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。

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。