TMS320C54XX系列DSP與PC機(jī)間串行通信的實(shí)現(xiàn)

　　DSP在電子工業(yè)領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。在DSP應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，必不可少的是各種通信接口的設(shè)計(jì)。與并行接口相比，串行接口的最大特點(diǎn)是減少了器件引腳數(shù)目，降低了接口設(shè)計(jì)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(jī)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(duì)列SPI（QSPI）、PHILIPS公司的內(nèi)部IC總線(xiàn)（I2C），National公司的微總線(xiàn)（MICROWIRE）均為同步串行協(xié)議。

　　目前幾乎所有的數(shù)字信號(hào)處理器都提供了一個(gè)或多個(gè)串行接口，然而，多數(shù)DSP芯片提供的是同步串口。在實(shí)際的應(yīng)用中，也需要DSP能夠與外設(shè)進(jìn)行異步串行通信，如與PC機(jī)進(jìn)行串行數(shù)據(jù)傳輸就要求DSP系統(tǒng)具UART串行接口。針對(duì)這種情況，本文研究并實(shí)現(xiàn)了一種簡(jiǎn)單、可靠的異步串口擴(kuò)展方法。

　　1 擴(kuò)展方案

　　綜合分析DSP應(yīng)用系統(tǒng)中擴(kuò)展異步串行接口的方案，其基本方法和優(yōu)缺點(diǎn)如下： （1）在DSP的并行總線(xiàn)上擴(kuò)展UART芯片（如TI公司的TL16C552），用硬件實(shí)現(xiàn)異步數(shù)據(jù)傳輸。優(yōu)點(diǎn)是軟件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是在總線(xiàn)上還需擴(kuò)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(kuò)展其它硬件的情況下，用軟件實(shí)現(xiàn)異步數(shù)據(jù)傳輸格式。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于硬件簡(jiǎn)單，但軟件復(fù)雜，加大了CPU的負(fù)擔(dān)，所以不適合通信數(shù)據(jù)量大的場(chǎng)合。 （3）利用DSP的McBSP同步串行接口，在擴(kuò)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(jìn)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(jiǎn)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(guó)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(wú)需任何其它外圍器件，同時(shí)由于異步數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收由MAX3111以硬件方案實(shí)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(jiǎn)單的硬件連接和軟件編程就能實(shí)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(gè)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(jìn)行通信、交換信息。它使用4條線(xiàn)：串行時(shí)鐘線(xiàn)（SCK）、主機(jī)輸入/從機(jī)輸出線(xiàn)（MISO）、主機(jī)輸出/從機(jī)輸入線(xiàn)（MOSI）、低電平有效的使能信號(hào)線(xiàn)（CS）。這樣，僅需3～4根數(shù)據(jù)線(xiàn)和控制線(xiàn)即可擴(kuò)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(diǎn)

　　TMS320C54XX系列DSP芯片都具有2～3個(gè)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(duì)功能進(jìn)行擴(kuò)展的，除具有標(biāo)準(zhǔn)串口的功能特點(diǎn)外，其靈活性體現(xiàn)在如下幾個(gè)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(shí)鐘極性，支持外部移位時(shí)鐘或內(nèi)部頻率可編程移位時(shí)鐘； （4）擁有相互獨(dú)立的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收幀同步脈沖和時(shí)鐘信號(hào)； （5）多通道發(fā)送和接收，最多可達(dá)128個(gè)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(shí)鐘停止模式時(shí)與SPI協(xié)議兼容。當(dāng)將McBSP配置為時(shí)鐘停止模式時(shí)，發(fā)送器和接收器在內(nèi)部得到同步，這時(shí)McBSP可作為SPI的主設(shè)備或從設(shè)備。發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)（BCLKX）對(duì)應(yīng)于SPI協(xié)議中的串行時(shí)鐘信號(hào)（SCK），發(fā)送幀同步信號(hào)對(duì)應(yīng)于從設(shè)備使能信號(hào)（CS）。在這種方式下對(duì)接收時(shí)鐘信號(hào)（BCLKR）和接收幀同步信號(hào)（BFSR）將不進(jìn)行連接，因?yàn)樗鼈冊(cè)趦?nèi)部與BCLKX和BFSX相連接。McBSP工作于SPI模式的主機(jī)時(shí)，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(diǎn) MAX3111通用異步收發(fā)器是MAXIM公司專(zhuān)門(mén)為小型微處理系統(tǒng)進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)的UART，它包括一個(gè)振蕩器和一個(gè)可編程波特率發(fā)生器；具有一個(gè)可屏蔽的中斷源；另具有一個(gè)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(jìn)行通信，線(xiàn)路簡(jiǎn)單、體積小，通信速率可達(dá)230kbit/s。另外其內(nèi)部除具有UART之外，還包括兩個(gè)RS-232電平轉(zhuǎn)換器，這樣無(wú)需再接入普通的MAX232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，即可應(yīng)用一個(gè)芯片實(shí)現(xiàn)微控器（具有SPI/MICROWIRE接口）與PC機(jī)或其它設(shè)備之間的異步數(shù)據(jù)傳輸。

