摘  要： 针对弧光保护系统的实际需要，设计了一种基于SPI的双机通信系统。简要阐述了该系统的设计思路，并给出了具体的实现方法。实验表明，采用该方法能够满足实际工程中的需求，对于其他SPI的应用也有很好的借鉴价值。

　　关键词： 弧光保护；SPI；LPC1788；协议

0 引言

　　在一些重要的用户变电站和发电厂的厂用电系统中[1]，弧光短路是中、低压开关柜内部最严重的故障，由于电弧电阻的原因，短路电流往往达不到速断整定值而不能快速动作切断故障，造成严重的后果。据统计资料表明，近年来，每年每1 000台开关柜就有7台遭到损坏，故障率为0.7%，农村配电网的概率更高，达1.2%。有的甚至发展成“火烧连营”的事故，这些配电网事故处理不当甚至会扩大发展为输电网事故，造成重大的经济损失。2010年，云南电网下发了《关于在中低压开关柜加装电弧光保护的通知》，要求在所有的35 kV和10 kV开关柜中加装电弧光保护，目前南方电网已在逐渐推广。

　　中国能源建设集团华东电力设备制造厂研制的ZHG-1A型智能弧光保护系统采用紫外光弧光检测和过电流检测双判据原理，具有保护动作速度快、可靠性高等特点。它是一个模块化系统，包括主控单元、电流单元、弧光单元，系统构成示意图如图1所示。

1 弧光保护系统主控系统通信结构原理与设计

　　主控单元是电弧光保护系统的核心部件，负责输入量的采集、测量、计算及逻辑判断，实现系统的各项保护逻辑、与站内监控系统通信等功能。主控系统采用DSP+双ARM结构，其中一块ARM（A片）采用NXP公司的LPC178x芯片负责与站内系统通信，另一块ARM（B片）同样采用LPC178x芯片负责液晶显示与DSP通信。在与站内监控系统通信时，A片ARM要把相关数据通过B片ARM传递给DSP，为此两块ARM之间要进行通信。主控系统通信结构如图2所示。

2 SPI通信设计与实现

　　2.1 SPI硬件实现

　　LPC178x/177x系列的SSP是一个同步串行端口（SSP）控制器[2]，可控制SPI、4线SSI或Microwire总线的操作。SSP可以与总线上的多个主机或从机交互。但在一次给定的数据传输过程中，总线上只能有一个主机与一个从机进行通信。数据传输原则上是全双工模式，4~16位数据的帧由主机发送到从机或由从机发送到主机。SSP控制器共用以下4个管脚：

　　（1）SCK：串行时钟管脚，用来同步数据传输的时钟信号。它由主机驱动，从机接收。无论主机往从机写数据还是从从机读数据，它的时钟信号都是由主机的SCK管脚产生，从机不产生时钟信号。

　　（2）SSEL：帧同步/从机选择管脚，当作主机时此管脚可作为普通的I/O使用；当作从机时此管脚不可用作普通I/O口，只作为SSP的从机选择。主机其他的普通I/O管脚也可与从机的SSEL管脚相连，用作从机的片选。

　　（3）MISO：主机输入从机输出。MISO信号使串行数据从从机传输到主机。

　　（4）MOSI：MOSI信号使串行数据从主机传输到从机。

　　另外，本系统在两片ARM之间预留了两根联络线，以便通信不稳定时便于调整。

　　2.2 SPI软件实现

　　在双机通信过程中，主机发送采用查询方式，从机接收采用中断方式。主机发送数据的同时也在接收数据，从机接收数据的同时也在发送数据。通过配置SSP寄存器，选择SPI模式、设置数据长度和通信速率。由于设置从机接收到第4个数据时FIFO产生一次接收中断，因此，主机每次发送一组40个数据，从机只取前37个数据为有效数据，后3个数据接收但作为假数据不用；主机接收的前4个数据也为假数据不用，后36个数据为有效数据。当一组数据接收完成时，调用数据处理函数进行处理。主机SPI流程图如图3所示。

　　在SPI通信中，主机向从机发送数据，如何判断数据发送正确及接收完成SPI协议本身并未提供任何规范。在设计中，固定数据发送的个数，定义表1所示的SPI数据帧结构，可以很好地解决这个问题[3]。

　　表1中，起始字节表明一帧传输的开始，这里定义为0XFF；标志字节表明此次传输的数据类型，根据特定的应用类型作具体的规定；数据长度表明此次传输的数据长度，用字节数表示；应用服务数据为所要传输的具体应用数据。

　　当所有数据接收完成时，根据SPI软件协议，标志字节为0XAA表明此组数据为伪数据，可以不作处理，直接丢弃。当起始字节不是0XFF时，即表示此组数据接收数据有误。在通信中，主机每隔一段时间向从机发送数据，从机根据标志字节判定是控制命令还是运行状态数据[4]。当从机接收的是控制命令时，从机等待主机下一帧数据发送的同时，把相应的数据发给主机。

　　下面给出从机的SSP1口初始化和SSP1的收发函数代码。

　　（1）SSP1口初始化代码

　　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|//数据长度为8位

　　0x00<<4|//帧格式为SPI

　　0x00<<6|//CPOL为0

　　0x01<<7|//CPHA为1

　　0x1D<<8；

　　LPC_SSP1->CPSR=0x2；//时钟预分频

　　for（i=0；i<8；i++）

　　{//清0接收FIFO

　　uiDummy=LPC_SSP1->DR；

　　}

　　//从机模式

　　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收发函数代码

　　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 结论

　　本设计中，两个ARM的主频都为100 MHz，使用公共外设PCLK时钟，通过SSP时钟分频器产生SPCLK时钟。在实验中也考虑过其他方案，由于SPI的接收中断处理方式且又要实现主从机收发同时，发现本方案可行。目前测试结果表明，SPI能很好地满足它们之间高速的双向数据传输要求，其最高传输速率可达5 Mb/s，解决了实际应用中的双机如何可靠通信等问题，已成功应用于弧光保护系统，也可用于其他需要双机通信的场合。

参考文献

　　[1] 李从飞，陈凡，鲁雅斌，等.DPR360ARC弧光保护系统设计[J].电力系统保护与控制，2010，38（12）：125-128.

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

　　[3] 王杰，王小鹏，赵国辉.采用SPI接口实现双DSP双向通信和同步[J].微型机与应用，2010，29（24）：96-98.

　　[4] 高振，罗秋凤.SPI接口与CRC算法在双DSP数据通信中的应用[J].电子产品世界，2011，18（1）：46-49.