嵌入式開發筆記——CPLD與MCU模擬SPI通信

• 作者：zzssdd2
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一、需求描述

• MCU需要接收來自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無法告知數據傳輸的開始和結束，需要MCU自行判斷（CPLD只是數據透傳，不做數據判斷）
• 數據通信速率至少是UART通信的115200波特率
• PCB上MCU與CPLD之間通過3個普通IO引腳連接

二、功能分析

• MCU與CPLD之間有3根線，那么可以選擇UART通信或者SPI通信方式。

• 由於CPLD無法通知MCU數據傳輸的開始與結束，MCU需要自行判別，那么MCU可以通過中斷方式來檢測數據傳輸的開始，通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信后者是同步通信方式，不論是SPI還是UART方式都需要MCU通過IO模擬方式軟件實現。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數據傳輸出錯，而同步傳輸方式有時鍾信號的約束，相比異步傳輸方式數據准確率會更高。如果使用軟件模擬UART，需要使用定時器作為波特率發生器。如果波特率比較高，那么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。綜合考慮后選擇SPI方式。

• CPLD對MCU只發送數據，那么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，那么將CS引腳配置為中斷輸入方式，當CS中斷觸發后開始數據接收處理。因為CPLD也不知道數據傳輸什么時候結束，所以無法通過將CS置高電平來告訴數據傳輸的結束，那么CS置高電平只能表明一個字節傳輸結束。MCU可以通過超時方式來判斷一包數據的結束，類似於串口的空閑中斷方式。

• SPI數據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中斷觸發后進行數據接收。

• SPI空閑中斷采用100us周期定時器判斷。為了MCU系統的實時性，只有CS中斷觸發后才會開啟定時器，超時判斷完成后關閉定時器。

• CPLD向MCU發送一字節的時序圖如下（速率：200KBit/s）：

  

三、軟件實現

GPIO的配置：無數據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上升沿采樣

/*
***********************************************************************************************
*	函	數: BSP_CPLD_GPIO_Init
*	描	述: 配置CPLD的SPI通信引腳
*	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、空閑檢測

/*
***********************************************************************************************
*	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);

            /* 開啟空閑檢測 */
            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);
            }
            /* 收滿一字節后存向接收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空閑中斷的發生

/*
***********************************************************************************************
*	函	數: TIM7_IRQHandler
*	描	述: 定時器7中斷函數，100us中斷周期
*	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空閑檢測，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);
    }
}

四、功能驗證

經多次發送固件數據驗證，MCU均能正常接收數據，並且沒有出現數據錯誤的情況，可用於該項目。

五、拓展

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）。
• 中斷第一次觸發后表明收到起始位，收到起始位后打開定時器中斷（如果波特率為115200，那么中斷周期應小於8.6us，如果每Bit數據需要多次采樣，則需要更短的中斷周期）。
• 每中斷一次判斷一次數據引腳，數據收滿10Bit后判斷是否為停止位，若數據接收正確則存入接收FIFO。
• 在收到起始位后開始計時，1ms內沒有再次收到起始位則認為收到一幀數據，產生軟空閑中斷，然后關閉定時器。

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即可完成通信。缺點在於如果要求通信速率高或需要多次采樣，那么產生波特率的定時器中斷頻率高，如果被其他更高優先級中斷打斷可能造成波特率不准，數據錯誤。還有就是UART方式在數據通信速率上沒有SPI有優勢。不到萬不得已不建議使用軟件UART方式。