　　3.2 對(duì)MAX3111的操作

　　MAX3111通過(guò)SPI接口與主設(shè)備進(jìn)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(shí)，也可接收到MAX3111發(fā)送的16位數(shù)據(jù)。主設(shè)備在MOSI線(xiàn)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(yàn)位等，同時(shí)還有發(fā)送的數(shù)據(jù)字。MAX3111在MISO線(xiàn)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(guò)16位的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，主設(shè)備可獲得MAX3111工作狀態(tài)信息，同時(shí)對(duì)其具有完全控制權(quán)利。這樣，兩個(gè)設(shè)備的控制、狀態(tài)、數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)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(jì)

　　DSP的McBSP串行接口工作于SPI模式時(shí)可直接與MAX3111進(jìn)行連接，從而實(shí)現(xiàn)與RS-232設(shè)備進(jìn)行異步數(shù)據(jù)傳輸。此時(shí)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(shí)鐘信號(hào)（BCLKK）作為MAX3111的串行時(shí)鐘輸入，發(fā)送幀同步脈沖信號(hào)（BGSX）作為MAX3111的片選信號(hào)（CS）。BDX與DIN連接作為發(fā)送數(shù)據(jù)線(xiàn)，BDR與DOUT連接作為接收數(shù)據(jù)線(xiàn)。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(shí)現(xiàn)UART到RS-232電平的轉(zhuǎn)換。MAX3111的中斷信號(hào)（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(shí)鐘信號(hào)并控制數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程。由MAX3111接口電路時(shí)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(shí)序相配合。 MAX3111要求在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中CS信號(hào)必須為低電平，在傳輸完畢后必須為高電平。此信號(hào)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(gè)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(shí)鐘信號(hào)，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(shí)鐘源（CLKSM）和時(shí)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(shí)間（XDATDLY）。由圖4可知MAX3111要求在SCLK變高之間的半個(gè)周期開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)。 所以必須為McBSP選擇合適的時(shí)鐘方案，即設(shè)置McBSP的時(shí)鐘停止模式。在本應(yīng)用中采用McBSP的時(shí)鐘停止模式2（CLKSTP=11b，CLKXP=0），這樣即可保證與MAX3111的時(shí)序相配合。 5 DSP的異步通信軟件的設(shè)計(jì) 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(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)，這樣，可以利用DSP開(kāi)發(fā)軟件CCS2.0所提供的DSP/BIOS中的芯片支持庫(kù)函數(shù)（CSL）。CSL提供C語(yǔ)言可調(diào)用的DSP外圍接口庫(kù)函數(shù)，其中包括DMA模塊、McBSP模塊、TIMER模塊等。應(yīng)用這些庫(kù)函數(shù)可大大提高程序可讀性，縮短軟件開(kāi)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(rèn)值即可。 表1 McBSP設(shè)置為SPI模式時(shí)相關(guān)寄存器值 位名稱(chēng)位 值描 述所在寄存器 CLKSTP 11b 使能McBSP的時(shí)鐘貪婪模式，并使其在SCLK變高之前半周期開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù) SPCR1 CLKXP 0 設(shè)置BCLKX信號(hào)的極性 PCR CLKXM 1 設(shè)置BCLKX引腳信號(hào)為輸出（SPI主設(shè)備） PCR RWDLEN1 000～101b 設(shè)置接收數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度（必須與XWDLEN1的值相等） RCR1 XWDLEN1 000～101b 設(shè)計(jì)發(fā)送數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度（必須與RWDLEN1的值相等） XCR1 CLKSM 1 采樣率發(fā)生器時(shí)鐘源CPU時(shí)鐘 SRGR2 CLKGDV 1～255 設(shè)置采樣率發(fā)生器的將頻因子 SRGR1 FSXM 1 設(shè)置BFSX引腳信號(hào)為輸出 PCR FSGM 0 在每個(gè)數(shù)據(jù)包傳輸期間，BFSX信號(hào)都有效 SRGR2 FSXP 1 設(shè)置BFSX信號(hào)為低電平有效 PCR XDATDLY 01b 提供正確BFSX信號(hào)啟動(dòng)時(shí)間 XCR2 RDATDLY 01b 提供正確的BFSX信號(hào)啟動(dòng)時(shí)間 RCR2 根據(jù)表1，調(diào)用CSL的McBSP配置庫(kù)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(kāi)第一個(gè)McBSP串口*/ MCBSP_config (hport0,%26;amp;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(jìn)行通信之前，DSP必須首先根據(jù)命令序列格式向MAX3111寫(xiě)入配置命令字，之后才能進(jìn)行正確的數(shù)據(jù)傳輸，如8位數(shù)據(jù)位、一位停止位、無(wú)奇偶校驗(yàn)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(duì)MAX3111進(jìn)行配置的簡(jiǎn)要過(guò)程為： … McBSP_start(hport0, /*McBSP開(kāi)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(xiě)入配置命令字*/ … （3）中斷服務(wù)程序

　　在進(jìn)行中斷方式數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，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(shí)，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(hào)連接至DSP的一外部中斷，以實(shí)現(xiàn)中斷方式下可靠、正確的數(shù)據(jù)傳輸。 針對(duì)現(xiàn)有的多數(shù)據(jù)數(shù)字信號(hào)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(guò)簡(jiǎn)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(kuò)展問(wèn)題。此方法在工程實(shí)踐中已經(jīng)得到應(yīng)用。實(shí)踐證明，在各種波特率下（最高可為230.4kbps），其查詢(xún)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(jìn)行串行數(shù)據(jù)接收及發(fā)送收到了良好效果，進(jìn)一步提升了應(yīng)用系統(tǒng)的性能。