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TMS320C54XX系列DSP與PC機間串行通信的實現(xiàn)
摘要：目前大多數(shù)數(shù)字信號處理器（DSP）芯片上未提代通用異步串行收發(fā)器（UART），只提供2～3個同步串行接口，其與微機及其它設(shè)備進行串行通信時，必須在DSP上擴展異步串行接口。以美國TI公司TMS320C54XX系列DSP為例，采用MAXIM公司的MAX3111異步串行收發(fā)器，研究了理想的接口擴展方案。論述了這種方案的軟、硬件實現(xiàn)。該方案硬件連接簡單，軟件編程方便，可實現(xiàn)DSP與PC機間的串行通信，具有很高的工程應(yīng)用價值。關(guān)鍵詞：異步串行收發(fā)器 多通道緩沖串行接口 DSP McBSP SPI UART
DSP在電子工業(yè)領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。在DSP應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計中，必不可少的是各種通信接口的設(shè)計。與并行接口相比，串行接口的最大特點是減少了器件引腳數(shù)目，降低了接口設(shè)計復(fù)雜性。串行數(shù)據(jù)傳輸可分為同步和異步兩種模式。通用PC機的RS-232接口為通用異步接口UART（Universal Asynchronous Receiver and Transmitter），而MOTOROLA公司的串行外圍設(shè)備接口SPI、隊列SPI（QSPI）、PHILIPS公司的內(nèi)部IC總線（I2C），National公司的微總線（MICROWIRE）均為同步串行協(xié)議。(范文先生網(wǎng)m.panasonaic.com收集整理)
目前幾乎所有的數(shù)字信號處理器都提供了一個或多個串行接口，然而，多數(shù)DSP芯片提供的是同步串口。在實際的應(yīng)用中，也需要DSP能夠與外設(shè)進行異步串行通信，如與PC機進行串行數(shù)據(jù)傳輸就要求DSP系統(tǒng)具UART串行接口。針對這種情況，本文研究并實現(xiàn)了一種簡單、可靠的異步串口擴展方法。
1 擴展方案
綜合分析DSP應(yīng)用系統(tǒng)中擴展異步串行接口的方案，其基本方法和優(yōu)缺點如下：
（1）在DSP的并行總線上擴展UART芯片（如TI公司的TL16C552），用硬件實現(xiàn)異步數(shù)據(jù)傳輸。優(yōu)點是軟件實現(xiàn)簡單，缺點是在總線上還需擴展其它設(shè)備，這樣做使目標(biāo)系統(tǒng)復(fù)雜化，增大系統(tǒng)體積。
（2）利用DSP的McBSP和DMA，在不擴展其它硬件的情況下，用軟件實現(xiàn)異步數(shù)據(jù)傳輸格式。這種方法的優(yōu)點在于硬件簡單，但軟件復(fù)雜，加大了CPU的負擔(dān)，所以不適合通信數(shù)據(jù)量大的場合。
（3）利用DSP的McBSP同步串行接口，在擴展適當(dāng)硬件的情況下，將同步數(shù)據(jù)變換為UART異步數(shù)據(jù)格式進行傳輸。這樣，就充分利用了DSP的片上資源，使硬件系統(tǒng)盡量簡單化。
綜合考慮硬件連接和軟件編程的方便性，本文采用第三種方案，應(yīng)用美國MAXIM公司的MAX3111串行異步收發(fā)器，與DSP的McBSP口直接連接。硬件上無需任何其它外圍器件，同時由于異步數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收由MAX3111以硬件方案實現(xiàn)，所以軟件編程需要考慮的也只是DSP與MAX3111之間的同步數(shù)據(jù)通信。這樣，用最簡單的硬件連接和軟件編程就能實現(xiàn)同步到異步的串行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。
