摘? 要： 目前大多數數字信號處理器(DSP)芯片上未提供通用異步串行收發器" title="串行收發器">串行收發器(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。該方案硬件連接簡單,軟件編程方便,可實現DSP與PC機間的串行通信,具有很高的工程應用價值。
關鍵詞： 異步串行收發器? 多通道緩沖串行接口? DSP? McBSP? SPI? UART
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DSP在電子工業領域得到了越來越廣泛的應用。在DSP應用系統設計中,必不可少的是各種通信接口的設計。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目,降低了接口設計復雜性。串行數據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公司的串行外圍設備接口SPI、隊列SPI(QSPI)、PHILIPS公司的內部IC總線(I2C),National公司的微總線(MICROWIRE)均為同步串行協議。
目前幾乎所有的數字信號處理器都提供了一個或多個串行接口,然而,多數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能夠與外設進行異步串行通信,如與PC機進行串行數據傳輸就要求DSP系統具有UART串行接口。針對這種情況,本文研究并實現了一種簡單、可靠的異步串口擴展方法。
1 擴展方案
綜合分析DSP應用系統中擴展異步串行接口的方案,其基本方法和優缺點如下:
(1)在DSP的并行總線上擴展UART芯片(如TI公司的TL16C552),用硬件實現異步數據傳輸。優點是軟件實現簡單,缺點是在總線上還需擴展其它設備,這樣做使目標系統復雜化,增大系統體積。
(2)利用DSP的McBSP和DMA,在不擴展其它硬件的情況下,用軟件實現異步數據傳輸格式。這種方法的優點在于硬件簡單,但軟件復雜,加大了CPU的負擔,所以不適合通信數據量大的場合。
(3)利用DSP的McBSP同步串行接口,在擴展適當硬件的情況下,將同步數據變換為UART異步數據格式進行傳輸。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,同時由于異步數據的發送和接收由MAX3111以硬件方式實現,所以軟件編程需要考慮的也只是DSP與MAX3111之間的同步數據通信。這樣,用最簡單的硬件連接和軟件編程就能實現同步到異步的串行數據格式轉換。
2 SPI接口協議及DSP的多通道緩沖串行接口
2.1 SPI接口協議
串行外圍設備接口(SPI)是MOTOROLA公司提出的一個同步串行外設接口，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根數據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)，其方便的數據流控制可使其與大多數同步串行外圍設備接口。McBSP是在標準串行接口的基礎上對功能進行擴展的,除具有標準串口的功能特點外,其靈活性體現在如下幾個方面:
(1)雙緩沖區發送,三緩沖區接收,允許連續數據流傳輸;
(2)可與SPI、IOM-2、AC97等兼容設備直接接口;
(3)可編程幀同步" title="幀同步">幀同步、數據時鐘極性,支持外部移位時鐘或內部頻率可編程移位時鐘;
(4)擁有相互獨立的數據發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協議兼容。當將McBSP配置為時鐘停止模式時,發送器和接收器在內部得到同步,這時McBSP可作為SPI的主設備或從設備。發送時鐘信號(BCLKX)對應于SPI協議中的串行時鐘信號(SCK),發送幀同步信號對應于從設備使能信號(/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通用異步收發器
3.1 MAX3111功能特點
MAX3111通用異步收發器是MAXIM公司專門為小型微處理系統進行最優化設計的UART，它包括一個振蕩器和一個可編程波特率發生器;具有一個可屏蔽的中斷源;另具有一個8字節的接收FIFO(先入先出)緩沖器。它應用SPI/MICROWIRE接口技術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。另外其內部除具有UART之外,還包括兩個RS-232電平轉換器,這樣無需再接入普通的MAX232進行電平轉換,即可應用一個芯片實現微控器(具有SPI/MICROWIRE接口)與PC機或其它設備之間的異步數據傳輸。
3.2 對MAX3111的操作
MAX3111通過SPI接口與主設備進行16位數據的全雙工同步通信,即主設備傳送16位數據給MAX3111的同時,也可接收到MAX3111發送的16位數據。主設備在MOSI線上向MAX3111發送的16位串行數據序列中包括傳輸格式控制字,如波特率設置、中斷屏蔽、奇偶校驗位等,同時還有發送的數據字。MAX3111在MISO線上向主設備發送的16位數據序列中除了接收到的數據外,還包括中斷標志等狀態位。所以通過16位的實時數據傳輸,主設備可獲得MAX3111工作狀態信息,同時對其具有完全控制權利。這樣,兩個設備的控制、狀態、數據信息的實時通信就保證了數據傳輸的可靠性和穩定性。
4 DSP與MAX3111的接口設計
DSP的McBSP串行接口工作于SPI模式時可直接與MAX3111進行連接,從而實現與RS-232設備進行異步數據傳輸。此時DSP作為SPI協議中的主設備,其接口電路如圖3所示。
