1 引言
    在我國(guó)目前電力緊缺的形勢(shì)下，監(jiān)控電力以確保安全用電非常重要。對(duì)電網(wǎng)分析儀的研究和改造一直是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。如果電網(wǎng)分析儀采用一個(gè)DSP,既采樣計(jì)算電網(wǎng)參數(shù)，又負(fù)責(zé)控制部分的運(yùn)轉(zhuǎn)，由于在實(shí)際應(yīng)用中要求DSP處理的信息可能很多，工作量很大，這樣將會(huì)影響分析儀的處理速度，降低其工作效率。因此，這里提出一種新一代的電網(wǎng)分析儀，采用DSP和AVR單片機(jī)構(gòu)成雙CPU處理器平臺(tái),并充分利用DSP處理大容量數(shù)據(jù)和復(fù)雜算法的能力．以及單片機(jī)接口的控制能力。ATmegal28單片機(jī)負(fù)責(zé)外圍電路控制，包括開(kāi)關(guān)量輸出報(bào)警與控制、監(jiān)測(cè)輸入開(kāi)關(guān)量、模擬量的輸出、與上位機(jī)的通信以及計(jì)時(shí)和存儲(chǔ)參數(shù)，參數(shù)是由TMS320F2812 DSP采樣計(jì)算獲得，計(jì)算完成后,DSP將數(shù)據(jù)傳送給AVR單片機(jī)，而監(jiān)測(cè)的參數(shù)也由用戶(hù)預(yù)先設(shè)置后再經(jīng)DSP傳輸。

2 SPI通信
    根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，DSP和AVR單片機(jī)之間需SPI接口數(shù)據(jù)總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。SPI是一種串行總線的外設(shè)接口．只需4根總線就可與外設(shè)相連，而且SPI是一種真正的同步方式，兩臺(tái)設(shè)備在同一個(gè)時(shí)鐘下工作嘲。正是由于SPI通信占用的接口線少，通信效率高，并且這兩款：DSP與AVR單片機(jī)都支持SPI接口，因而SPI通信是目前一種較好的設(shè)計(jì)方案。
    由于DSP與AVR單片機(jī)的數(shù)據(jù)寄存器都是移位寄存器，當(dāng)有數(shù)據(jù)從一個(gè)寄存器移出時(shí)，則另一端有數(shù)據(jù)移入．當(dāng)移完8位，一次SPI通信結(jié)束。不同的是ATmegal28在通信過(guò)程中接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)始終在一個(gè)寄存器SPDR中,因此才有同時(shí)收發(fā)。而DSP的收發(fā)寄存器是分開(kāi)的，發(fā)送數(shù)據(jù)用SPITXBUF，接收數(shù)據(jù)用SPIRXBUF,8位的數(shù)據(jù)從AVR的SPDR移入DSP的SPIRXBUF，同時(shí)DSP的SPITXBUF又向AVR的SPDR移入數(shù)據(jù)，SPDR每移出1位，其本身也移進(jìn)1位，相應(yīng)DSP中的SPIRXBUF移入1位。SPITXBUF移出1位，從而完成16位環(huán)形移位。DSP與AVR的SPI連接如圖1所示，其中XXXX為片選信號(hào)，低電平有效。

3 器件選型
3．1 TMS320F2812簡(jiǎn)介
    TMS320F281x系列DSP是TI公司推出的數(shù)字信號(hào)處理器，該系列處理器是基于TMS320C2xx內(nèi)核的定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，內(nèi)部集成有多種先進(jìn)的外設(shè)，為電機(jī)及其他運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用實(shí)現(xiàn)提供良好平臺(tái)。TMS320F2812的150 MI／s的處理速度可滿(mǎn)足快速的處理大量數(shù)據(jù)和算法的要求。
    TMS320F2812具有豐富的外設(shè)模塊：128 K的Flash程序存儲(chǔ)器．多達(dá)128 K的ROM，2個(gè)事件管理器模塊，具有看門(mén)狗定時(shí)器模塊(WDT)、串行通信接口(SCI)、串行外設(shè)接口(SPI)，外設(shè)中斷擴(kuò)展模塊支持45個(gè)外設(shè)中斷。
3．2 ATmega128簡(jiǎn)介
    AVR單片機(jī)是8位,RISC結(jié)構(gòu)的單片機(jī)。而ATmegal28屬于AVR中配置最高的器件，可達(dá)16 MI／s／MHz的性能，其內(nèi)部集成：128 K的Flash程序存儲(chǔ)器，4 K的EEPROM和4 K的SRAM。2個(gè)串行通信接口(USART)，1個(gè)8位的TWI(I2C)總線接口,1個(gè)串行外設(shè)接口(SPI)，53個(gè)通用I／O端口，4個(gè)定時(shí)，計(jì)數(shù)器，因此足夠滿(mǎn)足該系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需的控制功能。
3．3 74LVC4245簡(jiǎn)介
    由于TMS320F2812與ATmegal28的邏輯電平不同，TMS320F2812的邏輯高電平是3.3 V，而ATmegal28的邏輯高電平是5 V，需連接一個(gè)電平轉(zhuǎn)換器，這里選用74LVC4245。74LVC4245是3．3 V和5 V兩種電平連接時(shí)的電平轉(zhuǎn)換器,提供了8路輸入和8路輸出。通過(guò)74LV4245的DIR引腳控制信號(hào)的傳輸方向，將其傳輸方向始終置為B到A，其OE引腳控制器件使能或處于隔離狀態(tài)。

