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TMS320C32擴(kuò)展異步串口的方法
摘要：介紹了TMS320C32 DSP實(shí)現(xiàn)異步串行通信接口的三種方法：軟件模擬實(shí)現(xiàn)、硬件實(shí)現(xiàn)、專(zhuān)用協(xié)議芯片實(shí)現(xiàn)。給出了具體實(shí)現(xiàn)的硬件接口和軟件編程。在接口的第二種和第三種實(shí)現(xiàn)方法中，都使用了FPGA實(shí)現(xiàn)邏輯接口。關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)處理 異步串行接口 現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列 電氣傳動(dòng)控制
高速數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)在現(xiàn)代工業(yè)控制中，特別是電氣傳動(dòng)控制中的應(yīng)用非常廣泛。大量文獻(xiàn)介紹的應(yīng)用于電氣傳動(dòng)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(yīng)用產(chǎn)品。TMS320C32(以下簡(jiǎn)稱(chēng)為C32)是TMS320C3X系列產(chǎn)品中應(yīng)用比較多的一種。主工業(yè)控制中，常常需要使用上位PC機(jī)來(lái)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(lái)實(shí)現(xiàn)。C32自身帶有的串口為同步串口。為了實(shí)現(xiàn)C32和PC機(jī)之間的串行口通信，必須擴(kuò)展C32的全雙工異步串口(UART)功能。
C32實(shí)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(shí)現(xiàn)同步和異步協(xié)議的轉(zhuǎn)換；
(3)使用專(zhuān)用的異步通信器件(ACE)實(shí)現(xiàn)，例如PC機(jī)上使用16C550系列實(shí)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(guò)使用兩個(gè)通用I／O引腳、兩個(gè)定時(shí)器和一個(gè)外部中斷，可以用軟件模擬UART的功能。使用中斷實(shí)現(xiàn)軟件模擬UART采用的通訊格式為：波特率9600bPs、8個(gè)數(shù)據(jù)位、一個(gè)停止位、無(wú)奇偶校驗(yàn)位。這種實(shí)現(xiàn)方法由Ted Fried高級(jí)計(jì)算機(jī)通信公司提供。
1．1 硬件
圖1為硬件連接線(xiàn)圖。接收線(xiàn)同時(shí)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(xiàn)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(gè)數(shù)據(jù)是起始位，在軟件中。起始位會(huì)觸發(fā)一個(gè)外部中斷INT0。害INT0的中斷服務(wù)程序例程RXINT0中，定時(shí)器0首先玻裝入一個(gè)時(shí)間常數(shù)，這個(gè)時(shí)間常數(shù)的定時(shí)時(shí)間等于半個(gè)數(shù)據(jù)位的延遲時(shí)間；然后裝入定時(shí)器0的中斷向量表，并允許定時(shí)器中斷0，程序返回主程序，等待定時(shí)器0中斷。如果定時(shí)器0觸發(fā)中斷，RX-TMR-INT(接收定時(shí)器中斷)例程則開(kāi)始技行接收工作。第一個(gè)定時(shí)時(shí)間為半個(gè)數(shù)捉位的時(shí)間．CPU在接收位的中間時(shí)刻采樣X(jué)FI的數(shù)據(jù)，并且驗(yàn)證接收到的數(shù)據(jù)是否為一個(gè)低電平。如果驗(yàn)證正確，表示接收到的數(shù)據(jù)為一個(gè)起始位，就可以接收數(shù)據(jù)了。在接收數(shù)據(jù)時(shí)，重新裝載定時(shí)器0的定時(shí)值為一個(gè)數(shù)據(jù)位的時(shí)間并且啟動(dòng)定時(shí)器0，程序返回主程序，等待定時(shí)器0中斷的到來(lái)。
在隨后的定時(shí)器0的服務(wù)程序中，實(shí)現(xiàn)了在接收位的中間時(shí)刻采樣接收線(xiàn)的狀態(tài)來(lái)得到實(shí)際數(shù)據(jù)。將這些接收到的數(shù)據(jù)移位到一個(gè)存儲(chǔ)器單元中。在第9次中斷時(shí)，對(duì)接收到的停止位進(jìn)行驗(yàn)證。如果正確，軟件執(zhí)行一個(gè)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(jìn)行相應(yīng)的錯(cuò)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(gè)起始位的到來(lái)。
1．2．2 發(fā)送數(shù)據(jù)
發(fā)送數(shù)據(jù)例程開(kāi)始于主程序裝載一個(gè)數(shù)據(jù)到指定的存儲(chǔ)器中，并且調(diào)用TX_MAIN例程。在這個(gè)例程中，狀態(tài)定時(shí)器1的定時(shí)時(shí)間為一個(gè)數(shù)據(jù)位的時(shí)間，重新設(shè)置傳輸計(jì)數(shù)器的值，設(shè)置起始位，并且允許定時(shí)器l中斷，返回主程序，等待定時(shí)器1中斷的到來(lái)。只有傳輸計(jì)數(shù)器的值為0時(shí)，主程序才會(huì)允許重新裝載下一個(gè)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)到指定的存儲(chǔ)器中。在定時(shí)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(jì)數(shù)器的值為0。
