异种单片机共享片外存储器及其与微机通信的方法

    摘要：介绍了通用单片机（MCU）AT89C51与信号处理单片机（DSP）TMS320C32通过共享片外随机存储器实现板间通信的方法，并给出了总线隔离硬件电路与软件控制流程。文中还简要分析了AT89C51与微生机盎然进行串行通信的软硬件设计，通过扩展AT89C51间接实现了TMS320C32与通用单片机或微机之间的通信。

    关键词：单片机  DSP  数字信号处理器  共享存储器  串口通信

TMS320系列数据信号处理单片机（DSP）在测控、仪器仪表、图象处理、计算机视觉与声信号处理等领域得到了越来越广泛的应用。DSP获取原始采集数据和输出处理结果一般有两种途径：一是通过串行口，另一是通过数据总线读写片外存储器。本文介绍了基于DSP的信号处理目标板与基于单片机AT89C51的多路同步数据采集板通过共享片外随机存储器实现板间通信，来获取原始采集数据的方法，并给出了总线隔离硬件电路与软件控制流程。并介绍了把DSP的处理结果传送给基于MCS-51单片机或基于微机的控制系统的方法。文中还简要分析了AT89C51与微机进行串口通信的软硬件设计，通过扩展AT89C51间接实现了TMA320C32与单片机或微机之间的通信，比直接通过TMS320C32的串口与单片机或微机进行通信要简单可靠得多。下面如无特别说明，MCU指AT89C51，DSP指TMS320C32。

1 板间共享存储器的硬件接口电路和软件控制流程

1.1 信号处理板硬件接口电路

基于DSP的信号处理板可以根据应用要求支行许多信号处理算法，如信号预处理、目标识别与跟踪定位、Kalman滤波等。待处理的原始信号数据通过通信从数据采集获得。这里采用板间共享存储器的方法来完成数据交换，DSP既可以从共享存储器读取采集数据，也可以把处理结果（如新的程控放大倍值，跟踪定位结果等）写到共享存储器中供MCU读取。

TMS320C32有一个双向串行口，可以设置每帧同时收发8/16/24/32位数据，同步时钟可以由内部串口定时器产生或外部输入。通过设置串口全局控制寄存器来控制串口的总体功能和工作模式；通过设置FSX/DX/CLKX端口控制寄存器和FSR/DR/CLKR端口控制寄存器来控制串口6个引脚的功能，可以软件设置每个引脚为通用的I/O引脚或串口通信引脚。

TMS320C32有两根通用的I/O引脚为XFO和CF1，由于共享存储器接口电路需要4根控制线来进行DSP与MCU间的握手通信，这里把串口的2个引脚FSR0和FSX0设置为通用的I/O引脚用作控制线。接口电路原理图如图1所示。

图中RAM0～RAM3是四片容量为512K的8们高速RAM（芯片型号为CY7C1049-17VC），组成32位数据宽度的存储器，DSP运行时的程序和数据都在这四片RAM中。FLASH（芯片型号为Am29F016）用于存储程序和初始化数据，即使掉电内容也不丢失，DSP上电时由自带的BOOT LOADER程序从FLASH中取出程序到四片RAM中运行。从共享存储器读取的采集数据也暂存到这四片RAM中。

1.2 数据采集板硬件接口电路

基于单片机AT89C51的数据采集板在单片机的全局控制下，通过对多路声传感器输出的微弱信号进行程控放大、低通滤波、同步采样保持、A/D变换，实时同步采集多路信号，并把采集到的信号数据存放在数据采集板上的128K共享存储器（芯片型号为CY7C109-12VC）中。

共享存储器及其总线隔离电路设计在数据采集板上。在某一时刻，共享存储器只能被某一方访问，否则会产生总线冲突。这里由MCU切换选通DSP总线或单片机总线，分时访问共享存储器。总线隔离芯片选用常见的双向总线隔离/驱动芯片74HC245，它有一个输出使能引脚（E）和一个数据传输方向（DIR）引脚，MCU通过控制这两个引脚来完成总线隔离与数据传输方向控制功能。接口电路原理图如图2所示。图中，MCU端的总线隔离由一片74HC373和两片74HC245完成，DSP端由三片74HC245完成数据总线和地址总线的隔离。由P1.2控制选通哪组总线，当P1.2为低电平时，共享存储器只能被MCU访问；当P1.2为高电平时，只有当P1.3也为高电平时（表示MCU同意让出共享存储器），共享存储器才能被DSP访问。由于DSP需要读或写共享存储器，所以需要软件设置数据总线隔离芯片74HC245的数据传输方向，这里通过设置DSPDIR信号线的电平状态来完成（高电平时为读，低电平时为写）。由于地址总线的数据传输方向始终是单向的，所以其隔离芯片的DIR端可固定接低电平或高电平，视74HC245的实际接线而定。

1.3 软件控制流程

信号处理板上的DSP需要采集信号数据时就向数据采集板上的MCU发出请求信号，单片机接收到请求信号后，如果同意让出共享存储器，则向DSP发出应答信号，同时隔离MCU端的总线，暂停数据采集。DSP接收到应答信号后就可以访问共享存储器，DSP快速读、写完数据后，向单片机发结束信号，单片机接收到结束信号后，收回共享存储器，同时隔离DSP端总线，继续采集。这样数据采集与信号处理就可以同时进行，不同于一般的采集一段处理一段的串行工作模式，实现了数据采集零等待，增加了系统的吞吐能力。参见图3的接线图，一次完整的通信过程详述如下，注意在DSP程序初始化时应把XF0、XF1、FSR0设置为相应的无效状态。

