多路異步串行通信系統在光纖陀螺組合中的設計與實(shí)現

摘要：DSP在與多個(gè)外設進(jìn)行通信時(shí)，需要擴展異步串行通信接口。以TMS320C6711為例，采用ST16C554異步串行收發(fā)器，介紹了目前最先進(jìn)的C6000系列DSP與多路RS232、RS485/422設備通信的設計方案，并給出了軟硬件實(shí)現實(shí)例。關(guān)鍵詞：數字信號處理器 通用異步串行收發(fā)器 可編程邏輯器件 光纖陀螺 DSP與計算機通信的外部接口主要可劃分為串行通信口和并行通信口。串口通信包括采用RS232、RS485／422、USB、IEEE1394等協(xié)議的通信，并口通信包括采用IEEE488、IEEE1248等協(xié)議的通信。本文主要介紹DSP多路RS232、RS485／422通信系統的設計與實(shí)現，并將此系統應用于光纖陀螺三維角速率測量組合中。 1 系統方案設計 1．1 系統框圖 圖1為DSP多路異步串口通信系統的框圖。計算機接收端為通用的數據采集卡，其與DSP之間采用RS485／422協(xié)議，通信速率可達921．6kBPS。光纖陀螺與DSP之間采用RS232協(xié)議，通信速率可達115．2kBPS。該系統可以實(shí)現DSP與三路RS232設備和一路RS485／RS422設備的通信。1.2 TMS320C6711簡(jiǎn)介 TMS320C6000系列DSP芯片最初主要是為移動(dòng)通信基站的信號處理而推出的超級處理芯片，200MHz時(shí)鐘的TMS320C6711完成1024點(diǎn)的FFT算法的時(shí)間只要66μs，比傳統的DSP芯片要快一個(gè)數量級，因此在民用和軍用領(lǐng)域都有廣闊的應用前景。在軍事通信、電子對抗、雷達系統、精確制導武器等高智能化的應用領(lǐng)域，這種芯片的處理能力具有不可替代的優(yōu)勢［2］。TMS320C67XX是TMS320C6000中的浮點(diǎn)系列，TMS320C6711是其中性?xún)r(jià)比較好的一款芯片。正如其它的TMS320C6000系列芯片一樣，該芯片提供了兩個(gè)多通道同步緩沖串口，沒(méi)有提供異步串口，因此需要進(jìn)行異步串口擴展。 1．3 通信方案設計 目前幾乎所有的數字信號處理器都提供了一個(gè)或多個(gè)串行接口，然而，多數DSP芯片提供的是同步串口。在實(shí)際的應用中，也需要DSP能夠與多個(gè)外設進(jìn)行異步串行通信，如與PC機或光纖陀螺之間進(jìn)行串行數據傳輸就要求DSP系統具有多路UART串行接口；當然也可以利用通用的I／O口構成串口，由軟件設定波特率(在DSP不繁忙的情況下，往往采用這種方法)。但是當這兩種I／O線(xiàn)被占用或對通信的實(shí)時(shí)性要求較高時(shí)，DSP應該通過(guò)擴展異步通信芯片來(lái)實(shí)現高速串行通信。 針對這種情況，本文研究并實(shí)現一種簡(jiǎn)單可靠的異步串口擴展方法，即在DSP的并行總線(xiàn)上擴展UART芯片，用硬件實(shí)現異步數據傳輸。該方法的優(yōu)點(diǎn)是軟件實(shí)現簡(jiǎn)單，代價(jià)是在總線(xiàn)上需擴展其它設備。由于本方案要實(shí)現DSP與四路外設的異步串口通信，綜合考慮硬件連接和軟件編程的方便性，采用四通道ST16C554串行異步收發(fā)器與多路電子轉換芯片MAX3245E來(lái)完成。這樣，用最簡(jiǎn)單的硬件連接和軟件編程就能實(shí)現四路異步的串行通信。 1．4 ST16C554簡(jiǎn)介 ST16C554是EXAR公司的異步通信芯片，其主要特點(diǎn)如下［3］： %26;#183;與ST16C454、ST68C454、ST68C554、TL16C554兼容； %26;#183;16字節的發(fā)送與接收FIFO； %26;#183;接收控制和發(fā)送控制相互獨立的四通道選擇； %26;#183;四個(gè)可選的接收FIFO中斷觸發(fā)級； %26;#183;標準MODEM接口； %26;#183;最高可達1．5M的波特率，其波特率發(fā)生器可編程； %26;#183;數據位長(cháng)度為5、6、7、8，停止位長(cháng)度為1、1．5、2； %26;#183;具有偶校驗、奇校驗或無(wú)校驗模式。 ST16C554不僅能將DSP發(fā)送的數據進(jìn)行并／串轉換，還能將從外設或MODEM接收的數據進(jìn)行串／并轉換，能夠同時(shí)完成四個(gè)獨立通道的收發(fā)。同時(shí)，ST16C554還具有四組獨立的16字節的接收與發(fā)送FIFO，可以通過(guò)使能FIFO及設置FIFO中斷觸發(fā)級有效地減少CPU的中斷，提高系統效率及可靠性。2 系統硬件設計 系統的硬件設計框圖如圖2所示。該硬件系統由電源轉換電路、電源監控電路、DSP、SDRAM、FLASH ROM、UART、電平轉換芯片及可編程邏輯芯片等組成。