摘  要： 針對弧光保護系統(tǒng)的實際需要，設計了一種基于SPI的雙機通信系統(tǒng)。簡要闡述了該系統(tǒng)的設計思路，并給出了具體的實現(xiàn)方法。實驗表明，采用該方法能夠滿足實際工程中的需求，對于其他SPI的應用也有很好的借鑒價值。

　　關鍵詞： 弧光保護；SPI；LPC1788；協(xié)議

0 引言

　　在一些重要的用戶變電站和發(fā)電廠的廠用電系統(tǒng)中[1]，弧光短路是中、低壓開關柜內部最嚴重的故障，由于電弧電阻的原因，短路電流往往達不到速斷整定值而不能快速動作切斷故障，造成嚴重的后果。據(jù)統(tǒng)計資料表明，近年來，每年每1 000臺開關柜就有7臺遭到損壞，故障率為0.7%，農(nóng)村配電網(wǎng)的概率更高，達1.2%。有的甚至發(fā)展成“火燒連營”的事故，這些配電網(wǎng)事故處理不當甚至會擴大發(fā)展為輸電網(wǎng)事故，造成重大的經(jīng)濟損失。2010年，云南電網(wǎng)下發(fā)了《關于在中低壓開關柜加裝電弧光保護的通知》，要求在所有的35 kV和10 kV開關柜中加裝電弧光保護，目前南方電網(wǎng)已在逐漸推廣。

　　中國能源建設集團華東電力設備制造廠研制的ZHG-1A型智能弧光保護系統(tǒng)采用紫外光弧光檢測和過電流檢測雙判據(jù)原理，具有保護動作速度快、可靠性高等特點。它是一個模塊化系統(tǒng)，包括主控單元、電流單元、弧光單元，系統(tǒng)構成示意圖如圖1所示。

1 弧光保護系統(tǒng)主控系統(tǒng)通信結構原理與設計

　　主控單元是電弧光保護系統(tǒng)的核心部件，負責輸入量的采集、測量、計算及邏輯判斷，實現(xiàn)系統(tǒng)的各項保護邏輯、與站內監(jiān)控系統(tǒng)通信等功能。主控系統(tǒng)采用DSP+雙ARM結構，其中一塊ARM（A片）采用NXP公司的LPC178x芯片負責與站內系統(tǒng)通信，另一塊ARM（B片）同樣采用LPC178x芯片負責液晶顯示與DSP通信。在與站內監(jiān)控系統(tǒng)通信時，A片ARM要把相關數(shù)據(jù)通過B片ARM傳遞給DSP，為此兩塊ARM之間要進行通信。主控系統(tǒng)通信結構如圖2所示。

2 SPI通信設計與實現(xiàn)

　　2.1 SPI硬件實現(xiàn)

　　LPC178x/177x系列的SSP是一個同步串行端口（SSP）控制器[2]，可控制SPI、4線SSI或Microwire總線的操作。SSP可以與總線上的多個主機或從機交互。但在一次給定的數(shù)據(jù)傳輸過程中，總線上只能有一個主機與一個從機進行通信。數(shù)據(jù)傳輸原則上是全雙工模式，4~16位數(shù)據(jù)的幀由主機發(fā)送到從機或由從機發(fā)送到主機。SSP控制器共用以下4個管腳：

　　（1）SCK：串行時鐘管腳，用來同步數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r鐘信號。它由主機驅動，從機接收。無論主機往從機寫數(shù)據(jù)還是從從機讀數(shù)據(jù)，它的時鐘信號都是由主機的SCK管腳產(chǎn)生，從機不產(chǎn)生時鐘信號。

　　（2）SSEL：幀同步/從機選擇管腳，當作主機時此管腳可作為普通的I/O使用；當作從機時此管腳不可用作普通I/O口，只作為SSP的從機選擇。主機其他的普通I/O管腳也可與從機的SSEL管腳相連，用作從機的片選。

　　（3）MISO：主機輸入從機輸出。MISO信號使串行數(shù)據(jù)從從機傳輸?shù)街鳈C。

　　（4）MOSI：MOSI信號使串行數(shù)據(jù)從主機傳輸?shù)綇臋C。

　　另外，本系統(tǒng)在兩片ARM之間預留了兩根聯(lián)絡線，以便通信不穩(wěn)定時便于調整。

　　2.2 SPI軟件實現(xiàn)

　　在雙機通信過程中，主機發(fā)送采用查詢方式，從機接收采用中斷方式。主機發(fā)送數(shù)據(jù)的同時也在接收數(shù)據(jù)，從機接收數(shù)據(jù)的同時也在發(fā)送數(shù)據(jù)。通過配置SSP寄存器，選擇SPI模式、設置數(shù)據(jù)長度和通信速率。由于設置從機接收到第4個數(shù)據(jù)時FIFO產(chǎn)生一次接收中斷，因此，主機每次發(fā)送一組40個數(shù)據(jù)，從機只取前37個數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)，后3個數(shù)據(jù)接收但作為假數(shù)據(jù)不用；主機接收的前4個數(shù)據(jù)也為假數(shù)據(jù)不用，后36個數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)。當一組數(shù)據(jù)接收完成時，調用數(shù)據(jù)處理函數(shù)進行處理。主機SPI流程圖如圖3所示。

