工做筆記——CPLD與MCU經過SPI通訊

1、需求描述

• MCU須要接收來自CPLD的升級固件數據
• CPLD對MCU只進行發送數據，不接收MCU的數據
• CPLD沒法告知數據傳輸的開始和結束，須要MCU自行判斷（CPLD只是數據透傳，不作數據判斷）
• 數據通訊速率至少是UART通訊的115200波特率
• PCB上MCU與CPLD之間經過3個普通IO引腳鏈接

2、功能分析

• MCU與CPLD之間有3根線，那麼能夠選擇UART通訊或者SPI通訊方式。

• 因爲CPLD沒法通知MCU數據傳輸的開始與結束，MCU須要自行判別，那麼MCU能夠經過中斷方式來檢測數據傳輸的開始，經過超時來檢測數據傳輸的結束。

• UART與SPI的區別在於前者是異步通訊後者是同步通訊方式，不管是SPI仍是UART方式都須要MCU經過IO模擬方式軟件實現。使用UART傳輸若是收發雙方產生的波特率存在誤差則會致使數據傳輸出錯，而同步傳輸方式有時鐘信號的約束，相比異步傳輸方式數據準確率會更高。若是使用軟件模擬UART，須要使用定時器做爲波特率發生器。若是波特率比較高，那麼定時器中斷頻率就須要更高，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只發送數據，那麼MCU只須要做爲SPI的從機便可，三個IO分配爲SPI的CS、CLK、DAT引腳。

• 因爲CS是低電平有效，那麼將CS引腳配置爲中斷輸入方式，當CS中斷觸發後開始數據接收處理。由於CPLD也不知道數據傳輸何時結束，因此沒法經過將CS置高電平來告訴數據傳輸的結束，那麼CS置高電平只能代表一個字節傳輸結束。MCU能夠經過超時方式來判斷一包數據的結束，相似於串口的空閒中斷方式。

• SPI數據接收在外部中斷中操做。將CLK引腳配置爲外部中斷的上升沿觸發，CS有效的狀況下CLK中斷觸發後進行數據接收。

• SPI空閒中斷採用100us週期定時器判斷。爲了MCU系統的實時性，只有CS中斷觸發後纔會開啓定時器，超時判斷完成後關閉定時器。

• CPLD向MCU發送一字節的時序圖以下（速率：200KBit/s）：

3、軟件實現

GPIO的配置：無數據CLK爲低電平，CS低有效。CS上升沿、降低沿都會觸發中斷，判斷1字節傳輸的起始與結束；CLK上升沿觸發中斷，數據在CLK上升沿採樣

/*
***********************************************************************************************
*	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外部中斷函數：用於使能數據接收、空閒檢測

/*
***********************************************************************************************
*	函	數: CPLD_CS_EXTI_IRQHandler
*	描	述: CPLD_SPI_CS中斷函數
*	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數據接收 */
			CLEAR_BIT(g_tCpldSpi.ucState, CPLD_FLAG_CSN);
		}
		else
		{
			/* CS低使能SPI數據接收 */
			s_tCpldSpi.ucByte = 0;
			s_tCpldSpi.ucBitCount = 0;
			SET_BIT(g_tCpldSpi.ucState, CPLD_FLAG_CSN);
			
			/* 開啓空閒檢測 */
			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外部中斷函數：用於SPI數據的接收

/*
***********************************************************************************************
*	函	數: CPLD_SCK_EXTI_IRQHandler
*	描	述: CPLD_SPI_SCK中斷函數
*	輸	入: 無
*	輸	出: 無
***********************************************************************************************
*/
void CPLD_SCK_EXTI_IRQHandler(void)
{
	if (__HAL_GPIO_EXTI_GET_IT(CPLD_SPI_SCK_PIN))
	{
		/* CSN有效則進行數據接收 */
		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);
			}
			/* 收滿一字節後存向接收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收到新數據，設置一個標記，供應用程序查詢 */
				SET_BIT(g_tCpldSpi.ucState, CPLD_FLAG_RXNE);
			}
		}
		__HAL_GPIO_EXTI_CLEAR_IT(CPLD_SPI_SCK_PIN);
	}
}

定時器中斷函數：判斷CPLD_SPI空閒中斷的發生

/*
***********************************************************************************************
*	函	數: TIM7_IRQHandler
*	描	述: 定時器7中斷函數，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收到一幀數據，設置一個標記，供應用程序查詢 */
            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);
	}
}

4、功能驗證

經屢次發送固件數據驗證，MCU均能正常接收數據，而且沒有出現數據錯誤的狀況，可用於該項目。

5、拓展

該方法也能夠用於實現模擬UART功能，僅提供思路，未通過驗證（以115200,8-N-1爲例）。

• 將UART的接收引腳配置爲上拉模式、降低沿觸發中斷（判斷起始位）。
• 中斷第一次觸發後代表收到起始位，收到起始位後打開定時器中斷（若是波特率爲115200，那麼中斷週期應小於8.6us，若是每Bit數據須要屢次採樣，則須要更短的中斷週期）。
• 每中斷一次判斷一次數據引腳，數據收滿10Bit後判斷是否爲中止位，若數據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爲收到一幀數據，產生軟空閒中斷，而後關閉定時器。

使用該UART方式優點在於比SPI方式使用更少的引腳，只須要1個IO便可完成通訊。缺點在於若是要求通訊速率高或須要屢次採樣，那麼產生波特率的定時器中斷頻率高，若是被其餘更高優先級中斷打斷可能形成波特率不許，數據錯誤。還有就是UART方式在數據通訊速率上沒有SPI有優點。不到萬不得已不建議使用軟件UART方式。