[!--empirenews.page--]
4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    圖2為系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)電路圖。其中，SCK為時(shí)鐘信號(hào)，用來(lái)為SPI提供時(shí)鐘脈沖，SS為片選信號(hào)，當(dāng)SS拉低時(shí)，SPI觸發(fā),DSP與AVR之間實(shí)現(xiàn)通信。MOSI是主出從入。對(duì)于主機(jī)來(lái)說(shuō)，由MOSI引腳輸出數(shù)據(jù)；對(duì)于從機(jī)來(lái)說(shuō)，則是由MOSI引腳輸入數(shù)據(jù)；而MISO則相反，是主人從出引腳，對(duì)于主機(jī)，是由MISO腳輸人數(shù)據(jù)，對(duì)于從機(jī)，從MISO引腳輸出數(shù)據(jù)。主機(jī)還可通過(guò)復(fù)位引腳在必要的條件下(如主機(jī)復(fù)位時(shí))使從機(jī)復(fù)位。
    由于ATmegal28的MISO引腳是向外發(fā)送，與其他4個(gè)引腳不同，而74LVC4245方向是B到A，因此該引腳接法不同于其他引腳，需要通過(guò)一只分壓電阻，并使用一個(gè)二極管將其電壓箝位于3．3 V。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
5．1 通信協(xié)議
    兩個(gè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)通信，首先規(guī)定傳輸數(shù)據(jù)的協(xié)議。根據(jù)需求,主機(jī)應(yīng)向從機(jī)發(fā)送計(jì)算數(shù)據(jù)以及配置信息，從機(jī)向主機(jī)發(fā)送報(bào)警狀態(tài)以及應(yīng)答，以告知發(fā)送方消息是否正確接收，如圖3所示。

    DSP與AVR單片機(jī)之間的通信協(xié)議采用內(nèi)部制定的SPI通信協(xié)議。表1列出了TMS320F2812與ATmegal28之間通信的3種數(shù)據(jù)格式，接收方以起始碼辨別幀的類(lèi)別。參數(shù)類(lèi)型代表不同參數(shù)，如“0x01”表示設(shè)置時(shí)間。如：3D 01 0008 0A 0A 00 11 14 00 A2 FC，因?yàn)?x3D是“=”的ASCII碼，則該幀表示一個(gè)數(shù)據(jù)幀，參數(shù)類(lèi)型為0x01，可知這是一個(gè)設(shè)置時(shí)間的數(shù)據(jù)幀，最后2位是CRC校驗(yàn)碼，中間剩余的序列"00 08 0A 0A 00 11 14 00"為參數(shù)，即時(shí)間，設(shè)置時(shí)間為08年10月10日17點(diǎn)20分O秒，使參數(shù)為4xN字節(jié)是為了保持與上一代產(chǎn)品相兼容，當(dāng)從機(jī)接收后并校驗(yàn)正確后，將設(shè)置好時(shí)間并返回表示正確的應(yīng)答幀。

5．2 SPI初始化
    TMS320F2812的初始化包括：配置I／O端口為具有SPI特殊功能的接口，選定主從機(jī)，數(shù)據(jù)傳送模式、波特率和發(fā)送接收數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，所有設(shè)置都是通過(guò)設(shè)計(jì)相應(yīng)的SPI控制寄存器實(shí)現(xiàn)。
    ATmegal28的初始化與TMS320F12812相似，不同的是，由于ATmegal28是從機(jī)，因此不用選擇波特率，同時(shí)應(yīng)該注意的是，數(shù)據(jù)傳送模式應(yīng)保持與主機(jī)一致。數(shù)據(jù)傳送模式有4種,是由設(shè)置控制寄存器里的CPOL和CPHA來(lái)設(shè)定的，如表2所示。[!--empirenews.page--]

