引言
电子电能表市场需求稳中有升，这些年来电子电能表一直在围绕用户需求进行创新，为用户提供越来越多的附加值。电子电能表的创新也带动了相应电能计量芯片的发展，电能计量芯片得到越来越多的应用。珠海炬力公司的ATT7022B是一款高精度三相电能专用计量芯片,通过ATT7022B提供的同步串行SPI接口可以输出三相多功能电表所需的各项电能参数，被广泛用于三相三线和三相四线的多功能电能表的设计中。SPI接口技术是一种高速、高效率的串行接口技术，但它规定通信的双方必须工作在相同的时序模式下，而ATT7022B的SPI接口只能工作在一种时序模式下，其应用范围受到了很大的限制。文中将以ATT7022B与ARM7系列中的EP7312实现通信的方案为例，给出在两个同步串行接口时序不匹配的情况下，以一种软件模拟的方法实现通信的方案。
1、SPI接口技术简介
SPI是由美国摩托罗拉公司最先推出的一种同步串行传输规范，也是一种单片机外设芯片串行扩展接口。SPI接口可以用全双工方式同时发送和接收8位数据，它共使用了4条引脚。这4条引脚分别规定为：主器件输入/从器件输出线(MISO)、主器件输出/从器件输入线(MOSI)、同步串行时钟线(SCK)、从机方式选择线( )。SPI通信包括一个主器件和一个从器件。主器件产生和输出同步串行时钟信号，可以由用户软件选择确定时钟脉冲的速率、相位和空闲状态电平。图1描述了4种输出时钟的时序模式。从图中可以看出：①主器件和从器件必须在相同的时序中工作;②SCK信号在空闲期间，既可以停留在低电平上，也可以停留在高电平上;③发送数据的一方总是在每个SCK时钟的前半个周期送出数据;④接收数据的一方总是在每个SCK时钟信号的中心跳变沿上，采样数据和锁存数据[1]。
图1 数据时钟时序图
2、ATT7022B与EP7312的通信设计实现
2.1 ATT7022B与EP7312实现通信的方法研究
ATT7022B内部集成了一个SPI串行通信接口，采用从属方式工作。对ATT7022B进行一次通信，需要先写入8位的命令字，然后通过SPI接口读出或者写入24位数据，数据传输格式都是MSB在前，LSB在后，一次完整的传输过程中，CS停留在低电平[2]。
EP7312是一种高度集成的ARM微处理器芯片，广泛应用于嵌入式领域。EP7312提供的同步串行接口SSI1可用于SPI接口，并能作为主器件。SSI1接口不需要复杂的初始化过程就可以直接与外部设备相连，所以选用SSI1接口作为与ATT7022B通信的接口。
由芯片资料[3]可知，EP7312的SSI1接口提供的输出时钟只有模式1和模式2两种时序(如图1)，而ATT7022B只能工作在模式3的时序下(如图1)。要解决两者时序不匹配的问题，常用以下两种方式：
(1)使用CPLD设计一个接口电路，匹配EP7312与ATT7022B的时序。
(2)使用I/O口用软件方法来模拟SPI操作，包括串行时钟、数据输入和输出。
第一种方法使得系统变得复杂，提高了成本。第二种方法效率低下，占用额外资源，不满足嵌入式系统对实时性的要求。所以两种方法都不宜采用。
分析图1可知模式1与模式3在空闲状态下都为低电平，模式2与模式3都在时钟上升沿发送数据，在下降沿锁存数据。而且ATT7O22B芯片对时钟信号的占空比没有特殊的要求，只是对跳变沿敏感。所以可以考虑结合模式1和模式2的特点来实现模式3的时序，以满足ATT7022B的SPI口对时序的要求。这种方法不需要额外的硬件资源，并且保证了效率。
2.2 ATT7022B与EP7312实现通信的设计
EP7312的SSI1接口由SYNCIO，SYSCON3，SYSFLG1三个寄存器来控制。通过设定寄存器的相应位可以对SSI1口进行设置[3]。EP7312通过SSI1口最多传输或者接收16位数据，而对ATT7022B完成一次读/写操作，需要传输32位数据。若使用EP7312通过SSI1口与ATT7022B通信，须发起两次SPI传输。值得注意的是，EP7312提供的从机选择信号在完成一次SPI传输后就会失效，为了完成两次SPI传输，必须另外提供一个从机选择信号，所以在硬件上使用一个I/O口来模拟从机选择线，通过程序来灵活控制，硬件原理图如图2所示。
图2
根据以上的分析，我们最后设计出了一套可行的SPI通讯方案，这里以一次写操作的时序图(图3)为例加以说明。其中CS是用EP7312的PB0模拟得到，这个CS是实际连到ATT7022B的片选;SPICLK和DIN是EP7312的SPI接口。ATT7022B的一次写操作需要写8位的命令字和24位的数据，一共是32位。在EP7312这边进行两次SPI操作就可以输出32位数据。空闲状态，使EP7312的输出时钟为模式1，使SCLK处于低电平。开始写操作时，首先控制PB0将CS拉低，转换时钟输出为模式2的时序，使SCLK变高，模拟出传输过程中的第一个时钟上升沿(见标记A)，随后装载数据，启动SPI传输。此时，EP7312发出第一位数据(见标记B)。在第一个时钟下降沿处(见标记C)，ATT7022B将数据锁存下来。此后在每个时钟的上升沿(例如标记D处)，EP7312都会发送一位数据，每个时钟的下降沿，ATT7022B都会将对应数据锁存下来。在标记E处，EP7312已经发送完了16位数据，总线变为空闲，时钟信号被拉高，不久第一次SPI传输结束。由于在标记E处EP7312已经不再向外发送数据，所以在数据线上会有一个短时间的不确定状态，见标记E到F之间的阴影部分。但这个不定状态并不会延续到SCLK的下降沿处，造成ATT7022B误读数据，当开始第二次SPI传输时，又是先发出第17位数据(见标记F)，保证了在SCLK的下降沿到来时数据线上有正确的数据。后面的过程与第一次SPI传输相同。当32位命令和数据发送完毕后再将EP7312的输出时钟设置为模式1，使SCLK处于低电平(见标记G)，最后控制PB0将CS拉高，完成一次完整的写操作。程序设计流程如图4所示。读操作过程与写操作类似，这里不再复述。
图3 写操作接口时序图
图4 对ATT7022B进行写操作的程序流程图
2.3 ATT7022B与EP7312 实现通信的实验结果
研制某用电现场管理终端时，采用了上述通信方案，成功实现了EP7312与ATT7022B的通信，获得ATT7022B所采集到的各项现场电能参数。图5为ATT7022B与EP7312串口通信记录图，在图5中通道A是EP7312的SPI口的输出时钟，通道B是写入ATT7022B的数据。
图5 串口通信实验结果图
3、结论
文中以EP7312与ATT7022B实现通信的方法为例，给出了一种通过软件模拟的方法，解决当外部设备的同步串行接口与ATT7022B的SPI接口时序不匹配的情况下，如何实现通信的方案。实践证明，这个方案硬件连接简单，软件较易实现，可靠性高，对采用电能计量芯片进行开发的相关设计有一定的启发，能够拓宽电能计量芯片在嵌入式系统中的应用范围[4]。
参考文献
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