TMS320VC5410的McBSP串行接口技术与程序设计

    摘要：介绍TMS320VC5410的多功能串行接口（McBSP），并结合McBSP与高精度，高速率串行数据转换器MAX5410之间的串行通信，从硬件和软件两个方面具体讨论McBSP的设计方法。

    关键词：DSP McBSP SPI 模数转换器

一、DSP的串行接口技术

当今，嵌入式系统正迅速向低功耗、低成本、小体积、高性能、高速率方向发展。随着串行接口技术的不断成熟，逐步达到了以上设计要求，成为重要的接口方案。尤其在数字信号处理器方面，串行口的重要性体现得更加突出，几乎所有的数字信号处理器都提供了一个或多个串行接口，并且随着数字信号处理器的更新换代，其相应的串行接口，在功能上不断强化，性能上不断提升。

与并行接口相比，串行接口的最大优点就是减少了DSP的引脚数目，降低了接口设计的复杂性。通常，串行接口提供全双工同步操作，输入和输出数据以位为单位的串行方式进行处理。目前，世界各主要半导体制造商提交了许多不同的串行协议，其中一些已经成为工业标准。典型的串行协议包括：MOTOROLA（Austin,TX）的串行外围设备接口SPI和队列SPI（QSPI）、PHILIPS（Sunnyvale，CA）、National Semiconductor的微总线（microwire）。

图1是典型的SPI协议。SPI协议采用主从设置，相互连接的设备中一个作为主设备，其他的设备作为从设备。接口连线主要包括以下4条信号线：

（1）串行数据输入信号线，即MISO（Master InSlave Out）；

（2）串行数据输出信号线，即MOSI（Master Out-Slave In）；

（3）移位时钟信号线，即SCK；

（4）从设备片选信号线，即SS。

二、TMS320VC5410的多通道缓存串行口——McBSP

1.McBSP的功能特点

TMS320V5410是TI生产的第二代低功耗TMS320C5000系列定点数字信号处理器，提供了3个高速、全双工、多通道缓存串行口McBSP，每个串行口可以支持128通道，速度达100Mbit/s。McBSP是在标准串行接口的基础之上对功能进行扩展，因此，具有与标准串行接口相同的基本功能：

（1）全双工通信；

（2）拥有两级缓冲发送和三级缓冲接收数据寄存器，允许连续数据流传输；

（3）为数据发送和接收提供独立的帧同步脉冲和时钟信号；

（4）能够与工业标准的解码器、模拟接口芯片（AICs）和其他串行A/D和D/A设备直接连接；

（5）支持外部移位时钟或内部频率可编程移位时钟。

此外，McBSP还具有以下特殊功能：

（1）可以与IOM-2、SPI、AC97等兼容设备直接连接；

（2）支持多通道发送和接收，每个串行口最多支持128通道；

（3）串行字长度可选，包括8、12、16、20、24和32位；

（4）支持μ-Law和A-Law数据压缩扩展；

（5）进行8位数据传输时，可以选择LSB或MSB为起始位；

（6）帧同步脉冲和时钟信号的极性可编程；

（7）内部时钟和帧同步脉冲的产生可编程，具有相当大的灵活性。

2.McBSP寄存器的访问

TMS320VC5410包含3组多通道缓存串行口，每组多通道缓存串行口有23个寄存器与之相关，除RBR[1,2]、RSR[1,2]、XSR[1,2]之外，其中15个寄存器是可寻址寄存器。由于数据页0的存储空间限制，有些寄存器必须通过子地址寻址方式来访问。SPSA_x是子地址寄存器，欲访问指定的寄存器，只要把相应的子地址写入SPSA_x就可以了。表1列出了McBSP的子地址寄存器。

表1 McBSP子地址寄存器

16进制地址			子地址	简  称	寄存器名称
McBSP 0	McBSP 1	McBSP 2
0038	0048	0034	-	SPSA_x	子地址寄存器
0039	0049	0035	0x0000	SPCR1_x	串行端口控制寄存器1
0039	0049	0035	0x0001	SPCR2_x	串行端口控制寄存器2
0039	0049	0035	0x0002	RCR1_x	接收控制寄存器1
0039	0049	0035	0x0003	RCR2_x	接收控制寄存器2
0039	0049	0035	0x0004	XCR1_1	发送控制寄存器1
0039	0049	0035	0x0005	XCR2_x	发送控制寄存器2
0039	0049	0035	0x0006	SRGR1_x	采样率发生寄存器1
0039	0049	0035	0x0007	SRGR2_x	采样率发生寄存器2
0039	0049	0035	0x0008	MCR_x	多通道寄存器1
0039	0049	0035	0x0009	MCR2_x	多通道寄存器2
0039	0049	0035	0x000A	RCERA_x	接收通道使能寄存器A
0039	0049	0035	0x000B	RCERB_x	接收通道使能寄存器B
0039	0049	0035	0x000C	XCERA_x	发送通道使能寄存器A
0039	0049	0035	0x000D	XCERB_x	发送通道使能寄存器B
0039	0049	0035	0x000E	PCR_x	引脚控制寄存器

