基于SPI的双DSP通信协议研究

【摘要】提出了改进型SPI（Serial Peripheral interface，串行设备接口）协议，在标准SPI协议的基础上，增加了SPI从机主动发起通信的功能，并能指示数据/指令传输，设计了可靠的“帧”格式，帧带有序号和CRC校验，具有完善的出错重传机制。基于该SPI接口协议，设计了TMS320DM642和TMS320C6747之间的SPI通信接口，给出了接口电路设计和工作流程，并应用到课题组设计的水声通信机中。

【关键词】SPI协议;双DSP通信;TMS320DM642;TMS320C6747

1.引言

在水声通信机的设计中，经常是由一个处理器进行唤醒检测、AGC（自动增益控制）、A/D（模拟-数字转换）、D/A（数字-模拟转换）等工作。另外一个处理器负责信号调制、解调、纠错编码/解码等复杂计算。在我们的水声通信机设计中，前端采用低功耗的TMS320C6747浮点DSP，进行数据预处理;后端采用高性能的TMS320DM642定点DSP，进行复杂计算。这就需要双DSP分工协作，共同完成系统整机的功能。不可避免的，将涉及到双DSP之间大量的指令和数据交互操作。我们希望采用灵活的架构，简洁的接口连线，简单的控制协议，实现高可靠和高效率的指令与数据双向传输，通过大量的实验，我们最终选择了SPI协议，并对典型的SPI协议进行了改进。典型的水声通信机的架构如图1所示。

图1 典型水声通信机的架构

在我们的设计中，“处理器A”选用了低功耗的TMS320C6747浮点DSP，“处理器B”选用了高性能的TMS320DM642定点DSP。在实际系统中，根据水声通信机的不同工作频段和运算能力要求，处理器A也可选择FPGA/CPLD或者低功耗单片机;处理器B也可选择不同运算能力的DSP、ARM或者FPGA。

2.SPI协议

SPI（Serial Peripheral Interface，串行设备接口）是Motorola公司于2000年提出的一种串行接口协议。该接口占用硬件资源少，通信协议简单，具有同步时钟，通信速率较高，分主设备和从设备，特别适合处理器与设备之间交换数据，在EEPROM（非易失存储器）、串行A/D（模拟-数字转换器）、串行D/A（数字-模拟转换器）、实时时钟等嵌入式系统中得到了广泛的应用。

SPI协议的原理很简单，它以主从方式工作，这种模式需要有一个主设备和一个或多个从设备。典型的SPI协议定义了4线接口，这也是所有基于SPI的设备共有的，分别是SIMO（从机输入、主机输出），SOMI（从机输出、主机输入），SCK（时钟）和CS（片选）。根据系统的不同需求，SPI接口也可以采用3线（数据单向传输）或5线等不同方式，以实现不同的功能。采用4线制SPI接口时，接口示意图如图2所示。

从图2可知，所有的控制信号均由SPI主设备提供，SPI从设备只能在被查询时才能与主设备建立通信。这种限制在处理器与设备通信时影响不大，但应用在双处理器对等双向通信时就有问题，作为从机的处理器无法主动发起通信，与主机交换数据。

在我们设计的水声通信机中，双DSP之间需要对等双向通信，无论哪一方都能发起通信，因此需要对典型的SPI通信协议进行修改，使得从机也能主动发起通信。这需要修改硬件接口设计，增加额外的信号线来实现。

SPI协议没有定义握手机制，在进行双向高速率的可靠通信时，需要从硬件和软件两方面设计握手机制。同时，SPI协议也没有定义“指令”和“数据”传输标识，需要由软件来解析。为了解决上述问题，我们对SPI通信接口进行了改进，主要包括硬件接口设计和软件协议设计两部分。

3.系统硬件接口设计

硬件接口方面，在标准4线SPI协议的基础上，增加ENAn、RSm和RSs三根控制线，分别代表从机请求主机通信、主机发给从机指令/数据指示、从机发给主机指令/数据指示。其控制思路如下：

当TMS320C6747（SPI主机）有指令/数据发给TMS320DM642（SPI从机）时，先设置RSm为某电平（约定高电平代表指令，低电平代表数据），然后发起通信，DM642的SPI模块配置位从动模式，其底层硬件逻辑将自动检测接收，并通知DM642进行后续接收/发送处理。

ENAn信号线平时为低电平，当DM642有指令/数据要传递给C6747时，先设置RSs电平（指示将指令/数据传输），然后设置ENAn信号线为高电平，C6747检测到ENAn信号线电平的变化时，主动发起与DM642的通信。

