隨著通信技術的不斷發展，通信系統信號處理越來越快。在這種情況下，對于高速通信系統性能的檢驗，就需要高速誤碼測試儀。目前市而上已有多種誤碼測試儀。國內產品的信號處理速度較低，而國外產品的功能雖然比較完善，處理速度很高，但其價格也相對較高。本文根據Vitesse公司的VSC8228芯片特點，利用C8051F005單片機設計出一種價廉的高速誤碼測試儀。下面將對其軟硬件設計，特別是C8051F005與上位機的串口通信以及與VSC8228的SPI通信進行詳細探討。
1誤碼測試系統概述
Cygnal公司的單片機C8051F005具有高速8051微控制器內核，速度可達25MIPS，指令為流水線指令結構，70％的指令的執行時間為1個或2個系統時鐘周期；可片內JTAG調試和邊界掃描，這樣可提供全速、非侵人式的在系統調試(不需仿真器)；片內有多達60KB的FlashROM和2KB RAM，用戶無需再外擴存儲器；可同時使用的硬件SMBus(I2C兼容)、SPI及UART串口，4個通用16位計數器／定時器。
VSC8228可提供的一個雙通道重發器或重定時器，能應用于光纖信道、千比特以太網、SONET／SDH以及無限帶寬等多種領域。設備支持速率從125Mbps～4.25Gbps。該芯片可以將輸入的串行數據在重定時器模式下與本地的參考時鐘同步，內置的碼型產生器與檢測器可以產生與探測27、223、231的偽隨機碼，40或64位用戶定義碼型以及光纖信號CRPAT、CJTPAT、CSPAT碼型。它含128個寄存器，可通過SPI或者I2C串行總線設置相關寄存器，可以實現誤碼檢測功能。
誤碼測試系統可分為兩個部分：誤碼測試部分和人機界面。測試部分由VSC8228芯片來實現。它完成偽隨機碼型的產生、同步及對比檢測，計算出誤碼個數。人機界面子系統在整個測試系統中作為系統控制核心單元，通過人機界面完成系統作業。以C8051F005單片機作為人機界面硬件的控制部分，對VSC8228芯片的控制、誤碼率的計算以及測試子系統的各狀態的顯示都通過PC機的界面來實現。PC界面采用Delphi語言編寫。
誤碼測試儀的工作流程如下：PC界面通過RS232串口實現與C8051F005的通信，將對VSC8228各寄存器的沒置發送給C8051F005單片機，每個控制命令為16位；單片機通過SPI口將上位機發送過來的控制命令轉發給VSC8228，完成VSC8228各寄存器的設置。為了實時地顯示誤碼測試儀的工作狀態，單片機每秒掃描一次各寄存器，將其值通過RS232串口上傳到PC界面。
由此可見，C8051F005單片機起著VSC8228與上位機通信的橋梁作用，它與上位機的串口通信以及與VSC8228的SPI通信在誤碼測試儀的實現過程中起著十分重要的作用。下面通過軟硬件設計詳細分析這兩種通信。
2 誤碼測試系統的實現
2.1 硬件設計
利用C8051F005單片機的串行接口，通過RS232異步通信接口與上位機進行通信。C8051F005通過串行口直接接收PC上位傳送來的串行數據，然后把接收的數據存入數據存儲器；同樣，C8051F005通過串行口直接把數據傳送給PC機。系統結構框圖如圖1所示。
C8051F005有一個特別的交叉開關，可將數字I／O資源分配到物理I／O端口引腳。C8051F005通過設置交叉開關來同時使用SMBus(I2C兼容)、SPI及UART串口等。VSC8228也可通過SPI或者I2C串行總線設置相關寄存器，但由于SPI通信的速率比I2C通信快，因此為了實現誤碼的高速測試，這里選擇SPI作為C8051F005與VSC8228的通信協議。
SPI接口協議要求接口設備按主從方式進行配置，且同一時間內總線上只能有一個主器件。一般情況下，實現SPI接口需要3或4根線。其中：主出從入(MOSI)信號是主器件的輸出和從器件的輸入，數據傳輸時最高位在先；主人從出(MISO)信號是從器件的輸出和主器件的輸入，數據傳輸時也是最高位在先。當SPI從器件未被選中時，它將MISO引腳置于高阻狀態。串行時鐘(SCK)信號是用于同步主器件和從器件之間在MOSI和MISO線上的串行數據傳輸。從選擇(NSS)信號是一個輸入信號，主器件用它來選擇處于從方式的SPI模塊，在主方式時用于禁止SPI模塊。當處于從方式時，它被拉為低電平以啟動一次數據傳輸，并在傳輸期間保持低電平。