2 SPI接口協(xié)議及DSP的多通道緩沖串行接口
2.1 SPI接口協(xié)議
串行外圍設(shè)備接口（SPI）是MOTOROLA公司提出的一個同步串行外設(shè)接口，允許CPU與各種外圍接口器件以串行方式進行通信、交換信息。它使用4條線：串行時鐘線（SCK）、主機輸入/從機輸出線（MISO）、主機輸出/從機輸入線（MOSI）、低電平有效的使能信號線（CS）。這樣，僅需3～4根數(shù)據(jù)線和控制線即可擴展具有SPI接口的各種I/O器件。其典型的接口示意圖如圖1所示。
2.2 McBSP的功能與特點
TMS320C54XX系列DSP芯片都具有2～3個高速、全雙工、多通道緩沖串行接口（McBSP），其方便的數(shù)據(jù)流控制可使其與大多數(shù)同步串行外圍設(shè)備接口。McBSP是在標(biāo)準(zhǔn)串行接口的基礎(chǔ)上對功能進行擴展的，除具有標(biāo)準(zhǔn)串口的功能特點外，其靈活性體現(xiàn)在如下幾個方面：
（1）雙緩沖區(qū)發(fā)送，三緩沖區(qū)接收，允許連續(xù)數(shù)據(jù)流傳輸；
（2）可與SPI、IOM-2、AC97等兼容設(shè)備直接接口；
（3）可編程幀同步、數(shù)據(jù)時鐘極性，支持外部移位時鐘或內(nèi)部頻率可編程移位時鐘；
（4）擁有相互獨立的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收幀同步脈沖和時鐘信號；
（5）多通道發(fā)送和接收，最多可達128個通道，速度可為100Mbit/s。
2.3 McBSP的SPI方式
TMS320C54XX系列DSP芯片的McBSP串口工作于時鐘停止模式時與SPI協(xié)議兼容。當(dāng)將McBSP配置為時鐘停止模式時，發(fā)送器和接收器在內(nèi)部得到同步，這時McBSP可作為SPI的主設(shè)備或從設(shè)備。發(fā)送時鐘信號（BCLKX）對應(yīng)于SPI協(xié)議中的串行時鐘信號（SCK），發(fā)送幀同步信號對應(yīng)于從設(shè)備使能信號（CS）。在這種方式下對接收時鐘信號（BCLKR）和接收幀同步信號（BFSR）將不進行連接，因為它們在內(nèi)部與BCLKX和BFSX相連接。McBSP工作于SPI模式的主機時，與其它SPI器件接口如圖2所示。
3 MAX3111通用異步收發(fā)器
3.1 MAX3111功能特點
MAX3111通用異步收發(fā)器是MAXIM公司專門為小型微處理系統(tǒng)進行最優(yōu)化設(shè)計的UART，它包括一個振蕩器和一個可編程波特率發(fā)生器；具有一個可屏蔽的中斷源；另具有一個8字節(jié)的接收FIFO（先入先出）緩沖器。它應(yīng)用SPI/MICROWIRE接口技術(shù)直接與主控制器進行通信，線路簡單、體積小，通信速率可達230kbit/s。另外其內(nèi)部除具有UART之外，還包括兩個RS-232電平轉(zhuǎn)換器，這樣無需再接入普通的MAX232進行電平轉(zhuǎn)換，即可應(yīng)用一個芯片實現(xiàn)微控器（具有SPI/MICROWIRE接口）與PC機或其它設(shè)備之間的異步數(shù)據(jù)傳輸。
3.2 對MAX3111的操作
