TMS320C32扩展异步串口的方法

摘要：介绍了TMS320C32 DSP实现异步串行通信接口的三种方法：软件模拟实现、硬件实现、专用协议芯片实现。给出了具体实现的硬件接口和软件编程。在接口的第二种和第三种实现方法中，都使用了FPGA实现逻辑接口。 关键词：数字信号处理 异步串行接口 现场可编程逻辑阵列 电气传动控制 高速数字信号处理器(DSP)在现代工业控制中，特别是电气传动控制中的应用非常广泛。大量文献介绍的应用于电气传动控制的DSP使用的是TI公司的，TMS320系列DSP芯片，这其中又以TMX210C3X和TMS320F24X为主流应用产品。TMS320C32(以下简称为C32)是TMS320C3X系列产品中应用比较多的一种。主工业控制中，常常需要使用上位PC机来控制底层的DSP芯片，一般采用异步串行通信协议，使用RS-232或485来实现。C32自身带有的串口为同步串口。为了实现C32和PC机之间的串行口通信，必须扩展C32的全双工异步串口(UART)功能。 C32实现UART接口的方法有三种： (1)使用C32的现有资源模拟串行口的功能； (2)使用可编程芯片(例如FPGA)实现同步和异步协议的转换； (3)使用专用的异步通信器件(ACE)实现，例如PC机上使用16C550系列实现UART。 1 使用C32的现有资源模拟串行口的功能 通过使用两个通用I／O引脚、两个定时器和一个外部中断，可以用软件模拟UART的功能。使用中断实现软件模拟UART采用的通讯格式为：波特率9600bPs、8个数据位、一个停止位、无奇偶校验位。这种实现方法由Ted Fried高级计算机通信公司提供。 1．1 硬件 图1为硬件连接线图。接收线同时接到INT0和XFl引脚。起始位数据的下降沿触发外部中断INT0。传输线接到XFO引脚，使用上拉电阻输出。 图2 1．2 软件 1．2．1 接收数据 根据UAHT协议，接收到的第一个数据是起始位，在软件中。起始位会触发一个外部中断INT0。害INT0的中断服务程序例程RXINT0中，定时器0首先玻装入一个时间常数，这个时间常数的定时时间等于半个数据位的延迟时间；然后装入定时器0的中断向量表，并允许定时器中断0，程序返回主程序，等待定时器0中断。如果定时器0触发中断，RX-TMR-INT(接收定时器中断)例程则开始技行接收工作。第一个定时时间为半个数捉位的时间．CPU在接收位的中间时刻采样XFI的数据，并且验证接收到的数据是否为一个低电平。如果验证正确，表示接收到的数据为一个起始位，就可以接收数据了。在接收数据时，重新装载定时器0的定时值为一个数据位的时间并且启动定时器0，程序返回主程序，等待定时器0中断的到来。 在随后的定时器0的服务程序中，实现了在接收位的中间时刻采样接收线的状态来得到实际数据。将这些接收到的数据移位到一个存储器单元中。在第9次中断时，对接收到的停止位进行验证。如果正确，软件执行一个陷阱中断，程序返回到主程序。如果不正确，调用BAD_STOP_BIT子程序进行相应的错误处理。接收数据被处理完后，重新允许外部中断0，等待下一个起始位的到来。 1．2．2 发送数据 发送数据例程开始于主程序装载一个数据到指定的存储器中，并且调用TX_MAIN例程。在这个例程中，状态定时器1的定时时间为一个数据位的时间，重新设置传输计数器的值，设置起始位，并且允许定时器l中断，返回主程序，等待定时器1中断的到来。只有传输计数器的值为0时，主程序才会允许重新装载下一个需要传输的数据到指定的存储器中。在定时器1的中断子程序TX_INT中，程序将要传输的数据(包含起始位、数据位和停止位)从XF0引脚上移位出去，直到传输计数器的值为0。 图3 具体的程序代码请见参考文献[1]。 2 使用FPGA实现异步和同步串行接口间的协议转换 有许多应用需要使用硬件UART。使用FPGA可以将同步串行口协议转换为异步串行口通信协议。具体的逻辑框图如图2所示。 系统使用的时钟为25MHz，FPCA中使用的时钟来源于C32的H3引脚。通信协议为：波特率9600bps、一个起始位、一个停止位、没有奇偶检验位。图3所示为传输电路。 通过设置传输定时器的定时值可以得到需要的9600bps的波特率。传输端口被配置为爆发传输模式，它可以产生UART的一个起始位。8个数据位之后的停止位可通过电路来实现。图4为接收电路图。 当电路检测到起始位时，接收电路开始工作。起始位的逻辑擅为0。延迟电路在起始位的下降沿被激活。