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TMS320C32擴展異步串口的方法
摘要：介紹了TMS320C32 DSP實現(xiàn)異步串行通信接口的三種方法：軟件模擬實現(xiàn)、硬件實現(xiàn)、專用協(xié)議芯片實現(xiàn)。給出了具體實現(xiàn)的硬件接口和軟件編程。在接口的第二種和第三種實現(xiàn)方法中，都使用了FPGA實現(xiàn)邏輯接口。關(guān)鍵詞：數(shù)字信號處理 異步串行接口 現(xiàn)場可編程邏輯陣列 電氣傳動控制
高速數(shù)字信號處理器(DSP)在現(xiàn)代工業(yè)控制中，特別是電氣傳動控制中的應用非常廣泛。大量文獻介紹的應用于電氣傳動控制的DSP使用的是TI公司的，TMS320系列DSP芯片，這其中又以TMX210C3X和TMS320F24X為主流應用產(chǎn)品。TMS320C32(以下簡稱為C32)是TMS320C3X系列產(chǎn)品中應用比較多的一種。主工業(yè)控制中，常常需要使用上位PC機來控制底層的DSP芯片，一般采用異步串行通信協(xié)議，使用RS-232或485來實現(xiàn)。C32自身帶有的串口為同步串口。為了實現(xiàn)C32和PC機之間的串行口通信，必須擴展C32的全雙工異步串口(UART)功能。
C32實現(xiàn)UART接口的方法有三種：
(1)使用C32的現(xiàn)有資源模擬串行口的功能；
(2)使用可編程芯片(例如FPGA)實現(xiàn)同步和異步協(xié)議的轉(zhuǎn)換；
(3)使用專用的異步通信器件(ACE)實現(xiàn)，例如PC機上使用16C550系列實現(xiàn)UART。
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1 使用C32的現(xiàn)有資源模擬串行口的功能
通過使用兩個通用I／O引腳、兩個定時器和一個外部中斷，可以用軟件模擬UART的功能。使用中斷實現(xiàn)軟件模擬UART采用的通訊格式為：波特率9600bPs、8個數(shù)據(jù)位、一個停止位、無奇偶校驗位。這種實現(xiàn)方法由Ted Fried高級計算機通信公司提供。
1．1 硬件
圖1為硬件連接線圖。接收線同時接到INT0和XFl引腳。起始位數(shù)據(jù)的下降沿觸發(fā)外部中斷INT0。傳輸線接到XFO引腳，使用上拉電阻輸出。
圖2
1．2 軟件
1．2．1 接收數(shù)據(jù)
根據(jù)UAHT協(xié)議，接收到的第一個數(shù)據(jù)是起始位，在軟件中。起始位會觸發(fā)一個外部中斷INT0。害INT0的中斷服務程序例程RXINT0中，定時器0首先玻裝入一個時間常數(shù)，這個時間常數(shù)的定時時間等于半個數(shù)據(jù)位的延遲時間；然后裝入定時器0的中斷向量表，并允許定時器中斷0，程序返回主程序，等待定時器0中斷。如果定時器0觸發(fā)中斷，RX-TMR-INT(接收定時器中斷)例程則開始技行接收工作。第一個定時時間為半個數(shù)捉位的時間．CPU在接收位的中間時刻采樣XFI的數(shù)據(jù)，并且驗證接收到的數(shù)據(jù)是否為一個低電平。如果驗證正確，表示接收到的數(shù)據(jù)為一個起始位，就可以接收數(shù)據(jù)了。在接收數(shù)據(jù)時，重新裝載定時器0的定時值為一個數(shù)據(jù)位的時間并且啟動定時器0，程序返回主程序，等待定時器0中斷的到來。
在隨后的定時器0的服務程序中，實現(xiàn)了在接收位的中間時刻采樣接收線的狀態(tài)來得到實際數(shù)據(jù)。將這些接收到的數(shù)據(jù)移位到一個存儲器單元中。在第9次中斷時，對接收到的停止位進行驗證。如果正確，軟件執(zhí)行一個陷阱中斷，程序返回到主程序。如果不正確，調(diào)用BAD_STOP_BIT子程序進行相應的錯誤處理。接收數(shù)據(jù)被處理完后，重新允許外部中斷0，等待下一個起始位的到來。
1．2．2 發(fā)送數(shù)據(jù)
發(fā)送數(shù)據(jù)例程開始于主程序裝載一個數(shù)據(jù)到指定的存儲器中，并且調(diào)用TX_MAIN例程。在這個例程中，狀態(tài)定時器1的定時時間為一個數(shù)據(jù)位的時間，重新設置傳輸計數(shù)器的值，設置起始位，并且允許定時器l中斷，返回主程序，等待定時器1中斷的到來。只有傳輸計數(shù)器的值為0時，主程序才會允許重新裝載下一個需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)到指定的存儲器中。在定時器1的中斷子程序TX_INT中，程序?qū)⒁獋鬏數(shù)臄?shù)據(jù)(包含起始位、數(shù)據(jù)位和停止位)從XF0引腳上移位出去，直到傳輸計數(shù)器的值為0。
圖3
