DSP與PC機串行通信在減搖水艙試驗臺架控制系統中的應用

摘 要：針對TI公司的TMS320LF2407，在詳細描述其串行通信接口和模塊的基礎上，結合減搖水艙試驗臺架控制系統，介紹了實(shí)現DSP與PC機串行通信的設計方法，并給出了相關(guān)的框圖和程序。

1 引言

TMS320LF2407是美國TI（Texas Instruments）公司專(zhuān)為數字伺服控制和嵌入式控制系統而推出的一種低功耗、高性能16位定點(diǎn)DSP芯片。通過(guò)把高速的數字信號處理器內核和功能強大的片內外設集成在一起， DSP成為傳統的微控制單元和多片設計系統的一種理想替代品。

在減搖水艙試驗臺架控制系統工作過(guò)程中，需要實(shí)時(shí)修改DSP中控制器參數等變量，因此如何實(shí)現PC機與DSP的可靠通信成為一個(gè)重要問(wèn)題。串行通信具有連接簡(jiǎn)單、使用靈活方便、數據傳遞可靠等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)監控、數據采集和實(shí)時(shí)控制系統中得到了廣泛應用。因而，本系統中采用了串行通信進(jìn)行參數傳送。

本文基于減搖水艙試驗臺架控制系統，設計了一種實(shí)現DSP與PC機串行通信的方案。

2 減搖水艙試驗臺架控制系統

減搖水艙是減小船舶橫向搖擺的重要減搖裝置之一，對減搖水艙除了進(jìn)行理論研究外，建立減搖水艙的試驗裝置是對減搖水艙進(jìn)行研究的重要手段。減搖水艙試驗臺架是研究和設計減搖水艙的重要試驗設備，它可以模擬實(shí)際艦船在海浪中的運動(dòng)，研究水艙的運動(dòng)、控制規律，并可測得其減搖效果。

為了使水艙試驗臺架能夠模擬實(shí)船在海浪中的運動(dòng)并研究水艙的實(shí)際作用效果，必須有一套能夠模擬海浪橫搖力矩的力矩伺服系統。由于海浪橫搖力矩幅值和頻率變化很快，對力矩伺服系統的要求較高，所以試驗臺架采用電液力矩伺服系統。減搖水艙試驗臺架系統如圖1所示。


圖1 減搖水艙試驗臺架系統框圖

在減搖水艙試驗臺架控制系統中，采用PC機和DSP的主從式結構。PC機作為上位機，提供海浪橫搖力矩信號、對一些傳感器采集得到的數據進(jìn)行顯示，而DSP作為下位機，完成對減搖水艙試驗臺架電液伺服系統的實(shí)時(shí)控制。其輸出電壓信號經(jīng)伺服放大器控制流量電液伺服閥，由伺服閥控制擺動(dòng)油缸，由液壓油缸驅動(dòng)試驗臺架系統，擺動(dòng)油缸輸出的海浪橫搖力矩由傳感器檢測送至DSP構成閉環(huán)控制回路。

3 TMS320LF2407及串行通信接口（SCI）

3.1 TMS320LF2407簡(jiǎn)介

TMS320LF2407除了具有TMS320系列DSP的基本功能，還具有一些適合應用于數字伺服控制的特點(diǎn)。采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，使得供電電壓為3.3V，降低了控制器的功耗，而且高達40MIPS的執行速度使指令周期縮短到25ns，提高了控制器的實(shí)時(shí)控制能力。TMS320LF2407片內有高達32K 16位的Flash程序存儲器，544字的雙端口RAM（DARAM）和2K字的單口RAM（SARAM）。TMS320LF2407的片內外設非常豐富，包括兩個(gè)事件管理器模塊、10位A/D轉換模塊、看門(mén)狗定時(shí)器、CAN現場(chǎng)總線(xiàn)接口、基于鎖相環(huán)（PLL）的時(shí)鐘發(fā)生器、PWM信號通道、串行外設接口（SPI）、串行通信接口（SCI）。TMS320LF2407提供的片內外設資源使得數字伺服控制應用中所需使用的外圍芯片大大減少了，為應用系統的設計提供了方便

