写使能锁存WEL（见图4）。/CS 先被拉低，接着向器件输进WREN指令（00000110B）。在指令的所有的8位传送完后，/CS 必须被拉高。假如用户在发送完WREN指令后，没有将/CS 拉高而继续写操纵则该写操纵将被忽略。

　　图4 写使能时序图

　　串行EEPROMX5168写使能命令子程序如下：

　　void WREN_X5168（void） /＊写使能＊/

　　｛ ＊SPIPC1&=0xBF; /＊置低SPISTE引脚，从而选通X5168＊/

　　＊SPIDAT=WREN; /＊发送X5168的写使能命令字＊/

　　while（（＊SPISTS&0x40）！=0x40）｛｝ /＊等待SPI写结束＊/

　　readspibuf=＊SPIBUF; /＊读SPIBUF寄存器，清除SPI INT FLAG 位＊/

　　＊SPIPC1|=0x40; /＊置高SPISTE引脚，从而禁止X5168＊/

　　｝

　　b）。为了向EEPROM存储器阵列写进数据用户接着发送写WRITE 指令（00000010B），随着是16位地址和被写进的数据。任何不用的地址位都被指令为“0”，写操纵少要用32个时钟，/CS 必须为低并在该操纵期间一直保持为低。假如地址计数器达到一页的末端而时钟还在继续，时计数器将返回至该页的首地址，并覆盖任何之前已写进的数据。对于将完成的页面写操纵（字节或页面写）而言，在写进的一个数据的位0被同时输进后，/CS只能被拉高。假如它在其它任何时候被拉高则不能完成写操纵（见图5）。

　　图5 写EEPROM阵列时序图

　　以下是写EEPROM阵列子程序，RA_ADDR为存储要写数据数组的首地址，EEP_ADDR为要写进的EEPROM首地址，N要存储数据的个数。

　　void WRITE_X5168（unsigned int ＊ RA_ADDR, unsigned int EEP_ADDR, unsigned int N）

　　｛ unsigned int I;

　　WREN_X5168（）； /＊写使能＊/

　　＊SPIPC1&=0xBF; /＊置低SPISTE引脚，从而选通X5168＊/

　　＊SPIDAT=WRITE; /＊发送x5168的写状态寄存器命令字＊/

　　while（（＊SPISTS&0x40）！=0x40）｛｝ /＊等待SPI写结束＊/

　　readspibuf=＊SPIBUF; /＊读SPIBUF寄存器，清除SPI INT FLAG 位＊/

　　＊SPIDAT=EEP_ADDR》8; /＊先发送高位地址在发送低位地址＊/

　　while（（＊SPISTS&0x40）！=0x40）｛｝ /＊等待SPI写结束＊/

　　readspibuf=＊SPIBUF; /＊读SPIBUF寄存器，清除SPI INT FLAG 位＊/

　　＊SPIDAT=EEP_ADDR; /＊先发送高位地址在发送低位地址＊/

　　while（（＊SPISTS&0x40）！=0x40）｛｝ /＊等待SPI写结束＊/

　　readspibuf=＊SPIBUF; /＊读SPIBUF寄存器，清除SPI INT FLAG 位＊/

　　for （I=0;I

　　｛ ＊SPIDAT =＊（RA_ADDR+I）》8 ; /＊发送数据用数组传送，传送数据高八位＊/

　　while（（＊SPISTS&0x40）！=0x40）｛｝ /＊等待SPI写结束＊/

　　readspibuf=＊SPIBUF; /＊读SPIBUF寄存器，清除SPI INT FLAG 位＊/

　　＊SPIDAT =＊（RA_ADDR+I） ; /＊发送数据用数组传送，传送数据第八位＊/

　　while（（＊SPISTS&0x40）！=0x40）｛｝ /＊等待SPI写结束＊/

　　readspibuf=＊SPIBUF; /＊读SPIBUF寄存器，清除SPI INT FLAG 位＊/

　　｝

　　＊SPIPC1|=0x40; /＊置高SPISTE引脚，从而禁止X5168＊/

　　｝

　　c）。为向状态寄存器写数据，在WRSR指令（00000001B）之后应跟随被写进的数据（见图6），数据位0和位1必须为“0”。

　　图6 写状态寄存器时序图

　　以下是写状态寄存器子程序：

　　void WRSR_X5168（unsigned int COM） /＊写状态＊/

　　｛ WREN_X5168（）； /＊写使能＊/

　　＊SPIPC1&=0xBF; /＊置低SPISTE引脚，从而选通X5168＊/

　　＊SPIDAT=WRSR; /＊发送X5168的写状态寄存器命令字＊/

　　while（（＊SPISTS&0x40）！=0x40）｛｝ /＊等待SPI写结束＊/

　　readspibuf=＊SPIBUF; /＊读SPIBUF寄存器，清除SPI INT FLAG 位＊/

　　＊SPIDAT=COM; /＊STATUS_REG发送状态字＊/

　　while（（＊SPISTS&0x40）！=0x40）｛｝ /＊等待SPI写结束＊/

　　readspibuf=＊SPIBUF; /＊读SPISTS寄存器，清除SPI INT FLAG 位＊/

　　＊SPIPC1|=0x40; /＊置高SPISTE引脚，从而禁止X5168＊/

　　TIMEDEL（5）； /＊延时1us＊/

　　｝

　　以上子程序实现了DSP对X5168的读写功能，在主程序中调用这些子程序就可实现对X5168的操纵。

　　5 结束语

　　由于篇幅的原因，本文没有过多的讲述DSP的串行外设接口和X5168的各项特性，这些说明书上都有叙述且很具体。而是把重点放在了讲述DSP扩展EEPROM应用的软硬件设计，该设计已成功应用在笔者开发的变频器中，经过反复测试，运行可靠。