假如要对McBSP1的发送控制寄存器2（XCR2_1）进行设置。首先，将子地址0x0005写入子地址寄存器（SPSA_1），与此同时，存储单元0x0049就映射为发送控制寄存器2（XCR2_1）。然后，对存储单元0x0049的读写操作，就相当于对发送控制寄存器2（XCR2_1）进行操作。

例：设置McBSP1的发送控制寄存器2（XCR2_1）。

XCR2_1.set 05h；发送控制寄存器2的子地址

SPSA_1.set 48h; 串行口1的子地址寄存器地址

REG_1 .set 49h; 存储单元0x0049，在此被映射为发送控；制寄存器2

；将发送控制寄存器2的子地址写入子地址寄存器

（SPSA_1）

STM #XCR2_1，SPSA_1

；将控制字0041h写入存储单元0x0049

STM #0041h,REG_1

3.McBST的SPI接口设计

McBSP的时钟停止模式与SPI协议兼容。当McBSP处于时钟停止模式时，发送器和接收器是内部同步时，因此可以将McBSP作为SPI主设备或从设备。当设置McBSP为主设备时，发送端输出信号（BDX）就作为SPI协议的MOSI信号，接收端输入信号（BDR）就作为SPI协议的MISO信号。发送帧同步脉冲信号（BFSX）作为从设备片选信号（SS），而发送时钟信号（BCLKX）就与SPI协议的串行时钟信号（SCK）相对应。由于接收时钟信号（BCLKR）和接收帧同步脉冲信号（BFSR）与发送端的相应部分（BCLKX和BFSX）在内部相互连接，因此这些信号不用于时钟停止模式。McBSP设置为主设备时，SPI协议连接如图2所示。

三、McBSP接口举例

1.高精度数模转换器MAX541

MAX541是16位串行输入、电压输出数模转换器，+5V单电源供电。DAC输出非缓冲，因此只有0.3mA的低供电电流和1LSB的低漂移误差。DAC输出范围为0V至VREF。MAX541采用3线串行接口，兼容于SPITM/QSPITM/MICROWIRETM等串行通信协议。MAX541最高可以获得500×10 3采样点/秒的通过率，基本上满足大多数应用的要求。MAX541采用8引脚DIP或SO封装。MAX541各引脚描述如表2所列。

表2 MAX541引脚说明

引  脚	名  称	功        能
1	OUT	DAC输出电压
2	AGND	模拟地
3	REF	参考电压输入，与外部+2.5V参考电压连接
4	CS	片选输入
5	SCLK	串行时钟输入，占空比必须在40%与60%之间
6	DIN	串行数据输出
7	DGND	数字地
8	VDD	+5V供电电压

2.McBSP与MAX541的接口电路

TMS320VC5410与MAX541的接口电路如图3所示。

为使MAX541获得高分辨率和高精度，可以由MAX873提供高精度的+2.5V低阻抗基准电压源。为了消除高频和低频干扰，必须在REF引脚与模拟地之间接入退耦电容。由于AX541的数字输入DIN与TTL/CMOS逻辑电平兼容，因此，可以与TMS320VC5410的串行输出BDX直接连接。此外，必须严格隔离模拟地AGND和数字地DGND，最后在MAX541的AGND引脚上将模拟地和数字地连接在国起，构成星形的地线系统。在MAX541的输出端接入电压跟随型运算放大器MAX495。表3是数字输入代码与模拟输出电压之间的对应关系。

表3 MAX541单极性接口

DAC数字输入	模拟输出VOUT
MSB            LSB
1111 1111 1111 1111	VREF·（65 635/65 536）
1000 0000 0000 0000	VREF·（32 768/65 536）=(1/2)VREF
0000 0000 0000 0000	VREF·（1/65 536）
0000 0000 0000 0000	0V

DSP的发送帧同步脉冲信号（BFSX）作为MAX541的片选信号（CS），而发送时钟信号（BCLKX）作为MAX541的串行时钟输入。MAX541的三线接口电路时序如图4所示。

图4所示，在片选信号CS由高电平转变为低电平的同时，串行数据按照从最高有效位到最低有效位的顺序，在串行时钟的每个上升沿逐位移入片内的输入寄存器。

3.软件设计

下面通过产生国个锯齿波的例子来说明TMS320VC5410与MAX541之间的软件设计。

    当McBSP作为SPI通信的主设备，由它为从设备提供时钟信号，并控制数据的传输过程。CLKX引脚上的时钟信号必须在数据包传输期间使能，当没有数据包传输时，时钟信号根据所采用的极性保持高电平或者低电平。通常，通过McBSP的采样率发生器产生10MHz时钟信号，由BCLKX引脚输出，作为MAX541的串行时钟输入信号。McBSP利用BFSX引脚为MAX541提供片选信号，因此必须正确设置帧脉冲发生器，使之在每个数据包传输期间产生帧同步脉冲，即在数据包传输的第一位转变为有效状态（在本例中为低电平有效，取决于MAX541的片选信号CS），然后维持有效状态直到数据包发送完毕。此外，根据SPI传输协议，必须正确设置数据发送延迟时间（XDATDLY=01b），由图4可知，在帧同步脉冲有效之后，大约延迟了一个时钟周期才进行串行数据的发送。根据图4所示的时序图，为McBSP选择一种合适的时钟方案，即设置McBSP的时钟停止模式。在本例中采用时钟停止模式3（CLKSTP=10b、CLKXP=1），其时钟方案如图5所示。