電源轉換電路完成5V至3．3V／1．8V的DC-DC轉換，提供系統設計中所有低壓芯片的電源。電源監控電路用來(lái)監控系統所有電源電壓， 當電源電壓低于額定值時(shí)，DSP及UART復位，對芯片起保護作用。ST16C554 UART同時(shí)完成A、B、C、D四個(gè)通道的通信，其中A、B、C三個(gè)通道完成三路RS232的異步收發(fā)，波特率為115．2kBPS，D通道完成RS485／422的通信，波特率為921．6kBPS，且波特率可以在相應的控制寄存器中分別設置。當外接晶振為14．7456MHz時(shí)，可以方便地完成上述波特率的設置。多路UART-RS232電平轉換器件MAX3245轉換速率可達1MBPS?？删幊踢壿嬓酒瑸閄ILINX公司的CPLD(XC9572XL)，用以完成系統中所有的邏輯控制。 當DSP對UART進(jìn)行讀寫(xiě)操作時(shí)，必然涉及到UART的實(shí)際地址在DSP中的轉換。本方案中DSP的CE3空間設為8位異步模式，相應的地址范圍為0xB0000000～0xBFFFFFFF。而對應于UART的讀寫(xiě)操作地址以及四個(gè)獨立通道的選通地址，就要加上相應的偏移量。相應的讀寫(xiě)及片選邏輯由CPLD完成。CPLD相應的內部邏輯如下： ——CE3 COMMUNICATION SPACE ADDR=B0000000—BFFFFFFF D3： CSF3<=CE3 OR(NOT EA5)；--通道C FOG3ADDR=B0000008 CSF2<=CE3 OR(NOT EA4)；--通道B FOG2ADDR=B0000004 CSFl<=CE3 OR(NOT EA3)；--通道A FOG1ADDR=B0000002 CSF4<=CE30R(NOT EA2)；--通道D RS422ADDR=B0000001 其中，CSF1"CSF4為通道選擇信號，低電平有效；EA2"EA5為DSP的地址線(xiàn)。 3 軟件設計 該系統軟件設計包括PC機、TMS320C711及ST16C554的初始化和通信協(xié)議等。下面將結合本系統的硬件給出TMS320C711初始化ST16C554的程序。初始化的主要任務(wù)是設置操作每個(gè)通道所需要的參數，這些參數包括串行通信時(shí)數據串的數據位數、停止位數、奇偶校驗等。另外，還需要設置發(fā)送和接收的波特率及中斷方式。 其中RHR為接收保持寄存器，THR為發(fā)送保持寄存器。FCR為FIFO控制寄存器，設置為FIFO使能。IER為中斷使能寄存器，與FCR配合使用，設置為FIFO中斷方式，也可以設置為DMA方式。LSR為線(xiàn)性狀態(tài)寄存器，通過(guò)查詢(xún)最低位檢測FIFO或RHR中是否有數據。DLL及DLM為波特率設置寄存器，通過(guò)對晶振分頻完成波特率的設置。當LCR的最高位為1時(shí)，才能改變DLL及DLM的設置。 以通道A為例，DSP對ST16C554初始化的C語(yǔ)言程序如下： ／*FOG1*／ *(char*)0xb0000032=0x80；/*lcr=80*／ *(char*)0xb0000002=0x08；/*dll=08*／ *(char*)0xb0000012=0x00；/*dlh=00*／ *(char*)0xb0000032=0xlb；/*lcr=1b*／ *(char*)0xb0000022=0x01；/*fcr=01*／ *(char*)0xb0000012=0x01；/*ier=01*／ *(char*)0xb0000022=0x03；/*fcr=01*／ *(char*)0xb0000022=0x01；/*fcr=01*／ 四個(gè)通道都設置為FIFO方式及中斷使能。通道A、通道B、通道C分別設置給RS232，波特率為115．2kBPS；通道D設置給RS485／422，波特率為921．6kBPS。 DSP對通道A的數據讀取程序如下： while((readtp %26;amp; 0x01)!=0) {readdata=*(char*)0xb0000002；/*read rhr *／ readtp=*(char*)0xb0000052；/*read 1sr*／ ｝4 與光纖陀螺的對接測試 將該系統與光纖陀螺對接，測試表明該系統完全滿(mǎn)足設計要求。 圖3為陀螺儀的標度因數測試結果，圖中橫坐標為輸入角速率，縱坐標為DSP輸出的數據經(jīng)D／A轉換后的電壓輸出值，圖中曲線(xiàn)是根據輸入輸出數據用最小二乘法擬合求得的。 該系統的軟件及硬件已調試通過(guò)，并成功地應用于航天光纖陀螺角速度測量系統中。該方案能夠靈活高效地完成DSP與多個(gè)PC機或傳感器(即多個(gè)光纖陀螺)之間的異步串口通信，還可以實(shí)現與MODEM之間的標準接口。另外，若利用DSP的EDMA功能完成收發(fā)，還可以進(jìn)一步提高系統性能，實(shí)現高速串行通信［4］。