摘 要： 針對弧光保護系統的實際需要，設計了一種基于SPI的雙機通信系統。簡要闡述了該系統的設計思路，并給出了具體的實現方法。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；協議
0 引言
在一些重要的用戶變電站和發電廠的廠用電系統中[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。據統計資料表明，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%，農村配電網的概率更高，達1.2%。有的甚至發展成“火燒連營”的事故，這些配電網事故處理不當甚至會擴大發展為輸電網事故，造成重大的經濟損失。2010年，云南電網下發了《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采用紫外光弧光檢測和過電流檢測雙判據原理，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，包括主控單元、電流單元、弧光單元，系統構成示意圖如圖1所示。
1 弧光保護系統主控系統通信結構原理與設計
主控單元是電弧光保護系統的核心部件，負責輸入量的采集、測量、計算及邏輯判斷，實現系統的各項保護邏輯、與站內監控系統通信等功能。主控系統采用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。在與站內監控系統通信時，A片ARM要把相關數據通過B片ARM傳遞給DSP，為此兩塊ARM之間要進行通信。主控系統通信結構如圖2所示。
2 SPI通信設計與實現
2.1 SPI硬件實現
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。但在一次給定的數據傳輸過程中，總線上只能有一個主機與一個從機進行通信。數據傳輸原則上是全雙工模式，4~16位數據的幀由主機發送到從機或由從機發送到主機。SSP控制器共用以下4個管腳：
（1）SCK：串行時鐘管腳，用來同步數據傳輸的時鐘信號。它由主機驅動，從機接收。無論主機往從機寫數據還是從從機讀數據，它的時鐘信號都是由主機的SCK管腳產生，從機不產生時鐘信號。
（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信號使串行數據從從機傳輸到主機。
（4）MOSI：MOSI信號使串行數據從主機傳輸到從機。
另外，本系統在兩片ARM之間預留了兩根聯絡線，以便通信不穩定時便于調整。
2.2 SPI軟件實現
在雙機通信過程中，主機發送采用查詢方式，從機接收采用中斷方式。主機發送數據的同時也在接收數據，從機接收數據的同時也在發送數據。通過配置SSP寄存器，選擇SPI模式、設置數據長度和通信速率。由于設置從機接收到第4個數據時FIFO產生一次接收中斷，因此，主機每次發送一組40個數據，從機只取前37個數據為有效數據，后3個數據接收但作為假數據不用；主機接收的前4個數據也為假數據不用，后36個數據為有效數據。當一組數據接收完成時，調用數據處理函數進行處理。主機SPI流程圖如圖3所示。
在SPI通信中，主機向從機發送數據，如何判斷數據發送正確及接收完成SPI協議本身并未提供任何規范。在設計中，固定數據發送的個數，定義表1所示的SPI數據幀結構，可以很好地解決這個問題[3]。
表1中，起始字節表明一幀傳輸的開始，這里定義為0XFF；標志字節表明此次傳輸的數據類型，根據特定的應用類型作具體的規定；數據長度表明此次傳輸的數據長度，用字節數表示；應用服務數據為所要傳輸的具體應用數據。
當所有數據接收完成時，根據SPI軟件協議，標志字節為0XAA表明此組數據為偽數據，可以不作處理，直接丟棄。當起始字節不是0XFF時，即表示此組數據接收數據有誤。在通信中，主機每隔一段時間向從機發送數據，從機根據標志字節判定是控制命令還是運行狀態數據[4]。當從機接收的是控制命令時，從機等待主機下一幀數據發送的同時，把相應的數據發給主機。
下面給出從機的SSP1口初始化和SSP1的收發函數代碼。
（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|//數據長度為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收發函數代碼
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主從機收發同時，發現本方案可行。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據傳輸要求，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，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弧光保護系統設計[J].電力系統保護與控制，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數據通信中的應用[J].電子產品世界，2011，18（1）：46-49.