摘? 要： 目前大多數(shù)數(shù)字信號處理器(DSP)芯片上未提供通用異步串行收發(fā)器" title="串行收發(fā)器">串行收發(fā)器(UART),只提供2~3個同步串行接口" title="串行接口">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
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DSP在電子工業(yè)領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應用。在DSP應用系統(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。
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" title="串口">串口。在實際的應用中,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)具有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,這樣做使目標系統(tǒng)復雜化,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,但軟件復雜,加大了CPU的負擔,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以硬件方式實現(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。
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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是在標準串行接口的基礎(chǔ)上對功能進行擴展的,除具有標準串口的功能特點外,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" title="幀同步">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" title="時鐘信號">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)對應于SPI協(xié)議中的串行時鐘信號(SCK),發(fā)送幀同步信號對應于從設(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。
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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)置、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。
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DSP的發(fā)送時鐘信號(BCLKX)作為MAX3111的串行時鐘輸入,發(fā)送幀同步脈沖信號(BFSX)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?shù)姆绞讲拍鼙ＷC與MAX3111的時序相配合。
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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變高之前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,在本應用中應將TMS320C54XX DSP的McBSP串行口配置為SPI模式,以DSP作為主設(shè)備。表1給出了應設(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。
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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)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的在片硬件資源,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,進一步提升了應用系統(tǒng)的性能。
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參考文獻
1 TMS320C54 DSP CPU And Peripherals Reference Set.Texas Instruments， Vol1， April，2001
2 TMS320C54 DSP Applications Guide Reference Ser.Texas?Instruments， Vol4， October，2001
3 TMS320C54X Chip Support Library API User’s Guide，October，2001
4 MAXIM 2001 New Releases Data Book Volume Ⅶ.MAXIM，2001
5 胡又農(nóng),趙錦紅.具有IrDA模式的UART芯片MAX3100及其應用. 國外電子元器件,1999;8(3)
6 王魯南.MAX3100在串行紅外數(shù)據(jù)與RS232轉(zhuǎn)換器中的應用.電子工程師,2000(2)
7 戴明禎,周建江.TMS320C54X DSP 結(jié)構(gòu)、原理及應用.北京:北京航空航天大學出版社,2001