摘 要: 提出了兩個微機串口與DSP處理器(TMS320VC5402)HPI(Host Port Interface)口通信問題的解決方案,該方案采用單片機(AT89C2051)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的串/并、并/串轉(zhuǎn)換,并控制DSP的HPI實現(xiàn)共享總線。給出了硬件連接電路和用FPGA作為總線仲裁器的設(shè)計思路,介紹HPI口的操作過程,單片機與微機串口之間通信的硬件設(shè)計方法。
關(guān)鍵詞: DSP 單片機 HPI 串行通信 FPGA
本文所介紹的是我所正在研制的衛(wèi)星CDMA接收機末端DSP與微機串口通信的接口電路。由于CDMA接收機支持兩個獨立CDMA信道的接收,并將兩路解調(diào)后的數(shù)據(jù)分別經(jīng)串口送至不同的計算機做后續(xù)的處理,故接收機需要帶兩個RS232接口。
微機的異步串口與DSP處理器通信的方法通常有三種,第一種方法是采用異步通信芯片擴展串口,如用TI公司的TL16C550完成數(shù)據(jù)的串/并、并/串變換。由于TL16C550提供了豐富的控制管腳和應(yīng)答信號,對其只需設(shè)置一些寄存器就可進行靈活的控制,故編程比較簡單,但對其數(shù)據(jù)的讀取或?qū)懭雱t需要用到DSP的數(shù)據(jù)總線。第二種方法是將DSP的I/O口XF和
,或者將DSP的McBSP口用軟件模擬成異步串口。用這種方法,雖然DSP與微機串口之間無需串/并變換器件,硬件構(gòu)成十分簡單,但DSP的編程比較復(fù)雜,用I/O口線模擬串口需要占用兩個定時器資源,并且只有在DSP操作不繁忙的情況下這種方法才可行。第三種方法是用單片機實現(xiàn)數(shù)據(jù)的串/并、并/串轉(zhuǎn)換。與第一種方法相比較,這種方法增加了對單片機的編程,但單片機可以作為控制器操作DSP的HPI口,對DSP存儲器的數(shù)據(jù)收發(fā)可完全由單片機發(fā)起,DSP幾乎無需作任何操作,也無需用到數(shù)據(jù)總線。在DSP處理過程復(fù)雜、運算量大的情況下,這種方法特別有用。
在本系統(tǒng)中,我們采用的DSP處理器是高性能、低功耗的TMS320VC5402,用以實現(xiàn)系統(tǒng)的MAC層控制和數(shù)據(jù)的編、解碼工作,處理器的工作量很大。另外DSP數(shù)據(jù)總線需要與作為基帶處理器的FPGA芯片(APEXEP20K600E)交換數(shù)據(jù),為避免引入額外的控制邏輯實現(xiàn)與數(shù)據(jù)總線復(fù)用,采用單片機控制HPI口的方法實現(xiàn)DSP與雙串口的通信。考慮到FPGA芯片的存在及節(jié)省成本,沒有采用價格貴且需用高級仿真器開發(fā)的雙串口單片機(如DS80C320),而是采用兩片AT89C2051,并借用物理層FPGA的冗余資源作為總線仲裁器來實現(xiàn)同樣的功能。
1 TMS320VC5402 HPI口結(jié)構(gòu)
TMS320VC5402上的HPI口是增強型的8bit主機接口( Enhanced 8 bit host port interface),專門用于與主機進行通信,通過它主機可以訪問TMS320VC5402片內(nèi)16K的RAM空間。這一接口由一個8bit的雙向數(shù)據(jù)總線和不同的控制管腳組成,能夠支持按高、低字節(jié)傳送16bit數(shù)據(jù)。TMS320VC5402提供三個跟HPI操作相關(guān)的寄存器——地址寄存器HPIA、數(shù)據(jù)寄存器HPID和控制寄存器HPIC。TMS320VC5402只能訪問控制寄存器,而主機則對這三個寄存器都可以訪問。主機欲隨機訪問TMS320VC5402的片內(nèi)RAM,需要先發(fā)送一個16bit地址到HPI地址寄存器(HPIA),然后通過數(shù)據(jù)寄存器(HPID)訪問該地址所指向的存儲單元。主機欲連續(xù)訪問一段RAM空間,則要先送該段的首地址到HPIA,然后以地址自動加一的方式訪問,即主機每訪問一個存儲單元后HPIA自動指向下—個單元。