3.2 串行通信接口（SCI）

串行通信模塊的寄存器是8位的，并且可編程。串行通信接口（SCI）支持DSP和其他使用標準NRZ（非歸零）格式的異步外設之間的異步串行數字通信。SCI模塊會(huì )對接收到的數據進(jìn)行測試，如間斷測試、奇偶性、超時(shí)以及幀錯誤測試等，以確保數據的完整性?？删幊?—8位數據長(cháng)度和1—2位停止位。SCI模塊有雙緩沖的發(fā)送器和接收器，每個(gè)都有獨立的使能位和中斷位，兩者可獨立工作，也可同時(shí)在全雙工模式下工作，并且發(fā)送和接收操作均可通過(guò)中斷和查詢(xún)兩種方式來(lái)進(jìn)行。在該模塊中，通過(guò)對一個(gè)16位波特率選擇寄存器編程，可獲得超過(guò)65000種不同的波特率。

在TMS320LF2407與其他異步外設的串行通信中，對SCI模塊的控制、波特率和字符格式的選擇、操作方式和通信協(xié)議的選擇、中斷優(yōu)先級的選擇和使能等都是通過(guò)對相關(guān)寄存器編程來(lái)實(shí)現的。

4 本系統中串行通信設計方法及協(xié)議

SCI有兩種多處理器協(xié)議，即空閑線(xiàn)多處理器模式和地址線(xiàn)多處理器模式。這些協(xié)議允許在多個(gè)處理器之間進(jìn)行有效的數據傳輸。在本系統中，采用空閑線(xiàn)模式。在此模式下，當接收到數據塊起始信號后，串行通信接口被喚醒。處理器識別下一個(gè)串行通信接口中斷。中斷服務(wù)程序將接收到的地址與自己的地址進(jìn)行比較。如果該CPU正在被尋址，則中斷服務(wù)程序清除SLEEP位，并接收數據塊中剩余的數據。如果該CPU不被尋址，則SLEEP位仍保持置位。這樣就允許CPU繼續執行它的主程序而不被SCI所中斷，直到檢測到下一個(gè)塊的起始信號。

DSP接收和發(fā)送數據可以采用查詢(xún)或中斷兩種模式來(lái)實(shí)現。本系統中采用中斷方式來(lái)接收PC機所傳來(lái)的參數，這里主要介紹該模式下數據接收和發(fā)送的具體方法。TMS320LF2407串行通信接口模塊的數據接收和發(fā)送均有其獨立的外設中斷向量，并可使用高優(yōu)先級或低優(yōu)先級，中斷服務(wù)程序可通過(guò)檢查外設中斷向量寄存器的值來(lái)轉入相應的接收或發(fā)送中斷處理程序。

在串行通信中，雙方必須使用相同的波特率。SCI使用一個(gè)16位波特率選擇寄存器可獲得65000種不同的可編程波特率，波特率由系統時(shí)鐘SYSCLK頻率和波特率選擇寄存器決定，不同通信模式下的串行通信接口波特率計算方法如下：

BRR=1到65535時(shí)

SCI異步波特率=

BRR=0時(shí)

SCI異步波特率=

（BRR為波特率選擇寄存器的十六位值）

在本系統的串行通信過(guò)程中，波特率設為9600bit/s，八位數據位，一個(gè)停止位，奇校驗。為了實(shí)現通訊，PC機與TMS320LF2407之間必須采用相同的通信協(xié)議。

5 串行通信硬件接口電路及軟件編程

5.1 硬件接口電路

PC機串行口使用的是標準RS-232-C電平，低電平“0”在+5V～+15V之間，高電平“1”在-5V～-15V之間。而TMS320LF2407的電源為3.3V，低電平“0”在+0.4V～+0.8V之間，高電平“1”在+2.4V～+2.8V之間。為了使二者電平匹配，在DSP與PC機之間必須進(jìn)行電平邏輯轉換，本系統中采用的是MAXIM公司的MAX232集成芯片。具體硬件接口電路如圖所示。


