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一種基于TMS320C55x DSP的UART通信設計

作者: 時間:2008-05-09 來源:網絡 收藏

摘要:全雙工異步串行上的通常實現方式是利用的McBSP接口加外接芯片實現,這種方法增加了實現的硬件成本和電路復雜度。提出了一種直接利用的MCBSP接口和DMA通道實現的方法,給出了使用C語言和CSL的編程方法。與傳統實現方法相比,具有實現成本低,硬件電路簡單,移植性強等特點,稍加修改可應用于C5000和C6000各系列芯片中。
關鍵詞:DSP;全雙工異步串行;多通道緩沖串口;DMA;過采樣

1引言:
MS320C55x數字信號處理器通過多通道緩沖串口(McBSP)提供了與外設的多種同步串行方式。然而,由于DSP中串行通信由數據信號、幀同步信號和時鐘3種信號配合實現,其中幀同步信號和數據信號由不同的數據線傳輸。而異步串行通信則在一根傳輸線上實現數據發(fā)送或接收,且不需要專門的時鐘信號線。因此DSP與異步設備的接口,如通信實現相對復雜,需要對McBSP的相關寄存器進行正確初始化。DSP中實現全雙工異步通信的通常做法是使用專用的串行接口芯片,如TL16C550,這種方法編程相對簡單,但增加了設計成本和電路復雜度。本文介紹了一種DSP芯片利用McBSP和DMA直接實現UART的方法,該方法實現的DSP異步串行通信模塊已成功應用于控制偏振圖像采集處理的DSP硬件設備中。 www.51kaifa.com/
2UART在DSP上的實現
異步串行通信要求DSP能夠模擬和檢測到UART的幀信號。由于DSP串口是同步串口,而且DSP時鐘為高速時鐘,經分頻或倍頻后無法保證與UART的異步串行時鐘精確同步。DSP的幀同步信號無法與UART的幀信號同步,造成串行通信信號中信號位的偏移。最好的解決方法是減小偏移和對接收的數據流進行過采樣,本文采用了對UART信號的16倍過采樣。www.51kaifa.com/
2.1McBSP設置
DSP的McBSP通過3種信號實現同步通信:數據、幀同步和時鐘。異步通信發(fā)送和接收各在一條線上進行,具有自己的幀時序。
UART的通信時鐘由使用的通信波特率(每秒傳輸的數據位個數)決定,通常為2400,9600,19200等。DSP與UART異步通信時,由于DSP的內部時鐘頻率通常都不是UART時鐘頻率的整數位,因而會造成雙方通信時數據位的偏移,為了盡量減小這種偏移,McBSP的串口時鐘需要正確的設置時鐘頻率以達到與UART波特率相匹配。
數據包(PKTBITS)由起始位、數據位、奇偶校驗位和停止位組成,起始位為1位,停止位通常為1,1.5,2位,數據數通常為8位,如何使用校驗,那么數據包還包括1位校驗位。以上數據位中,每1位都被DSP以16倍波特率的時鐘頻率過采樣。
發(fā)送時,為保證UART能收到半個停止位,需要將DSP的McBSP發(fā)送端口設置為2相的數據幀。第1相為16位的數據字,第2相為8位的數據字。那么第1相數據長度為(起始位+數據位+校驗位)個字,第2相長度為停止位的字長。發(fā)送時的總幀長(TxPKTBITS)為這兩相的總字長。接收數據包格式與發(fā)送相似,其結構如圖2所示。DSP的串口發(fā)送引腳與外部串口設備的接收引腳相連,不使用FSX引腳和CLKX引腳。
接收時,McBSP通過接收幀同步信號引腳(FSR)檢測數據的到來,根據幀同步信號的不同,幀同步信號可配置成上升沿觸發(fā)或下降沿觸發(fā),由于UART的起始位為低電平,因此使用下降沿觸發(fā)。將UART發(fā)送數據信號與McBSP的數據接收引腳DR和FSR相連,實現用UART的發(fā)送信號觸發(fā)McBSP的接收幀同步信號。在McBSP接收一幀數據期間,為了防止下降沿再次觸發(fā)一幀數據接收,McBSP應該設置為接收數據包期間忽略幀同步信號。


圖1UART接收數據包的幀格式


接收完一幀數據后,需要對數據解碼,收于DSP發(fā)送和接收時鐘是UART串口時鐘頻率的16位,因此每個UART數據位對應于DSP中1個16位字(停止位對應8位字)。在McBSP接收寄存器中將接收幀設置為2相,第1相16位字,字長為RxPKTBITS(起始位+數據位+校驗位),第2相為8位字,對應于停止位字數。此外,接收幀延時值應該設置為1位。
3.2McBSP時鐘采樣率設置
McBSP與UART通信時,McBSP接收到一幀的幀同步信號后,該幀期間之后出現的幀同步信號將被忽略。為了獲得最大數據流量,一幀數據發(fā)送結束時,其停止位后緊接著為起始位,幀同步信號的檢測依賴于停止位到起始位的下降沿。為了正確檢測到幀同步信號,高電平應該至少保持一個時鐘周期以上時間。
理想情況下,串口時鐘信號邊沿與數據位邊沿精確對應,此時,每個數據位對應16倍時鐘周期。起始位和串口時鐘的下降沿偏最小,如圖3所示。