具體的程序代碼請見參考文獻[1]。
2 使用FPGA實現(xiàn)異步和同步串行接口間的協(xié)議轉(zhuǎn)換
有許多應用需要使用硬件UART。使用FPGA可以將同步串行口協(xié)議轉(zhuǎn)換為異步串行口通信協(xié)議。具體的邏輯框圖如圖2所示。
系統(tǒng)使用的時鐘為25MHz，F(xiàn)PCA中使用的時鐘來源于C32的H3引腳。通信協(xié)議為：波特率9600bps、一個起始位、一個停止位、沒有奇偶檢驗位。圖3所示為傳輸電路。
通過設置傳輸定時器的定時值可以得到需要的9600bps的波特率。傳輸端口被配置為爆發(fā)傳輸模式，它可以產(chǎn)生UART的一個起始位。8個數(shù)據(jù)位之后的停止位可通過電路來實現(xiàn)。圖4為接收電路圖。
當電路檢測到起始位時，接收電路開始工作。起始位的邏輯擅為0。延遲電路在起始位的下降沿被激活。延遲電路的設置使數(shù)據(jù)的采樣發(fā)生在每個數(shù)據(jù)位的中間時刻，它提高了系統(tǒng)抗噪聲的能力。
圖4
3 使用ACE實現(xiàn)UART
微機上最早使用的ACE是8250，16C550是8250的功能升級器件。器件在結(jié)構(gòu)上的最大差別是16C550增加了接收和發(fā)送FIFO，因此器件能夠處于交替工作模式，減輕CPU額外的軟件負擔。在這種模式下，無論是接收還是發(fā)送，在可訪問的緩沖寄存器和不可訪問的移位寄存器之間都增加了16字節(jié)的FIFO(包含放在接收FIFO中的3位錯誤數(shù)據(jù)字節(jié))，可以使系統(tǒng)負擔最小且系統(tǒng)效率最高，而且所有的邏輯功能都在16C550芯片上完成。TLl6C550A有兩個管腳功能(N封裝系列中引腳24和29，F(xiàn)N封裝系列中的27和32)已經(jīng)被改變，使用這兩個信號可以允許信號使用DMA的方式來傳輸。
TLl6C550的主要功能為：TLl6C550在接收外部器件或MODEM的數(shù)據(jù)時?完成串行到并行的轉(zhuǎn)換；在接收CPU的數(shù)據(jù)時，完成數(shù)據(jù)的并行到串行的變換，并進行串行發(fā)送。在ACE器件工作的任何狀態(tài)下，CPU可以讀和通報ACE器件的狀態(tài)。通報的狀態(tài)信息包括：傳輸操作正在進行過程中、操作狀態(tài)、遇到了何種錯誤等，TLl6C550的內(nèi)部包含一個可編程的波特率發(fā)生器，波特率為16x內(nèi)部輸入時鐘頻率．此內(nèi)部輸入時鐘頻率由輸入的參考基準振蕩器分頻(由波特率分頻寄存器的值決定)得到。TLl6C550具有完全的MODEM控制能力。包含一個處理器中斷系統(tǒng)，根據(jù)用戶的專用需要而設計，在處理通訊連接時，計算量是最小的。TLl6C550有兩種封裝形式：N PACKAGE (40腳) 和FN PACKAGE(44腳)。TL16C550的管腳按功能可以分為：外部時鐘輸入及波特率控制信號；數(shù)據(jù)和地址總線；片選及讀寫控制信號；MODEM控制信號；復位及中斷控制信號。
如果C32要和PC機通訊，可使用TL16C550完成串行協(xié)議的轉(zhuǎn)換。TLl6C550的輸出接口要和一個電平轉(zhuǎn)換芯片連接，用于和PC機的串行通訊接口互聯(lián)。完整的接口示意圖如圖5所示。
其中的MAX232可以使用MAXIM公司的MAX3238來實現(xiàn)。
接口電路分為兩大部分：DSP C32和串行通訊芯片TLl6C550之間的接口；串行通訊芯片TLl6C550和PC機之間的接口。完整的電路原理圖如圖6所示。
接口邏輯可以使用集成的CPLD實現(xiàn)，本系統(tǒng)中使用的是ALTERA公司的EPM7128SLC184-10。它將芯片TLl6C550作為DSP C32的一個外設端口送行尋址。
圖6
相應的接口邏輯使用AHDL語言描述，具體如下：
TL16C550A一共使用8個地址對內(nèi)部寄存器進行訪問和控制。相對DSP C32系統(tǒng)而言，如果使用了上面的譯碼邏輯電路，則占用的8個地址為：0X818000～0X818007。
TLl6C550A串行接口寄存器的尋址表如表1所示。
表1 TL16C550A的寄存器尋址表
DLAB表示線路控制寄存器的第7位的邏輯值。
在程序中，使用邏輯地址0X818000～0X818007對TLl6C550A的各個寄存器進行尋址就可以了。
本文介紹的三種實現(xiàn)C32異步串行口的方法，前兩種方法使用不是非常方便，而且占用了大量的C32系統(tǒng)資源，一般都使用第三種方法來實現(xiàn)C32和PC機之間的通信。
使用TL16C550實現(xiàn)DSP和PC機的通信，接口方便、控制簡單、編程靈活，試驗證明它是非常簡便可靠的實現(xiàn)方法。
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