MAX3111通過SPI接口與主設(shè)備進行16位數(shù)據(jù)的全雙工同步通信，即主設(shè)備傳送16位數(shù)據(jù)給MAX3111的同時，也可接收到MAX3111發(fā)送的16位數(shù)據(jù)。主設(shè)備在MOSI線上向MAX3111發(fā)送的16位串行數(shù)據(jù)序列中包括傳輸格式控制字，如波特率設(shè)備、中斷屏蔽、奇偶校驗位等，同時還有發(fā)送的數(shù)據(jù)字。MAX3111在MISO線上向主設(shè)備發(fā)送的16位數(shù)據(jù)序列中除了接收到的數(shù)據(jù)外，還包括中斷標(biāo)志等狀態(tài)位。所以通過16位的實時數(shù)據(jù)傳輸，主設(shè)備可獲得MAX3111工作狀態(tài)信息，同時對其具有完全控制權(quán)利。這樣，兩個設(shè)備的控制、狀態(tài)、數(shù)據(jù)信息的實時通信就保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头�(wěn)定性。
4 DSP與MAX3111的接口設(shè)計
DSP的McBSP串行接口工作于SPI模式時可直接與MAX3111進行連接，從而實現(xiàn)與RS-232設(shè)備進行異步數(shù)據(jù)傳輸。此時DSP作為SPI協(xié)議中的主設(shè)備，其接口電路如圖3所示。
DSP的發(fā)送時鐘信號（BCLKK）作為MAX3111的串行時鐘輸入，發(fā)送幀同步脈沖信號（BGSX）作為MAX3111的片選信號（CS）。BDX與DIN連接作為發(fā)送數(shù)據(jù)線，BDR與DOUT連接作為接收數(shù)據(jù)線。MAX3111的TX與T1IN連接，RX與R1OUT連接，以便利用其片內(nèi)的轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)UART到RS-232電平的轉(zhuǎn)換。MAX3111的中斷信號（IRQ）與DSP的外部中斷相連。
在SPI串行協(xié)議中，主設(shè)備提供時鐘信號并控制數(shù)據(jù)傳輸過程。由MAX3111接口電路時序圖（圖4）可知，必須設(shè)置DSP的McBSP于適當(dāng)?shù)姆绞讲拍鼙ＷC與MAX3111的時序相配合。
MAX3111要求在數(shù)據(jù)傳輸過程中CS信號必須為低電平，在傳輸完畢后必須為高電平。此信號由McBSP的BFSX引腳提供，因此必須正確設(shè)置DSP的幀脈沖發(fā)生器，使之在每個數(shù)據(jù)包傳輸期間產(chǎn)生幀同步脈沖，即在數(shù)據(jù)包傳輸?shù)牡谝晃蛔優(yōu)橛行顟B(tài)，然后保持此狀態(tài)直到數(shù)據(jù)包傳輸結(jié)束。
McBSP的采樣率發(fā)生器產(chǎn)生適當(dāng)頻率的時鐘信號，由BCLKX引腳輸出，保證主從設(shè)備間的同步數(shù)據(jù)傳輸。因此必須正確設(shè)置DSP的采樣率發(fā)生器時鐘源（CLKSM）和時鐘降頻因子（CLKGDV）。根據(jù)SPI傳輸協(xié)議，必須正確設(shè)置數(shù)據(jù)發(fā)送延遲時間（XDATDLY）。由圖4可知MAX3111要求在SCLK變高之間的半個周期開始傳輸數(shù)據(jù)。
所以必須為McBSP選擇合適的時鐘方案，即設(shè)置McBSP的時鐘停止模式。在本應(yīng)用中采用McBSP的時鐘停止模式2（CLKSTP=11b，CLKXP=0），這樣即可保證與MAX3111的時序相配合。
5 DSP的異步通信軟件的設(shè)計
考慮到應(yīng)用系統(tǒng)軟件的可移植性和可讀性，數(shù)據(jù)傳輸軟件采用C語言進行編寫，這樣，可以利用DSP開發(fā)軟件CCS2.0所提供的DSP/BIOS中的芯片支持庫函數(shù)（CSL）。CSL提供C語言可調(diào)用的DSP外圍接口庫函數(shù)，其中包括DMA模塊、McBSP模塊、TIMER模塊等。應(yīng)用這些庫函數(shù)可大大提高程序可讀性，縮短軟件開發(fā)周期。在本文所提到的應(yīng)用中，主要調(diào)用MCBSP模塊。數(shù)據(jù)傳輸軟件主要包括以下幾部分。