（1）DSP需要采集信号数据时向MCU发请求信号（置XF0为低电平），触发MCU的INT0中断，等待MCU应答（DSP循环检测XF1的状态）。

（2）如果MCU同意让出共享存储器，则响应中断，否则等待。在中断服务程序中，置P1.3（即DSPACK）为高电平，表示应答。同时置P1.2为高电平，选通DSP总线。MCU接着循环检测P1.4（即DSPEOR）的状态。

（3）DSP收到应答信号（即检测到XF1为高电平），立即快速读写共享存储器，在读操作前，置FSX0为高电平，在写操作前，置FSX0为低电平。读写完后，向MCU发结构信号（置FSR0为高电平），DSP紧接着进行其它处理操作。

（4）MCU收到结束信号后（即检测到P1.4为高电平），置P1.2为高电平，隔离DSP总线，收回共享存储器，继续采集。

2 信号处理板与控制系统的通信

信号处理板从数据采集板获取采集数据后，经过对其进行一系列信号处理算法的运算处理，得到的处理结果需要传送给基于单片机或微机的控制系统。由于这里的处理结果数据量很小，所以利用串口通信的方法进行数据传输最为简单。我们可以直接对信号处理板上DSP的串口编程来与控制系统进行通信。但由于DSP的串口为同步串口，而单片机或微机的串口通常都为异步串口，这样就需要用软件来模拟DSP串口的异步通信时序，软件工作量大而且通信不可靠。这里通过扩展单片机与共享存储器的方法很好地解决了这个问题。DSP把处理结果写到共享存储器中，立即进行下一轮处理，由单片机从共享存储器中取出处理结果并传送给控制系统。这就省去了DSP进行串口通信所需的时间，最大限度地利用了DSP的高速数据处理的能力。在实时性要求很高的场合，这显得尤为重要。通过扩展少量的硬件，不但提高了系统的速度，优化了整体性能，而且软件实现也简单了许多。

2.1 信号处理板与控制系统的串口通信硬件电路

信号处理板利用扩展的单片机AT89C51与基于微机或MCU的控制系统进行全双工通信。图4为AT89C51的串口通信电路，通过“串口选择”拨码开关选择是与基于微机的控制系统通信，还是与基于MCU的控制系统通信。

在IBM PC/XT微机系统中，其串口符合RS-232C接口标准。为提高抗干扰能力，RS-232C标准采用负逻辑，低电平在-5V～-15V之间（通常用-12V表示）为逻辑“1”，高电平在+5V～+15V之间（通常用+12V表示）为逻辑“0”，上述电平称为EIA电平，它与TTL电平和CMOS电平不同。为了使AT89C51能与微机进行串行通信，可以利用常见的MC1488和MC1489进行电平转换。MC1488把TTL电平转换为RS-232C电平，MC1489把RS-232C电平转换为TTL电平。但由于MC1488和MC1489需要±12V的供电电压，增加了电源电路的复杂性，如图4所示，这里选用只需单一+5V电压的MAX232来完成电平转换，简化了硬件电路。

当信号处理板与基于MCU的控制系统通信时，只需三根线，一根发送线（TXD），一根接收线（RXD），一根共地线（GND），将双方的地址连在一起，将双方的发送线与接收线交叉连接即可。当信号处理板与基于微机的控制系统通信时，利用微机的九针串口进行通信，它们的串口电缆连线如图5所示。这里的发送线与接收线没有交叉，是因为在进行电平转换时已经交叉过了（参见图4）。

2.2 信号处理板与控制系统的串口通信软件编程

单片机与单片机或微机进行串口通信的软件编程有两种：查询方式和中断方式。这里发送方（信号处理板）采用查询方式，接收方（控制系统）采用中断方式。通信程序主要完成对串口初始化（包括选择串口模式、设置数据传输格式、设置波特率等）、建立连接、传输数据和断开连接等功能。为确保通信可靠，双方约定如下通信协议。

（1）信号处理板上电后，一直发送请求联机信号‘R’,等待控制系统发应答信号‘A’，如果信号处理板收到应答，表示双方硬件连接正确，联机成功。

(2)运行控制系统的串口通信程序。如果是与微机通信，则先自动检测连接的是哪个串口（COM1或COM2），检测到后向信号处理板发应答信号‘A’；若没检测到则显示错误信息，提示检查接线是否有误。若是与单片机通信，如果在规定的时间内（如10s内）还没有收到应答，则让指示灯闪烁，认为出错，需重新复位。

（3）信号处理板收到应答后，先向控制系统发送总共要传输的数据个数，然后依次发送每个数据，直到发完为止。

（4）控制系统发完联机应答信号后，就处于接收状态。先接收总共的数据个数，然后依次接收每个数据。控制系统每接收到一个数据都向信号处理板发确认信号，信号处理板只有收到确认信号后才发下一个数据。

另外，在单片机与微机之间进行通信时，双方要正确选择一致的波特率，而且SMOD位的选择影响单片机波特率的准确度，即影响波特率的误差范围。因而在单片机波特率设置时，对SMOD的选取也要适当考虑。为了保证通信的可靠性，通常波特率相对误差不要大于2.5%，当单片机与微机之间进行通信时，尤其要注意这一点。例如，单片机的时钟fosc=12MHz，串口模式为方式1，假设单片机与微机的波特率都选为9600bps。当SMOD=0时，波特率相对误差为8.5%，当SMOD=1时，波特率相对误差为6.99%。实验表明，不论SMOD=0或1,单片机与微机在这种条件下均不能实现正常的发送与接收。若双方的波特率都取4800bps，且SMOD=1时，波特率相对误差为0.16%，实验证明通信完全可靠。