　　在SPI通信中，主機向從機發(fā)送數(shù)據(jù)，如何判斷數(shù)據(jù)發(fā)送正確及接收完成SPI協(xié)議本身并未提供任何規(guī)范。在設計中，固定數(shù)據(jù)發(fā)送的個數(shù)，定義表1所示的SPI數(shù)據(jù)幀結構，可以很好地解決這個問題[3]。

　　表1中，起始字節(jié)表明一幀傳輸?shù)拈_始，這里定義為0XFF；標志字節(jié)表明此次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型，根據(jù)特定的應用類型作具體的規(guī)定；數(shù)據(jù)長度表明此次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長度，用字節(jié)數(shù)表示；應用服務數(shù)據(jù)為所要傳輸?shù)木唧w應用數(shù)據(jù)。

　　當所有數(shù)據(jù)接收完成時，根據(jù)SPI軟件協(xié)議，標志字節(jié)為0XAA表明此組數(shù)據(jù)為偽數(shù)據(jù)，可以不作處理，直接丟棄。當起始字節(jié)不是0XFF時，即表示此組數(shù)據(jù)接收數(shù)據(jù)有誤。在通信中，主機每隔一段時間向從機發(fā)送數(shù)據(jù)，從機根據(jù)標志字節(jié)判定是控制命令還是運行狀態(tài)數(shù)據(jù)[4]。當從機接收的是控制命令時，從機等待主機下一幀數(shù)據(jù)發(fā)送的同時，把相應的數(shù)據(jù)發(fā)給主機。

　　下面給出從機的SSP1口初始化和SSP1的收發(fā)函數(shù)代碼。

　　（1）SSP1口初始化代碼

　　void Slave_SSP1Init（void）

　　{uint8_t i；

　　uint8_t uiDummy=uiDummy=0；

　　LPC_SC->PCONP|=（0x1<<10）；

　　LPC_IOCON->P0_7 &=~0x07；//SSP CLK

　　LPC_IOCON->P0_7|=0x02；

　　LPC_IOCON->P0_6&=~0x07；

　　LPC_IOCON->P0_6|=0x02；

　　LPC_IOCON->P0_8&=~0x07；

　　LPC_IOCON->P0_8|=0x02；//SSP MISO

　　LPC_IOCON->P0_9&=~0x07；

　　LPC_IOCON->P0_9|=0x02；//SSP MOSI

　　LPC_SSP1->CR0=0x07<<0|//數(shù)據(jù)長度為8位

　　0x00<<4|//幀格式為SPI

　　0x00<<6|//CPOL為0

　　0x01<<7|//CPHA為1

　　0x1D<<8；

　　LPC_SSP1->CPSR=0x2；//時鐘預分頻

　　for（i=0；i<8；i++）

　　{//清0接收FIFO

　　uiDummy=LPC_SSP1->DR；

　　}

　　//從機模式

　　if（LPC_SSP1->CR1&SSPCR1_SSE）

　　{LPC_SSP1->CR1&=~SSPCR1_SSE；}

　　LPC_SSP1->CR1=SSPCR1_MS；

　　LPC_SSP1->CR1|=SSPCR1_SSE；

　　LPC_SSP1->IMSC=0x04；

　　NVIC_EnableIRQ（SSP1_IRQn）；

　　NVIC_SetPriority（SSP1_IRQn，4）；

　　return；

　　}

　　（2）SSP1收發(fā)函數(shù)代碼

　　uint8_t SSP1RWFrames（Chip_SSP_DATA_SETUP_T *xf_setup）

　　{

　　uint8_t rdat；

　　uint8_t i，uiDummy；

　　LPC_SSP1->ICR=0x03；while（（LPC_SSP1->SR&（SSPSR_RNE））!=SSPSR_RNE）；*（xf_setup->rx_data+xf_setup->rx_cnt）=

　　LPC_SSP1->DR；

　　xf_setup->rx_cnt++；

　　while（（LPC_SSP1->SR&（SSPSR_TNF|SSPSR_BSY））!=SSPSR_TNF）；LPC_SSP1->DR=*（xf_setup->tx_data+xf_setup->tx_cnt）；

　　xf_setup->tx_cnt++；

　　…

　　}

3 結論

　　本設計中，兩個ARM的主頻都為100 MHz，使用公共外設PCLK時鐘，通過SSP時鐘分頻器產(chǎn)生SPCLK時鐘。在實驗中也考慮過其他方案，由于SPI的接收中斷處理方式且又要實現(xiàn)主從機收發(fā)同時，發(fā)現(xiàn)本方案可行。目前測試結果表明，SPI能很好地滿足它們之間高速的雙向數(shù)據(jù)傳輸要求，其最高傳輸速率可達5 Mb/s，解決了實際應用中的雙機如何可靠通信等問題，已成功應用于弧光保護系統(tǒng)，也可用于其他需要雙機通信的場合。

參考文獻

　　[1] 李從飛，陳凡，魯雅斌，等.DPR360ARC弧光保護系統(tǒng)設計[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2010，38（12）：125-128.

　　[2] NXP.LPC178x/7x用戶手冊[EB/OL].[2011-07-06].http：//www.cn.nxp.com/documents/other/LPC177x-178x_UM_Simp CHN.pdf.

　　[3] 王杰，王小鵬，趙國輝.采用SPI接口實現(xiàn)雙DSP雙向通信和同步[J].微型機與應用，2010，29（24）：96-98.

　　[4] 高振，羅秋鳳.SPI接口與CRC算法在雙DSP數(shù)據(jù)通信中的應用[J].電子產(chǎn)品世界，2011，18（1）：46-49.