誤碼測試系統中，以C8051F005作為主器件，VSC8228為從器件，由于NSS為從器件選擇使用，將單片機的NSS引腳(P0.5)置高，用P2.4引腳與VSC8228的NSS引腳(PIO3)相連。根據MOSI及MISO上的數據在SCK的哪種極性和相位上有效，單片機上的SPI通信有四種工作模式；但是VSC8228的SPl只有一種工作模式，故在對單片機的SPI控制器進行設置時必須考慮這點。圖2是VSC8228的SPI通信時序。在SPI通信時，先傳輸7位地址，后傳輸讀寫控制位OP(OP為0時表示讀，OP為1時表示寫)，最后傳輸8位數據，故SPI通信的命令字長度為16位。
2.2 下位機軟件設計
下位機采用中斷方式實現與上位機的通信，單片機用SPI與VSC8228誤碼測試模塊的通信。每當串行口接收或發送完一組串行數據時，就產生一個中斷請求。串行中斷請求在單片機芯片內部自動由硬件置位發生，具有實時性高的特點。圖3是單片機的控制程序流程。
對單片機進行程序初始化，包括看門狗、系統時鐘、I／O口、SPI寄存器、UART口等。C8051F005單片機具有看門狗，但是看門狗到一定時間，將重啟單片機，為防止這種現象的產生，初始化里禁止了看門狗。SPI的初始化主要是對啟動SPI的相關控制寄存器進行配置。UART的初始化主要是對串口的控制字進行設置。I／O口的初始化通過設置交叉開關來啟動SPI與UART口，并將有關輸出設置為推挽輸出。
系統時鐘初始化模塊，由于是選擇外部晶振作為時鐘源，根據C8051F005的要求，在通過外部振蕩器控制寄存器OSCXCN選擇了外部晶振后，需等待至少1ms后再查詢等待OSCXCN寄存器中的D7位，即XTLVLD位變為1，表明外部晶振正在運行并已工作穩定，然后才能通過內部振蕩器控制寄存器OSCICN的D3位，即CLKSL置1來選擇外部晶振。
C8051F005使用4個特殊功能寄存器來實現對SPI的控制和訪問。這4個寄存器分別是控制寄存器(SPI0CN)、數據寄存器(SPI0DAT)、配置寄存器(SPIOCFG)和時鐘頻率寄存器(SPI0CKR)。當以C8051F005為主器件時，應將主允許標志(MSTEN，SPI0CN.1)置1，同時將SPI使能SPIEN(SPI0CN.0)置1。通過CKPHA(SPI0CFG.7)和CKPOL(SPI0CFG.6)可選擇SPI相位與極性，從而實現SPI通信的四種模式，但因為VSC8228只支持一種方式，所以將它們同時置為0，則空閑時SCK為低，此時的系統將在上升沿發送數據，下降沿接收數據(時序圖見圖2)。由于在MCU中，SCK的頻率可從系統時鐘分頻得到，因此該頻率可由下式給出：
其中fsysclk是系統時鐘頻率，SPI0CKR是SPI0CKR寄存器中的8位值。
為了防止上次測試對本次的影響，在程序的初始化之后，對VSC8228寫入重肩命令，這樣每次運行程序都將VSC8228的寄存器恢復為默認值。界面發送的數據為16位，其中8位地址，8位數據，而且每個數據是一個字符。為讓單片機識別控制命令已發完，最后一個16位數據設為FFFF。另外，每16位數據之間加入了100 ms的延時，這樣Spcomm控件就會把每16位數據當成1幀，單片機也能夠正確地接收所有數據。
單片機用中斷的方法來接收界面傳過來的數據。每接到一個數據，即一個字符，就執行中斷子程序，將接收到的數據的最低位存人數組。串口中斷子程序流程如圖4所示。當接收到16個，就接收完1幀，轉入執行主程序去對收到的16位進行處理。處理過程就是將收到的16個數據(存放在數組中)，通過移位跟“或”運算，綜合成16位的數據。然后，通過移位運算，取高8位作為地址，低8位作為數據。對于接收的16位數據，如果不是FFFF，則將提取出來的8位數據，發送給提取出來的8位地址對應的寄存器；如果接收的16位數據為FFFF，表示所有的控制命令已經發完，這時VSC8228的全部寄存器設置完畢，VSC8228的碼型產生模塊以及檢測模塊開始工作。此時，單片機每秒掃描一次所有寄存器的值，并將其值通過串口傳給界面，界面對串口傳送過來的數據進行處理。
