工作筆記——CPLD與MCU通過SPI通訊

zzssdd2發表於2020-12-12
筆記

一、需求描述

  • MCU需要接收來自CPLD的升級韌體資料
  • CPLD對MCU只進行傳送資料，不接收MCU的資料
  • CPLD無法告知資料傳輸的開始和結束，需要MCU自行判斷（CPLD只是資料透傳，不做資料判斷）
  • 資料通訊速率至少是UART通訊的115200波特率
  • PCB上MCU與CPLD之間通過3個普通IO引腳連線

二、功能分析

  • MCU與CPLD之間有3根線，那麼可以選擇UART通訊或者SPI通訊方式。

  • 由於CPLD無法通知MCU資料傳輸的開始與結束，MCU需要自行判別，那麼MCU可以通過中斷方式來檢測資料傳輸的開始，通過超時來檢測資料傳輸的結束。

  • UART與SPI的區別在於前者是非同步通訊後者是同步通訊方式，不論是SPI還是UART方式都需要MCU通過IO模擬方式軟體實現。使用UART傳輸如果收發雙方產生的波特率存在偏差則會導致資料傳輸出錯，而同步傳輸方式有時鐘訊號的約束，相比非同步傳輸方式資料準確率會更高。如果使用軟體模擬UART，需要使用定時器作為波特率發生器。如果波特率比較高，那麼定時器中斷頻率就需要更高，這樣會影響整個MCU系統的實時性。綜合考慮後選擇SPI方式。

  • CPLD對MCU只傳送資料，那麼MCU只需要作為SPI的從機即可，三個IO分配為SPI的CS、CLK、DAT引腳。

  • 由於CS是低電平有效，那麼將CS引腳配置為中斷輸入方式，當CS中斷觸發後開始資料接收處理。因為CPLD也不知道資料傳輸什麼時候結束，所以無法通過將CS置高電平來告訴資料傳輸的結束，那麼CS置高電平只能表明一個位元組傳輸結束。MCU可以通過超時方式來判斷一包資料的結束，類似於串列埠的空閒中斷方式。

  • SPI資料接收在外部中斷中操作。將CLK引腳配置為外部中斷的上升沿觸發，CS有效的情況下CLK中斷觸發後進行資料接收。

  • SPI空閒中斷採用100us週期定時器判斷。為了MCU系統的實時性，只有CS中斷觸發後才會開啟定時器，超時判斷完成後關閉定時器。

  • CPLD向MCU傳送一位元組的時序圖如下（速率：200KBit/s）：

三、軟體實現

GPIO的配置：無資料CLK為低電平，CS低有效。CS上升沿、下降沿都會觸發中斷，判斷1位元組傳輸的起始與結束；CLK上升沿觸發中斷，資料在CLK上升沿取樣

/*
***********************************************************************************************
*	函	數: BSP_CPLD_GPIO_Init
*	描	述: 配置CPLD的SPI通訊引腳
*	輸	入: 無
*	輸	出: 無
***********************************************************************************************
*/
void BSP_CPLD_GPIO_Init(void)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

	/* GPIO Ports Clock Enable */
	CPLD_PIN_CLK_ENABLE();

	/*Configure GPIO pin : PtPin */
	GPIO_InitStruct.Pin 	= CPLD_SPI_CSN_PIN;
	GPIO_InitStruct.Mode 	= GPIO_MODE_IT_RISING_FALLING;
	GPIO_InitStruct.Pull 	= GPIO_PULLUP;
	HAL_GPIO_Init(CPLD_SPI_CSN_PORT, &GPIO_InitStruct);
	
	GPIO_InitStruct.Pin		= CPLD_SPI_SCK_PIN;
	GPIO_InitStruct.Mode	= GPIO_MODE_IT_RISING;
	GPIO_InitStruct.Pull 	= GPIO_PULLDOWN;
	HAL_GPIO_Init(CPLD_SPI_SCK_PORT, &GPIO_InitStruct);
	
	GPIO_InitStruct.Pin		= CPLD_SPI_DAT_PIN;
	GPIO_InitStruct.Pull	= GPIO_MODE_INPUT;
	GPIO_InitStruct.Pull 	= GPIO_NOPULL;
	HAL_GPIO_Init(CPLD_SPI_DAT_PORT, &GPIO_InitStruct);
}

CPLD_SPI_CS外部中斷函式：用於使能資料接收、空閒檢測

/*
***********************************************************************************************
*	函	數: CPLD_CS_EXTI_IRQHandler
*	描	述: CPLD_SPI_CS中斷函式
*	輸	入: 無
*	輸	出: 無
***********************************************************************************************
*/
void CPLD_CS_EXTI_IRQHandler(void)
{
	if (__HAL_GPIO_EXTI_GET_IT(CPLD_SPI_CSN_PIN))
	{
		if (READ_BIT(CPLD_SPI_CSN_PORT->IDR, CPLD_SPI_CSN_PIN))
		{
			/* CS高失能SPI資料接收 */
			CLEAR_BIT(g_tCpldSpi.ucState, CPLD_FLAG_CSN);
		}
		else
		{
			/* CS低使能SPI資料接收 */
			s_tCpldSpi.ucByte = 0;
			s_tCpldSpi.ucBitCount = 0;
			SET_BIT(g_tCpldSpi.ucState, CPLD_FLAG_CSN);
			