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DSP的發送時鐘信號(BCLKX)作為MAX3111的串行時鐘輸入,發送幀同步脈沖信號(BFSX)作為MAX3111的片選信號(/CS)。BDX與DIN連接作為發送數據線,BDR與DOUT連接作為接收數據線。MAX3111的TX與T1IN連接,RX與R1OUT連接,以便利用其片內的轉換器實現UART到RS-232電平的轉換。MAX3111的中斷信號(IRQ)與DSP的外部中斷相連。
在SPI串行協議中,主設備提供時鐘信號并控制數據傳輸過程。由MAX3111接口電路時序圖(圖4)可知,必須設置DSP的McBSP于適當的方式才能保證與MAX3111的時序相配合。
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MAX3111要求在數據傳輸過程中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,因此必須正確設置DSP的幀脈沖發生器,使之在每個數據包傳輸期間產生幀同步脈沖,即在數據包傳輸的第一位變為有效狀態,然后保持此狀態直到數據包傳輸結束。
McBSP的采樣率發生器產生適當頻率的時鐘信號,由BCLKX引腳輸出,保證主從設備間的同步數據傳輸。因此必須正確設置DSP的采樣率發生器時鐘源(CLKSM)和時鐘降頻因子(CLKGDV)。根據SPI傳輸協議,必須正確設置數據發送延遲時間(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據。
所以必須為McBSP選擇合適的時鐘方案,即設置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計
考慮到應用系統軟件的可移植性和可讀性,數據傳輸軟件采用C語言進行編寫,這樣,可以利用DSP開發軟件CCS2.0所提供的DSP/BIOS中的芯片支持庫函數(CSL)。CSL提供C語言可調用的DSP外圍接口庫函數,其中包括DMA模塊、McBSP模塊、TIMER模塊等。應用這些庫函數可大大提高程序可讀性,縮短軟件開發周期。在本文所提到的應用中,主要調用MCBSP模塊。數據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作為主設備。表1給出了應設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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根據表1,調用CSL的McBSP配置庫函數即可完成McBSP的初始化:
McBSP_Handle hport0；???????????? /*聲明指向McBSP的句柄*/
McBSP_Config PortConfig={???????? /*定義寄存器設置結構*/
????????????? 0x1800，????????????????/*設置串口控制寄存器1的值*/
????????????? 0x0000，????????????????/*設置串口控制寄存器2的值*/
????????????? 0x0040，??????????????? /*設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)； /*按結構設置McBSP的各寄存器*/
(2) MAX3111工作模式及波特率設置
在進行通信之前,DSP必須首先根據命令序列格式向MAX3111寫入配置命令字,之后才能進行正確的數據傳輸,如8位數據位、一位停止位、無奇偶校驗位、波特率為115200、使能接收和發送中斷的異步數據傳輸。DSP對MAX3111進行配置的簡要過程為:
...
McBSP_start(hport0，???????????? /*McBSP開始數據傳輸*/
??? McBSP_SRGR_START|MCBSP_SRGR_FRAMESYNC
? ??? ?|McBSP_RCV_START|MCBSP_XMIT_START， 0x200
???? )；
while(!McBSP_xrdy(hport0))； ?? ?/*等待發送寄存器為空*/
McBSP_write16(hport0，0x6E0B)；? /*向MA3111寫入配置命令字*/
...
(3)中斷服務程序
在進行中斷方式數據傳輸時,需要注意的是:雖然DSP的McBSP有自身的發送和接收中斷,但由于McBSP與MAX3111之間的同步串行數據傳輸速率高于MAX3111將數據以一定波特率(最高230kbps)異步發送的速率,因此如果應用McBSP的發送中斷,將造成發送數據的丟失。同時,在SPI協議中,數據的傳輸是由SPI主設備發起的,所以在SPI方式下的McBSP并不能產生接收中斷。因此,本方案應用的關鍵之一是將MAX3111的IRQ中斷信號連接至DSP的一外部中斷,以實現中斷方式下可靠、正確的數據傳輸。
針對現有的多數數字信號處理器(DSP)芯片上不提供異步串行收發器(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據傳輸正確、可靠,各元件工作正常,并且在此硬件連接的基礎上,利用DSP的DMA功能進行串行數據接收及發送收到了良好效果,進一步提升了應用系統的性能。
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參考文獻
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