我们设计的改进型SPI接口示意图如图3所示，图3中左侧虚线框内的部分为TMS320DM642芯片内集成的McBSP0接口，配置为4线SPI从动工作模式;图3中右侧虚线框内的部分为TMS320C6747芯片内集成的SPI1接口，配置为4线SPI主控模式，其中SPI1_ENAn由GPIO引脚控制。

图2 典型的4线制SPI接口连接图

图3 TMS320DM642（SPI从）;TMS320C6747（SPI主）

经过如此改进之后，TMS320C6747（主机）和TMS320DM642（从机）之间能进行高速率的全双工数据与指令的交互。

4.系统软件设计

硬件接口设计为实现SPI高速率传输创造了通道，但难以保证数据传输的可靠性和有效性。为此，我们设计了SPI主机（TMS320C6747）和SPI从机（TMS320DM642）通信的软件协议。

为了能进行指令和大容量数据传输，并且易于对接收到的SPI数据进行实时解析，为“指令”和“数据”设计了不同的“帧”结构。

进行指令传输时，固定每个数据包的长度，由“0x55AA”指示一个指令帧的开始，之后跟着帧序号，每次成功传输一帧后，帧序号增1，接下来是本机在前次握手通信时收到的帧序号，方便对方据此判断前次指令是否被成功接收。

序号之后是20个指令字，最后是CRC校验字段，接收端对前23个字进行CRC校验，如果与接收到的CRC不同，则重新请求该指令序号;如果与接收到的CRC相同，则解析该指令。如果接收端收到的帧序号不连续，则表明两个序号之间的部分指令出错，根据需要可请求重发;如接收端收到的对方“已接收序号”和之前发送的不同，也能识别出通信出错。

在进行数据传输时，由“0x55A5”指示一个数据帧的开始，在帧序号之后是数据区的长度，接下来是数据区，最后是CRC校验。指令帧和数据帧的序号分别编号，与传输“指令帧”同样的机制，如果CRC出错也可以请求重传。连续的数据区便于接收端和发送端启用EDMA模式，极大提高传输大量数据的效率。

构建的“帧”结构如下表所示。

“指令”帧格式：

0x55AA 序号 已接收序号 指令1 指令2 …… 指令20 CRC

“数据”帧格式：

0x55A5 序号 数据长度 数据…… CRC

采用上述协议后，有效地保障了SPI主机和从机之间双向、可靠、高速、稳定的指令和数据传输。

5.结论

在我们设计的水声通信机中，采用了上述改进型SPI接口协议，TMS320C6747和TMS320DM642最小系统板之间以SPI接口进行板间连接，采用非屏蔽杜邦排线，长度大约10cm，实际测试表明，SPI时钟速率在8.6 MHz时可稳定进行指令和数据的全双工通信。由于通过SPI接口传输一个字节最少需要8个时钟，加上发送端准备数据、接收端解析并处理数据的开销等，实际测试能以800kB/s稳定通信。

参考文献

[1]http：//.cn/cn/lit/ds/symlink/tms320c6747.pdf

[2]http：//.cn/cn/lit/ds/symlink/tms320dm642.pdf

[3]张岩，马旭东，张云帆.ARM与DSP的SPI通信设计实现[J].工业控制计算机，2008，21（9）：56-57.

[4]高振，罗秋凤.SPI接口与CRC算法在双DSP数据通信中的应用[J].电子产品世界，2011（1-2）：46-48.

[5]梁德坚，刘玉琼.SPI总线数据远距离传输实现[J].电子测试，2009（1）：72-75.

[6]赵，张楚.多媒体处理器中的SPI接口设计[J].电子测量技术，2007（6）：126-129.

[7]任宇飞，张相，程乃平.一种透明传输的双向SPI接口的设计与实现[J].电视技术，2009，49（2）：51-54.

基金项目：福建省自然科学基金（项目编号：2013J01253）;中央高校基本科研业务费专项资金资助（项目编号：2010121062）;国家自然科学基金（项目编号：61301098）资助。

作者简介：

解永军（1978―），男，工程师，主要研究方向：单片机与嵌入式系统，水声通信技术。

许芳【通信作者】（1971―），女，高级工程师，主要研究方向：水声通信网络物理层技术，无线多载波通信技术，通信系统接收端信号处理技术。

王德清（1979―），男，助理教授，主要研究方向：水声通信，水声网络，智能电子系统。