圖3
具體的程序代碼請(qǐng)見(jiàn)參考文獻(xiàn)[1]。
2 使用FPGA實(shí)現(xiàn)異步和同步串行接口間的協(xié)議轉(zhuǎn)換
有許多應(yīng)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(shí)鐘為25MHz，F(xiàn)PCA中使用的時(shí)鐘來(lái)源于C32的H3引腳。通信協(xié)議為：波特率9600bps、一個(gè)起始位、一個(gè)停止位、沒(méi)有奇偶檢驗(yàn)位。圖3所示為傳輸電路。
通過(guò)設(shè)置傳輸定時(shí)器的定時(shí)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(gè)起始位。8個(gè)數(shù)據(jù)位之后的停止位可通過(guò)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖4為接收電路圖。
當(dāng)電路檢測(cè)到起始位時(shí)，接收電路開(kāi)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(shè)置使數(shù)據(jù)的采樣發(fā)生在每個(gè)數(shù)據(jù)位的中間時(shí)刻，它提高了系統(tǒng)抗噪聲的能力。
圖4
3 使用ACE實(shí)現(xiàn)UART
微機(jī)上最早使用的ACE是8250，16C550是8250的功能升級(jí)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(fù)擔(dān)。在這種模式下，無(wú)論是接收還是發(fā)送，在可訪(fǎng)問(wèn)的緩沖寄存器和不可訪(fǎng)問(wèn)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(cuò)誤數(shù)據(jù)字節(jié))，可以使系統(tǒng)負(fù)擔(dān)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(gè)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(gè)信號(hào)可以允許信號(hào)使用DMA的方式來(lái)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(shí)?完成串行到并行的轉(zhuǎn)換；在接收CPU的數(shù)據(jù)時(shí)，完成數(shù)據(jù)的并行到串行的變換，并進(jìn)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(bào)ACE器件的狀態(tài)。通報(bào)的狀態(tài)信息包括：傳輸操作正在進(jìn)行過(guò)程中、操作狀態(tài)、遇到了何種錯(cuò)誤等，TLl6C550的內(nèi)部包含一個(gè)可編程的波特率發(fā)生器，波特率為16x內(nèi)部輸入時(shí)鐘頻率．此內(nèi)部輸入時(shí)鐘頻率由輸入的參考基準(zhǔn)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(gè)處理器中斷系統(tǒng)，根據(jù)用戶(hù)的專(zhuān)用需要而設(shè)計(jì)，在處理通訊連接時(shí)，計(jì)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(shí)鐘輸入及波特率控制信號(hào)；數(shù)據(jù)和地址總線(xiàn)；片選及讀寫(xiě)控制信號(hào)；MODEM控制信號(hào)；復(fù)位及中斷控制信號(hào)。
如果C32要和PC機(jī)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(gè)電平轉(zhuǎn)換芯片連接，用于和PC機(jī)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(lái)實(shí)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(jī)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(shí)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(gè)外設(shè)端口送行尋址。
圖6
相應(yīng)的接口邏輯使用AHDL語(yǔ)言描述，具體如下：
TL16C550A一共使用8個(gè)地址對(duì)內(nèi)部寄存器進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)和控制。相對(duì)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(gè)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(xiàn)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(duì)TLl6C550A的各個(gè)寄存器進(jìn)行尋址就可以了。
本文介紹的三種實(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)C32和PC機(jī)之間的通信。
使用TL16C550實(shí)現(xiàn)DSP和PC機(jī)的通信，接口方便、控制簡(jiǎn)單、編程靈活，試驗(yàn)證明它是非常簡(jiǎn)便可靠的實(shí)現(xiàn)方法。
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