    TMS320F2812的SPI通信未采用中斷方式．因?yàn)樗侵饕l(fā)送者，當(dāng)ATmegal28有數(shù)據(jù)發(fā)送來(lái)時(shí)，通過(guò)外部中斷得知。ATmegal28是采用中斷方式，當(dāng)有數(shù)據(jù)發(fā)送來(lái)時(shí)，進(jìn)入SPI中斷,開(kāi)始接收數(shù)據(jù)。
5．3 DSP的接收和發(fā)送
    以下為DSP接收數(shù)據(jù)的程序代碼：

   
    其中．SpiaRegs．SPISTS．bit．INT_FLAG是接收完成標(biāo)志位。當(dāng)一個(gè)字節(jié)傳送完畢后．SpiaRegs．SPISTS．bit．INT_FLAG置1．由于TMS320F2812的SPI數(shù)據(jù)寄存器是16位的，因此取低8位即為所接收的數(shù)據(jù)。
    以下為DSP的發(fā)送數(shù)據(jù)的程序代碼：

    void DSP_Spi_Write_Byte(Uchar Byte_Out) //向SPI總線發(fā)送1個(gè)字節(jié)
    { Byte_Out=(Byte_Out<<8)&0xFF00；//發(fā)送時(shí)高8位有效while(SpiaRegs．SPISTS．bit．BUFFULL_FLAG=1)； //fFXBUF里有數(shù)據(jù)．還沒(méi)被移走

    SpiaRegs．SPIT_XBUF=Byte_Out；
    }
    同理．當(dāng)DSP發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)．首先判斷緩存里的數(shù)據(jù)是否有被移走，一旦判斷數(shù)據(jù)移走，馬上將要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫(xiě)入緩存。
5．4 AVR的發(fā)送和接收

    SPIF是發(fā)送完成標(biāo)志，當(dāng)SPDR里的數(shù)據(jù)發(fā)送完后，SPIF置1，此時(shí)可向SPDR寫(xiě)數(shù)據(jù)。注意AVR單片機(jī)向DSP發(fā)送數(shù)據(jù)前先向DSP發(fā)送一個(gè)中斷信號(hào)。ATmegal28接收數(shù)據(jù)采用中斷方式完成數(shù)據(jù)接收，中斷程序的流程圖如4所示。

6 注意事項(xiàng)
    (1)拉低片選信號(hào)SS后，需延時(shí)再發(fā)送數(shù)據(jù)。由于邏輯電平的不同,應(yīng)在TMS320F2812與ATmegal28之間加電平轉(zhuǎn)換器74LV4245，當(dāng)主機(jī)將片選信號(hào)拉低后。由于74LVC4245的存在，兩者不能立即工作，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)延時(shí),因此在軟件編程中，需要加一個(gè)延時(shí)函數(shù)。一般來(lái)說(shuō)延時(shí)1μs就足夠了。
    (2)AVR往SPDR寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)，SS被拉高。一般來(lái)說(shuō)，兩個(gè)MCU之間的數(shù)據(jù)傳輸不會(huì)只有1個(gè)字節(jié)。在設(shè)計(jì)中，當(dāng)從機(jī)向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，當(dāng)主機(jī)接收完第一個(gè)字節(jié)后，如果不將片選信號(hào)SS拉高．則會(huì)造成從機(jī)不能將數(shù)據(jù)寫(xiě)入寄存器內(nèi)，主機(jī)也不能正確接收數(shù)據(jù)，這樣造成數(shù)據(jù)丟失、錯(cuò)誤。因此，每接收完一個(gè)字節(jié)主機(jī)都要將丙拉高．待從機(jī)寫(xiě)入數(shù)據(jù)后，再將SS拉低，這樣數(shù)據(jù)才能夠正確傳輸。

7 結(jié)語(yǔ)
    實(shí)驗(yàn)證明．SPI通信完成TMS320F2812與ATmegal28之間的通信完全滿(mǎn)足系統(tǒng)需求。因?yàn)镾PI時(shí)序簡(jiǎn)單，傳輸速度快，占用的接口線少，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。同時(shí)運(yùn)用雙CPU設(shè)計(jì)系統(tǒng)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理能力，減輕主CPU負(fù)擔(dān)，提高了產(chǎn)品的性能。