			/* 開啟空閒檢測 */
			if (0 == s_tCpldSpi.ucIdleCheck)
			{
				s_tCpldSpi.ucIdleCheck = 1;
				HAL_TIM_Base_Start_IT(&Tim7Handle);
			}
		}
		__HAL_GPIO_EXTI_CLEAR_IT(CPLD_SPI_CSN_PIN);
	}
}

CPLD_SPI_SCK外部中斷函式：用於SPI資料的接收

/*
***********************************************************************************************
*	函	數: CPLD_SCK_EXTI_IRQHandler
*	描	述: CPLD_SPI_SCK中斷函式
*	輸	入: 無
*	輸	出: 無
***********************************************************************************************
*/
void CPLD_SCK_EXTI_IRQHandler(void)
{
	if (__HAL_GPIO_EXTI_GET_IT(CPLD_SPI_SCK_PIN))
	{
		/* CSN有效則進行資料接收 */
		if (READ_BIT(g_tCpldSpi.ucState, CPLD_FLAG_CSN))
		{
			if (READ_BIT(CPLD_SPI_DAT_PORT->IDR, CPLD_SPI_DAT_PIN))
			{
				s_tCpldSpi.ucByte |= (0x80 >> s_tCpldSpi.ucBitCount);
			}
			else
			{
				s_tCpldSpi.ucByte &= ~(0x80 >> s_tCpldSpi.ucBitCount);
			}
			/* 收滿一位元組後存向接收FIFO */	
			if (++s_tCpldSpi.ucBitCount > 7)
			{
				g_tCpldSpi.ucaRxBuf[g_tCpldSpi.usRxWrite] = s_tCpldSpi.ucByte;
				if (++g_tCpldSpi.usRxWrite >= 1024)
				{
					g_tCpldSpi.usRxWrite = 0;
				}
				if (g_tCpldSpi.usRxCount < CPLD_SPI_RX_BUF_LEN)
				{
					g_tCpldSpi.usRxCount++;
				}
				/* SPI收到新資料，設定一個標記，供應用程式查詢 */
				SET_BIT(g_tCpldSpi.ucState, CPLD_FLAG_RXNE);
			}
		}
		__HAL_GPIO_EXTI_CLEAR_IT(CPLD_SPI_SCK_PIN);
	}
}

定時器中斷函式：判斷CPLD_SPI空閒中斷的發生

/*
***********************************************************************************************
*	函	數: TIM7_IRQHandler
*	描	述: 定時器7中斷函式，100us中斷週期
*	輸	入: 無
*	輸	出: 無
***********************************************************************************************
*/
void TIM7_IRQHandler(void)
{	
	static uint16_t t100us_cnt = 0;
		
	if (__HAL_TIM_GET_FLAG(&Tim7Handle, TIM_FLAG_UPDATE) &&
        __HAL_TIM_GET_IT_SOURCE(&Tim7Handle, TIM_IT_UPDATE))
	{
        /* CPLD-SPI空閒檢測，1ms */
        if (READ_BIT(g_tCpldSpi.ucState, CPLD_FLAG_CSN))
        {
            t100us_cnt = 0;
        }
        else
        {
            t100us_cnt++;
        }

        if (t100us_cnt > 10)
        {
            /* SPI收到一幀資料，設定一個標記，供應用程式查詢 */
            SET_BIT(g_tCpldSpi.ucState, CPLD_FLAG_IDLE);
#if ENABLE_RTOS
            tx_event_flags_set(&tx_event_flags, TX_EVENT_CPLD_SPI_IDLE, TX_OR);
#endif
            s_tCpldSpi.ucIdleCheck = 0;
            HAL_TIM_Base_Stop_IT(&Tim7Handle);
        }
        __HAL_TIM_CLEAR_IT(&Tim7Handle, TIM_IT_UPDATE);
	}
}

四、功能驗證

經多次傳送韌體資料驗證，MCU均能正常接收資料，並且沒有出現資料錯誤的情況，可用於該專案。

五、擴充

該方法也可以用於實現模擬UART功能，僅提供思路，未經過驗證（以115200,8-N-1為例）。

  • 將UART的接收引腳配置為上拉模式、下降沿觸發中斷（判斷起始位）。
  • 中斷第一次觸發後表明收到起始位，收到起始位後開啟定時器中斷（如果波特率為115200，那麼中斷週期應小於8.6us，如果每Bit資料需要多次取樣，則需要更短的中斷週期）。
  • 每中斷一次判斷一次資料引腳，資料收滿10Bit後判斷是否為停止位，若資料接收正確則存入接收FIFO。
  • 在收到起始位後開始計時，1ms內沒有再次收到起始位則認為收到一幀資料，產生軟空閒中斷，然後關閉定時器。

使用該UART方式優勢在於比SPI方式使用更少的引腳，只需要1個IO即可完成通訊。缺點在於如果要求通訊速率高或需要多次取樣，那麼產生波特率的定時器中斷頻率高，如果被其他更高優先順序中斷打斷可能造成波特率不準，資料錯誤。還有就是UART方式在資料通訊速率上沒有SPI有優勢。不到萬不得已不建議使用軟體UART方式。

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