圖2McBSP串口時鐘與UART時鐘精確同步時的時序


正常通信時,McBSP的幀同步信號與UART串口的時鐘之間會有一定的偏差,如圖所示。


圖3McbSP串口時鐘與UART時鐘存在偏差時的時序


存在偏差時,為保證McBSP能檢測到接收到信號的下降沿,McBSP的串口采樣時鐘頻率必須準確設置。其設置方法如公式1、2所示。其中,DIV是McBSP寄存中串口采樣時鐘分頻值,DSPCLK是DSP的CPU時鐘頻率,baudrate為通信波特率。
(1)
(2)
通信波特率為19200,DSP時鐘頻率為75MHz,接收數據包為10位(1位起始位,8位數據位,無校驗,1位停止位:PKTBITS=10,RxPKTBITS=9.5),根據公式1計算得DIV,由于分頻值DIV為整數,因此取DIV。根據公式2計算得DIV,取整后得DIV。取DIV最佳值為244。TMS320VC55xDSP以常用波特率通信時的分頻值如表1所示。
表1常用波特率下TMS320VC55x的McBSP串口DIV值

75-MHz DSP Clock

100-MHz DSP Clock

Baud Rate

Divisor

Minimum

Exact

Divisor

Divisor

Maximum

Divisor

Minimum

Exact

Divisor

Divisor

Maximum

19200

240

244.14

248

320

325.52

331

38400

120

122.07

124

160

162.76

165

57600

80

81.68

82

107

108.51

110

115200

40

40.69

41

54

54.25

55


3.2DMA設置
UART通信時,DSP發(fā)送和接收到的數據存儲在數據存儲器中,為了實現DSP的高速處理,減少DSP響應McBSP數據寄存器中斷的次數。發(fā)送和接收數據與McBSP發(fā)送和接收寄存器DXR和DRR之間的數據傳輸通過DMA通道完成。這里以使用DMA通道4和通道5為例,其中,DMA通道4作為數據接收通道,DMA通道5做為數據發(fā)送通道。將通道4和通道5的同步事件分別設置為McBSP串口接收事件和串口發(fā)送事件,DMA通道4的源地址為McBSP的接收寄存器DRR地址,目的地址為數據存儲器中存放接收數據的變量地址;DMA通道5的源地址為數據存儲器中待發(fā)的數據,目的地址為McBSP的DXR寄存器地址。每當McBSP接收到數據時,會觸發(fā)DMA通道4將接收到的數據拷貝到DSP數據存儲器的相應置,同時目的地址指針自動加1;發(fā)送數據時,DMA通道5將待發(fā)送數據拷貝到DXR,將數據依次發(fā)出。
發(fā)送數據時,待發(fā)字符被打包成適于UART接收的數據格式,以發(fā)送16進制無符號數0xAA為例,首先發(fā)送起始位,然后是數據位最低位,最后發(fā)送停止位。該數值在數據存儲器中按地址由低到高的存放格式為:0x0000,0x0000,0xFFFF,0x0000,0xFFFF,0x0000,0xFFFF,0x0000,0xFFFF,0xFFFF。
接收到數據后,取過采樣到的每個16位二進制數據字的中間四位,若中間四位中1的個數不小于3,則表示收到當前的UART數據位值為1;若中間四位中0的個數不小于3,則表示收到當前的UART數據位值為0。否則認為數據傳輸出錯。
4程序設計
在McBSP和DMA寄存器設置正確的基礎上,利用TI公司提供的CodeComposerStudio集成開發(fā)環(huán)境編寫了UART串口通信軟件,軟件開發(fā)中使用了CSL(片上支持庫),使整個開發(fā)過程快速、直觀、具有很強的可讀性。程序流程如圖所示:





圖4TMS320VC55xUART程序流程圖
5實驗分析
硬件和軟件設計完成后,進行了測試實驗,實驗上位機為PC機,DSP處理器為TI公司的TMS320VC5509A,通信波特率為19200,DSP外部晶振頻率為20MHz,CPU時鐘頻率為100MHz,UART數據格式為1位起始位,8位數據位,1位停止位,無校驗。多次實驗結果表明數據發(fā)收準確,無誤碼現象發(fā)生。
6結論
DSP系統直接與外部全雙工異步串行設備的通信時,通過正確的使用DSP上的McBSP和DMA通道,利用16倍過采樣原理準確的計算McBSP通信接口的采樣值和配置相關寄存器,能夠實現DSP與外部異步設備的可靠通信。與傳統的采用串并轉換芯片的實現方法相比,具有更低的成本更簡單的外部電路。本文中的程序針對TI公司的TMS320VC5509xDSP芯片編寫,通過對少數寄存器的修改,該程序可直接應用于TI公司的C5000和C6000系列DSP芯片上。
本文作者創(chuàng)新點:提出了一種直接利用DSP的McBSP接口和DMA通道實現UART的方法,具有實現成本低,硬件電路簡單,移植性強等特點。

參考文獻:
1TMS320VC5509AFixed-PointDigitalSignalProcessorDataManual.TexasInstruments
2TMS320VC5501/5502/5503/5507/5509/5510DSPMultichannelBufferedSerialPort(McBSP)ReferenceGuide.TexasInstruments
3ImplementingaSoftwareUARTontheTMS320C54xwiththeMcBSPandDMA.TexasInstruments
4TMS320VC5503/5507/5509/5510DSPDirectMemoryAccess(DMA)ControllerReferenceGuide
5ChipSupportLibraryAPIReferenceGuide.TexasInstruments
6TMS320C6000McBSP:UART.TexasInstruments
7安穎,劉麗娜.DSP的高速信號采集與處理系統的設計【J】.微計算機信息,2005,1:57-58。



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