HPI接口還提供了中斷邏輯同主機進行軟件握手。主機可通過對控制寄存器HPIC的第二位(DSPINT)置1中斷DSP芯片;DSP芯片可通過對HPIC的第三位(HINT)置1中斷主機,此時HPI的引腳
被置為低電平,從而向主機發(fā)出中斷請求;主機還可設(shè)置HPIC的位HINT為1使腳回到高電平,從而清除中斷信號。
下面給出HPI口相關(guān)管腳說明:
HD0～HD7是8位雙向數(shù)據(jù)線,與單片機P1口相連,用于交換數(shù)據(jù)。
HCNTL1/0的組合用于選擇主機所訪問的HPI寄存器,00表明主機訪問HPIC;10表明訪問HPIA;01和11均表明訪問HPID,但01還表明同時啟用HPIA自動增長的功能。
16bit數(shù)據(jù)傳送時,HBIL為0表示傳送的是第一字節(jié),為1表明傳送的是第二字節(jié),其中高8位在第幾個字節(jié)由HPIC中的BOB位決定。
HPI提供兩種鎖存方式,一種是由
(主機地址鎖存信號)的下降沿鎖存各控制信號;另一種是由后三者共同完成,
任何一個的下降沿鎖存各控制信號。我們采用第二種方式,
控制信號的鎖存由
的低跳變來完成。該鎖存信號還指示了一次HPI口操作過程的開始。
HRDY為HPI準備好指示。
為DSP向主機發(fā)出中斷的引腳。
HPIENA為HPI使能控制信號,高電平使能HPI操作。
2 單片機的I/O口分配、連線和程序設(shè)計
2.1 單片機I/O口分配
在本系統(tǒng)中,考慮到板子的面積,選擇了體積小的AT89C2051單片機,并省去了P0和P2口,增加了一個精密的模擬比較器,P1.0和P1.1除了作為I/O口(需外部電阻上拉)外,還同時作為比較器的正負極輸入,而P3.6則專門用作比較器輸出。因此AT89C2051提供了15根雙向I/O口線,除去P3.0和P3.1用作異步串口和P1.0～P1.7用作與HPI口數(shù)據(jù)總線通信外,還有5根I/O口線可用。由于還需要控制HPI口的各控制信號和與DSP的握手信號,剩下的5根I/O口線顯然不夠,所以還在FPGA里設(shè)計一鎖存器,把P1口用作控制/數(shù)據(jù)復(fù)用口。具體的I/O口信號分配如下:
P1.0～P1.7接HPI口的數(shù)據(jù)線HD0～HD7。當作控制信號復(fù)用時,
P1.0接FPGA內(nèi)鎖存器的鎖存信號;
P1.1經(jīng)FPGA鎖存,控制HCNTL0;
P1.2經(jīng)FPGA鎖存,控制HCNTL1;
P1.3經(jīng)FPGA鎖存,控制HBIL;
P1.4經(jīng)FPGA鎖存,控制
P3.2接HPI的;
P3.3接HPI的XF;
P3.4接HPI的HRDY;
P3.5為單片機請求發(fā)送信號,接FPGA的P3.5;
P3.7經(jīng)FPGA控制
鎖存HPI的各控制信號
圖1給出了HPI接口與兩片AT89C2051之間的連接圖。
2.2 單片機程序設(shè)計要點
上面講到,P3.5作為單片機的發(fā)送請求信號,當無數(shù)據(jù)發(fā)送時為高電平,當為低電平時則表示單片機想要發(fā)送數(shù)據(jù),向總線仲裁器申請使用總線,總線仲裁器判斷當前誰可以使用總線,然后通過外中斷0中斷DSP處理器,同時通過
口告知DSP當前可以使用總線的單片機,最終由DSP通過XF管腳集中控制單片機的總線使用權(quán)。單片機在獲取總線使用權(quán)并發(fā)送完數(shù)據(jù)后,向HPI的控制寄存器的DSPINT位寫1,用中斷通知DSP。在單片機需接收數(shù)據(jù)時,DSP首先設(shè)置XF腳,選擇由哪個單片機接收,然后設(shè)置腳為低,通過中斷告知單片機進行接收。單片機從HPI口接收時也應(yīng)置P3.5為低,以便保持總線仲裁器的單片機選擇信號與XF腳一致。
在對單片機編程時需要注意以下幾點:(1)由于兩個單片機共享總線,為保證相互之間不會干擾,沒有使用總線的單片機P1口必須處于高阻態(tài)。根據(jù)P1口的內(nèi)部結(jié)構(gòu),單片機不使用總線時,往P1口寫入0xFF即可達到這一目的。(2)由于P1口作為控制/數(shù)據(jù)信號復(fù)用口,故編程時,對每次HPI口操作,先在P1口送出控制信號,接著設(shè)置P1.0產(chǎn)生低→高的跳變,把控制HPI口的P1.1～P1.4信號鎖存到FPGA內(nèi)部的鎖存器,這時P1口才能作為數(shù)據(jù)端口,在P3.7產(chǎn)生一低跳變后,發(fā)起一次數(shù)據(jù)傳遞。(3)編程時,應(yīng)防止單片機被同時要求對HPI口進行收、發(fā)操作。這可以依據(jù)實際情況,靈活地進行處理,限于篇幅,不再贅述。