本設計中，SPI的數據傳輸過程如下：
① 關閉中斷允許。
② MCU將VSC8228的NSS拉低(即置P2.4=0)，以選中從器件VSC8228。
③ 將待發送的數據寫入數據寄存器(SPI0DAT)，即寫發送緩沖器。如果SPI移位寄存器為空，發送緩沖器中的數據字節被傳送到移位寄存器，數據傳輸開始。
④ 在SCK上提供串行時鐘，同時在MOSI線上串行移出數據。傳輸結束后，SPIF(SPI0CN.7)標志被置1。
⑤ 傳輸結束，將NSS拉高，打開中斷允許。
以下是SPI寫VSC8228測試程序的關鍵代碼：
2.3 上位機軟件設計
上位機主要實現以下功能：顯示當前日期和時間；根據檢測需要設置檢測參數(產生碼型、檢測碼型、速率、輸出去重、擺動輸入均衡、探測門限等)；運行時間及BER的計算，控制按鈕及LED顯示檢測狀態。狀態燈可以顯示的狀態有“無信號”、“同步態”、“失同步態”與“等待態”等。它是在WindowsXP環境下采用Delphi語言編寫的。首先在Delphi里加載串行通信功能的SPCOMM控件，它使用非常方便。由于Delphi采用事件驅動模式，程序員只需要對Delphi組件的屬性、事件進行編程，然后再由這些組件對相應的事件進行響應。這樣就使得各個事件彼此完全獨立，減少事件間的耦合性，可以大大提高程序的穩定性和可靠性，同時簡化程序的編碼過程。
SPCOMM應用的核心在于主線程、讀線程和寫線程之間的消息傳遞機制，而通信數據相關信息的傳遞也是以消息傳遞的方式進行的。在使用SPCOMM進行串口通信編程時，需特別注意以下兩個問題：首先，SPCOMM是通過ReadIntervalTimeout屬性的設置來確定所接收到的數據是否屬于同一幀數據的，其默認值是100 ms。也就是說，只要任何兩個字節到達的時間間隔小于100 ms，都被認為是屬于同一幀數據。另外，SPCOMM的默認屬性設置是支持軟件流控制的，用于流控制的字符是13H(XoffChar)和11H(XonChar)，當單片機以二進制方式發送數據時，必須禁用SPCOMM對于軟件流控制的支持，即Inx_XonXoff-Flow屬性設為False，否則，在數據幀中出現的13H、11H會被SPCOMM作為控制字符而加以忽略。
由于單片機的SPI口對VSC8228進行控制時須向每個寄存器發控制字，所以界面就要求發送1個地址加1個字節數據的形式，這樣就有16位；同時為單片機能夠方便地分清每個幀(1字節地址加1字節數據)，每次發送1幀就延時100 ms。單片機每秒掃描1次VSC8228的全部寄存器，并將數據傳送給界面，因此，界面首先要一幀一幀地識別出來，然后對于某些地址的數據進行特定的操作。
誤碼率是誤碼個數與碼總個數的比值。碼總個數是檢測時間和速率的乘積。對不同的速率有不同的總數。由此，得出誤碼率。
關鍵代碼如下：
3 誤碼測試性能
本設計經實驗測試，上位機與下位機的串口通信以及MCU與誤碼測試模塊的通信都能正確傳輸。為適應高速測試，目前SPI的傳輸速率(指SCK頻率)為2 MHz。根據本方案設計誤碼檢測儀已運用于EPON光收發模塊的連續碼測試。與臺灣宜捷威科技的FMTS-3000以及安立的MP1630的測試比較結果看，本誤碼測試儀其誤碼數量級與上述兩種設備基本一致，但是不能支持突發誤碼的測試。對突發誤碼測試的支持是項目組下一步研究的目標。
結 語
VSC8228芯片支持速率多樣，它內置PBRS及其他碼型的產生及探測模塊。筆者利用該特點設計出一種基于C8051F005單片機的廉價高速誤碼儀，探討了利用Delphi里的SPCOMM控件來實現PC機與C8051F005之間串行通信的方法，以及C8051F005與VSC8228的SPI通信過程。設計的誤碼儀支持的測試碼型有27、223、231的偽隨機碼，40或64位用戶定義碼型以及光纖信號CRPAT、CJT-PAT、CSPAT碼型等，一次可測誤碼高達43億個，可測碼速高達4.25 Gbps在EPON光收發模塊中實現了誤碼測試，效果較好，而且功耗低，有較高的實用價值。