（1） McBSP串口初始化
如上所述，在本應(yīng)用中應(yīng)將TMS320C54XX DSP的McBSP串行口配置為SI模式，以DSP作為主設(shè)備。表1給出了應(yīng)設(shè)置的寄存器或寄存器位的值，未涉及的寄存器保持其默認值即可。
表1 McBSP設(shè)置為SPI模式時相關(guān)寄存器值
根據(jù)表1，調(diào)用CSL的McBSP配置庫函數(shù)即可完成McBSP的初始化。
McBSP_Handle hport0; /*聲明指向McBSP的句柄*/
McBSP_Config PortConfig={ /*定義寄存器設(shè)置結(jié)構(gòu)*/
0x1800, /*設(shè)置串口控制寄存器1的值*/
0x0000, /*設(shè)置串口控制寄存器2的值*/
0x0040, /*設(shè)置接收控制寄存器的值*/
…
}；
hport0=MCBSP_open(0,MCBSP_OPEN_RESET);/*打開第一個McBSP串口*/
MCBSP_config (hport0,&PortConfig)；/*按結(jié)構(gòu)設(shè)置McBSP的各寄存器*/
（2）MAX3111工作模式及波特率設(shè)置
在進行通信之前，DSP必須首先根據(jù)命令序列格式向MAX3111寫入配置命令字，之后才能進行正確的數(shù)據(jù)傳輸，如8位數(shù)據(jù)位、一位停止位、無奇偶校驗位、波特率為115200、使能接收和發(fā)送中斷的異步數(shù)據(jù)傳輸。DSP對MAX3111進行配置的簡要過程為：
…
McBSP_start(hport0, /*McBSP開始數(shù)據(jù)傳輸*/
McBSP_SRGR_START|MCBSP_SRGR_FRAMESYNC
|McBSP_RCV_START|MCBSP_XMIT_START,0x200
);
while(!McBSP_xrdy(hport0));/*等待發(fā)送寄存器為空*/
McBSP_write16(hport0,0x6E0B); /*向MA3111寫入配置命令字*/
…
（3）中斷服務(wù)程序
在進行中斷方式數(shù)據(jù)傳輸時，需要注意的是：雖然DSP的McBSP有自身的發(fā)送和接收中斷，但由于McBSP與MAX3111之間的同步串行數(shù)據(jù)傳輸速率高于MAX3111將數(shù)據(jù)以一定波特率（最高230kbps）異步發(fā)送的速率，因此如果應(yīng)用McBSP的發(fā)送中斷，將造成發(fā)送數(shù)據(jù)的丟失。同時，在SPI協(xié)議中，數(shù)據(jù)的傳輸是由SPI主設(shè)備發(fā)起的，所以在SPI方式下的McBSP并不能產(chǎn)生接收中斷。因此，本方案應(yīng)用的關(guān)鍵之一是將MAX3111的IRQ中斷信號連接至DSP的一外部中斷，以實現(xiàn)中斷方式下可靠、正確的數(shù)據(jù)傳輸。
針對現(xiàn)有的多數(shù)據(jù)數(shù)字信號處理器（DSP）芯片上不提供異步串行收發(fā)器（UART）接口，而只有同步串行接口的情況。本文通過簡單的硬件電路將同步接口轉(zhuǎn)換為異步串行接口，充分利用了DSP的在片硬件資料，很好地解決了DSP的異步串口擴展問題。此方法在工程實踐中已經(jīng)得到應(yīng)用。實踐證明，在各種波特率下（最高可為230.4kbps），其查詢和中斷方式數(shù)據(jù)傳輸正確、可靠，各元件工作正常 ，并且在此硬件連接的基礎(chǔ)上，利用DSP的DMA功能進行串行數(shù)據(jù)接收及發(fā)送收到了良好效果，進一步提升了應(yīng)用系統(tǒng)的性能。
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