3 總線仲裁器的設(shè)計
總線仲裁器的功能主要是根據(jù)單片機P3.5的總線請求信號,選擇當前可以使用總線的單片機,仲裁器的設(shè)計需做到單片機能夠公平競爭總線使用權(quán)。在兩個單片機競爭總線的情況下,用一個簡單的狀態(tài)機即可達到目的。狀態(tài)機state僅有兩個狀態(tài)S0和S1,P3.5為高電平時,不申請總線,狀態(tài)機保持原狀態(tài);P3.5為低電平時,則根據(jù)當前請求總線的單片機,狀態(tài)機轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的狀態(tài)。如單片機同時申請使用總線,則保持當前的狀態(tài)不變。下面給出狀態(tài)轉(zhuǎn)換表(S0表示選擇單片機1,S1表示選擇單片機2):
state, MCU1_P3.5, MCU2_P3.5 => state;
S0, 0, x => S0;
S0, 1, 0 => S1;
S0, 1, 1 => S0;
S1, x, 0 => S1;
S1, 0, 1 => S0;
S1, 1, 1 => S1;
當狀態(tài)機有狀態(tài)變換時,用FPGA產(chǎn)生一個脈寬約為1μs的低電平脈沖。這一信號接DSP外中斷
腳,用于中斷DSP,并且將狀態(tài)機的當前狀態(tài)通過腳告知DSP,指明正在請求使用總線的單片機。
此外,如前所述,FPGA內(nèi)部還設(shè)置一鎖存器,由P1.0的高跳變將P1口送出的HPI口控制信號鎖存。至于控制
的兩個P3.7信號,在FPGA內(nèi)部只需將兩信號相與即可。
4 單片機與微機串口的硬件連線
在IBM PC/XT微機系統(tǒng)中,其串口符合RS-232C接口標準。為提高抗干擾能力,RS-232C標準采用負邏輯,低電平在-5V～-15V之間(通常用-12V表示)為邏輯“1”,高電平在+5V～+15V之間(通常用+12V表示)為邏輯“0”。上述電平稱為EIA電平,它與TTL電平和CMOS電平不同。為了使AT89C2051能與微機進行串行通信,可以利用MAX232完成RS-232C電平與TTL電平的相互轉(zhuǎn)換。圖2給出了硬件連線圖。
單片機程序在完成對串口的工作模式和波特率設(shè)置等初始化過程后,即可開始與串口通信。通信方式有查詢方式和中斷方式兩種。由于查詢方式需CPU不斷查詢標志位,程序效率不高,故在單片機操作比較繁忙時通常采用中斷方式,具體的編程應(yīng)用這里不再介紹。
介紹了通過FPGA芯片作為總線仲裁器,實現(xiàn)微機雙串口各自通過AT89C2051與DSP HPI口通信的設(shè)計方法。該電路與采用專用芯片的電路相比,并不顯得復(fù)雜,比較實用。由于與DSP存儲器之間的數(shù)據(jù)交換完全由單片機發(fā)起,DSP就可以從數(shù)據(jù)的傳遞中解脫出來,去完成更復(fù)雜的控制和運算。實踐證明,這一電路能很好地達到我們的設(shè)計要求,在異步數(shù)據(jù)傳輸速率為9600bps情況下,可以可靠地實現(xiàn)微機雙串口與DSP之間的通信。
參考文獻
1 TMS320C54x DSP Enhanced Peripherals,TI Reference Set,Volume 5(spru302).Texas Instrument,June,1999:4-1～4-36
2 MAX232,MAX232I DUAL EIA-232 DRIVER/RECEIVER.Texas Instrument,1998
3 TMS320VC5402 Fixed-Point Digital Signal Processor(sprs079d). Texas Instrument, January 2000
4 AT89C2051,8-Bit Microcontroller with 2K Bytes FLASH.Atmel, 1997
5 蔡美琴,張為民.MCS-51系列單片機系統(tǒng)及其應(yīng)用.北京:高等教育出版社,1992