圖2 DSP與PC機串行通信硬件接口圖

DSP中通信程序設計

DSP的SCI模塊使用中斷來(lái)接收PC機所傳送來(lái)的參數，供控制算法主程序調用，DSP中串行數據接收流程圖如圖3所示。


圖3 DSP串行數據接收流程圖

DSP接收的數據為十六位，所以需要對高八位和低八位分別進(jìn)行接收，高八位左移八位加上低八位，就是所要的十六位數據，接收的數據依次保存在首地址為4002h的連續單元中。下面為SCI模塊初始化和接收中斷兩部分的匯編語(yǔ)言源程序。

SCI初始化程序如下：

LDP #0E1h

SPLK #0003h, MCRA

; 選中SCI輸入輸出引腳

LDP #0E0h

SPLK #27h, SCICCR

; 1個(gè)停止位，八位數據，奇校驗，

; 空閑線(xiàn)方式，禁止自測試

SPLK #0003h, SCICTL1

; 允許TX，RX和內部SCICLK

; 禁止RXERR，SLEEP，TXWAKE

SPLK #0002h, SCICTL2

; 允許RX中斷，禁止TX中斷

SPLK #0002h, SCIHBAUD

SPLK #0008h, SCILBAUD

; 40MHz SYSCLK下，波特率為9600bps

SPLK #0023h, SCICTL1

; 放棄復位SCI

LAR AR0, #SCITXBUF

LAR AR1, #SCIRXBUF

; 載入兩個(gè)緩沖器的地址

LDP #0

SPLK #04002h, RTB

; 定義接收數據的首地址

SPLK #01h, NUM

; 設置判別高8位還是低8位的變量

SPLK #0, RTD

; 接收數據寄存器

串行數據接收中斷程序如下：

SCI_INT:

LDP #0

LACC #02h

SUB NUM

BCND high, GT

; 判斷是否為高8位數據

MAR ＊, AR1

LACC ＊, AR1

ADD RTD

SACL RTD

LACC RTB

TBLW RTD

ADD #1

SACL RTB

SPLK NUM

high:

; 讀高8位數據

MAR ＊, AR1

LACC ＊, AR1

SACL RTD

LACC RTD, 8

SACL RTD

SPLK #02h, NUM

PC機中通信程序設計

在PC機中，串口通信的程序是用Visual Basic 6.0開(kāi)發(fā)的，調用的是Microsoft 公司提供的 MSComm 控件。

MSComm 控件為應用程序提供了通過(guò)串行接口收發(fā)數據的簡(jiǎn)便方法，在VB、VC、Delphi等語(yǔ)言中均可使用。它提供兩種處理通信的方式：事件驅動(dòng)方式和查詢(xún)方式。在這里我們采用的是事件驅動(dòng)方式，這種方式是處理串行端*互作用的一種非常有效的方法，其優(yōu)點(diǎn)是程序響應及時(shí)，可靠性高。在程序中可以利用該控件的OnComm事件來(lái)捕獲并處理發(fā)送和接收等通信事件;OnComm事件還可以檢查和處理通信錯誤。MSComm 控件的主要屬性及其功能如表1所示。

表1 MSComm 控件的主要屬性及功能


在上位機的程序設計中，首先進(jìn)行串口參數初始化設置：

Private Sub Form_Load（）

If MSComm.PortOpen=True Then

MSComm.PortOpen=False

End If

′關(guān)閉串行端口

intPort=1

serSet=″9600,O,8,1 ″

MSComm.CommPort=intPort

′選擇串行端口

MSComm.Settings= serest

′設置波特率9600bps,一個(gè)停止位，八個(gè)數據位，且為奇校驗

MSComm.OutBufferSize=512

′設置發(fā)送緩沖區大小

MSComm.PortOpen=True

′打開(kāi)串行端口

串口通信應用程序的界面如圖4所示。


圖4 上位機通信程序界面

6 結論

在減搖水艙試驗臺架控制系統中，采用PC機和DSP的主從式結構。為了提高實(shí)時(shí)控制的效果，需要進(jìn)行上位機與下位機之間的串行通信。本文設計的串行通信方法，簡(jiǎn)便可靠，并且在實(shí)際應用中取得了良好的效果。