延迟电路的设置使数据的采样发生在每个数据位的中间时刻，它提高了系统抗噪声的能力。 图4 3 使用ACE实现UART 微机上最早使用的ACE是8250，16C550是8250的功能升级器件。器件在结构上的最大差别是16C550增加了接收和发送FIFO，因此器件能够处于交替工作模式，减轻CPU额外的软件负担。在这种模式下，无论是接收还是发送，在可访问的缓冲寄存器和不可访问的移位寄存器之间都增加了16字节的FIFO(包含放在接收FIFO中的3位错误数据字节)，可以使系统负担最小且系统效率最高，而且所有的逻辑功能都在16C550芯片上完成。TLl6C550A有两个管脚功能(N封装系列中引脚24和29，FN封装系列中的27和32)已经被改变，使用这两个信号可以允许信号使用DMA的方式来传输。 TLl6C550的主要功能为：TLl6C550在接收外部器件或MODEM的数据时?完成串行到并行的转换；在接收CPU的数据时，完成数据的并行到串行的变换，并进行串行发送。在ACE器件工作的任何状态下，CPU可以读和通报ACE器件的状态。通报的状态信息包括：传输操作正在进行过程中、操作状态、遇到了何种错误等，TLl6C550的内部包含一个可编程的波特率发生器，波特率为16x内部输入时钟频率．此内部输入时钟频率由输入的参考基准振荡器分频(由波特率分频寄存器的值决定)得到。TLl6C550具有完全的MODEM控制能力。包含一个处理器中断系统，根据用户的专用需要而设计，在处理通讯连接时，计算量是最小的。TLl6C550有两种封装形式：N PACKAGE (40脚) 和FN PACKAGE(44脚)。TL16C550的管脚按功能可以分为：外部时钟输入及波特率控制信号；数据和地址总线；片选及读写控制信号；MODEM控制信号；复位及中断控制信号。 如果C32要和PC机通讯，可使用TL16C550完成串行协议的转换。TLl6C550的输出接口要和一个电平转换芯片连接，用于和PC机的串行通讯接口互联。完整的接口示意图如图5所示。 其中的MAX232可以使用MAXIM公司的MAX3238来实现。 接口电路分为两大部分：DSP C32和串行通讯芯片TLl6C550之间的接口；串行通讯芯片TLl6C550和PC机之间的接口。完整的电路原理图如图6所示。 接口逻辑可以使用集成的CPLD实现，本系统中使用的是ALTERA公司的EPM7128SLC184-10。它将芯片TLl6C550作为DSP C32的一个外设端口送行寻址。 图6 相应的接口逻辑使用AHDL语言描述，具体如下： TL16C550A一共使用8个地址对内部寄存器进行访问和控制。相对DSP C32系统而言，如果使用了上面的译码逻辑电路，则占用的8个地址为：0X818000～0X818007。 TLl6C550A串行接口寄存器的寻址表如表1所示。 表1 TL16C550A的寄存器寻址表 DLAB* A2 A1 A0 寄 存 器 名　 属 性　 地址值　 0 0 0 0 接收缓冲寄存器RBR　 只读　 0X818000　 0 0 0 0 发送缓冲寄存器TBR　 只写　 0X818000　 0 0 0 1 中断使能寄存器IER　 读/写　 0X818001　 X 0 1 0 中断标志寄存器IIR　 只写　 0X818002　 X 0 1 0 FIFO控制寄存器FCR　 只写　 0X818002　 X 0 1 1 线路控制寄存器LCR　 读/写　 0X818003　 X 1 0 0 MODEM控制寄存器MCR　 读/写　 0X818004　 X 1 0 1 线路状态寄存器LSR　 读/写　 0X818005　 X 1 1 0 MODEM状态寄存器MSR　 读/写　 0X818006　 X 1 1 1 便签寄存器SCR　 读/写　 0X818007　 1 0 0 0 除数低字节锁存器DLL　 读/写　 0X818000　 1 0 0 1 除数低字节锁存器DLH　 读/写　 0X818001　 DLAB表示线路控制寄存器的第7位的逻辑值。 在程序中，使用逻辑地址0X818000～0X818007对TLl6C550A的各个寄存器进行寻址就可以了。 本文介绍的三种实现C32异步串行口的方法，前两种方法使用不是非常方便，而且占用了大量的C32系统资源，一般都使用第三种方法来实现C32和PC机之间的通信。 使用TL16C550实现DSP和PC机的通信，接口方便、控制简单、编程灵活，试验证明它是非常简便可靠的实现方法。