表4列出了一些与SPI设置相关的寄存器位。

表4 与SPI设置相关的些寄存器位

寄存器位	允许值	描   述	寄存器
CLKXM	1	设置BCLKX引脚为输出	PCR
CLKSM	1	采样率发生器时钟源至CPU时钟	SRGR2
CLKGDV	1255	定义采样率发生器时钟的降频因子	SRGR1
FSCM	1	设置BFSX引脚为输出	PCR
FSGM	0	在每个串行数据包传输期间BFSX信号有效	SRGR2
FSXP	1	设置BFSX引脚为低电平有效	PCR
XDATDLY	01b	提供正确BFSX信号启动时间	XCR2
RDATDLY	01b	提供正确的BFSX信号启动时间	RCR2

4.程序清单

程序首次初始化TMS320VC5410，使数据页指针（DP）为0，并且禁止中断。由于TMS320VC5410外接10Hz的时钟频率发生器，通过锁相环电路倍频至100MHz。接着初始化TMS320VC5410的多通道缓存串行口McBSP。最后，响应XRDY中断发送数据。

.width 80

.length 100

.title "transmit.asm"

.mmregs

.defSTART

.def BSPR0

.def BSPX0

.include "periphral.asm"

.text

START:

;初始化DSP

STM#00E0h，PMST ；IPTR=000000001b，MP/MC=1，

；OVLY=1，DROM=0

LD #0，DP

LD #0，ARP

    SSBX INTM ；禁止所有可屏蔽中断

STM #0FFFFh，IFR ；清除所有中断标志

STM #0020h,IMR ;允许BSPX0中断

STM #0010h,TCR ；关闭DSP计时器，以便降低

；功耗锁相环（PLL）倍频*10->CLKOUT：100MHz

STM#1001000110000111b，CLKMD

Tststatus：

LDM CLKMD，A

AND #01h，A

BC Tststatus,AEQ

STM #1001000110000111b,CLKMD

;初始化McBSP

STM SPCR1_1，SPSA_1

STM #1000h,REG_1 ;CLKSTP=10（选择SPI时钟停

；止模式3）

STM SPCR2_1，SPSA_1

STM #0000h,REG_1 ;置McBSP于复位态时，以便

；对控制寄存器进行设置

STM PCR_1，SPSA_1

STM #0A0Fh,REG_1 ;CLKX->CLKR,FSX->FSR,

;DX->DR,FSXM=1(输出)，

；CLKXM=1（输出）,FSXP=1(低

；电平有效），CLKXP=1(在CLKX

；的下降沿发送数据）

STM RCR1_1,SPSA_1

STM #0040h,REG_1 ；每帧1个字，每个字16位

STM RCR2_1，SPSA_1

STM #0041h,REG_1 ；单帧，RFIG=0，RDATDLY=01

；（1位数据延迟）

STM XCR1_1，SPSA_1

STM #0040h，REG_1 ；每帧1个字，每个字16位

STM XCR2）1，SPSA_1

STM #0041h，REG_1 ；单帧XFIG=0，XDATDLY=01

；（1位数据延迟）

STM SRGR1_1，SPSA_1

STM #0009h，REG_1 ；CLKGDV=9，CLKG=(CLKOUT)/

；（1+CLKGDV）=10MHz

STM SRGR2_1，SPSA_1

STM #2313h,REG_1；GSYNC=0，CLKSP=0，

；CLKSM=1，FSGM=0

RPT #2 ；等待2个CLKSRG周期（CLKSRG=100MHz）

NOP

STM SPCR2_1，SPSA_1

STM #0040h，REG_1 ;启动McBSP0采样率发生

；器，/GRST=1

RPT #20 ；等待2个CLKG周期（CLKG）=10MHz)

NOP

STM SPCR2_1,SPSA_1

STM #0041h，REG_1 ；启动McBSP0发送端，/XRST=1

STM SPCR2_1，SPSA_1

STM #00C1h，REG_1 ；启动帧同步脉冲，/FRST=1

RPT #80

NOP

STM #08000h,AR1

RSBX INTM ;打开可屏蔽中断

MVMD AR1，DXR1_1 ；向DXR送数

WAIT：IDLE1

    B WAIT

BSPX0：

STM #0h，IFR

AMR AR1

MVDM AR1，DXR1_1

RETE

.end

结束语

本文介绍了TMS320VC5410的多通道缓存串行口（McBSP）的功能特点，并结合实例子着重讨论了如何利用SPI接口协议实现McBSP与其他串行器件之间相互通信。