C8051F005在高速誤碼測試系統中的運用

引 言

隨著(zhù)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，通信系統信號處理越來(lái)越快。在這種情況下，對于高速通信系統性能的檢驗，就需要高速誤碼測試儀。目前市而上已有多種誤碼測試儀。國內產(chǎn)品的信號處理速度較低，而國外產(chǎn)品的功能雖然比較完善，處理速度很高，但其價(jià)格也相對較高。本文根據Vitesse公司的VSC8228芯片特點(diǎn)，利用C8051F005單片機設計出一種價(jià)廉的高速誤碼測試儀。下面將對其軟硬件設計，特別是C8051F005與上位機的串口通信以及與VSC8228的SPI通信進(jìn)行詳細探討。

1 誤碼測試系統概述

Cygnal公司的單片機C8051F005具有高速8051微控制器內核，速度可達25 MIPS，指令為流水線(xiàn)指令結構，70％的指令的執行時(shí)間為1個(gè)或2個(gè)系統時(shí)鐘周期；可片內JTAG調試和邊界掃描，這樣可提供全速、非侵人式的在系統調試(不需仿真器)；片內有多達60 KB的FlashROM和2 KB RAM，用戶(hù)無(wú)需再外擴存儲器；可同時(shí)使用的硬件SMBus(I2C兼容)、SPI及UART串口，4個(gè)通用16位計數器／定時(shí)器。

VSC8228可提供的一個(gè)雙通道重發(fā)器或重定時(shí)器，能應用于光纖信道、千比特以太網(wǎng)、SONET／SDH以及無(wú)限帶寬等多種領(lǐng)域。設備支持速率從125 Mbps～4.25Gbps。該芯片可以將輸入的串行數據在重定時(shí)器模式下與本地的參考時(shí)鐘同步，內置的碼型產(chǎn)生器與檢測器可以產(chǎn)生與探測27、223、231的偽隨機碼，40或64位用戶(hù)定義碼型以及光纖信號CRPAT、CJTPAT、CSPAT碼型。它含128個(gè)寄存器，可通過(guò)SPI或者I2C串行總線(xiàn)設置相關(guān)寄存器，可以實(shí)現誤碼檢測功能。

誤碼測試系統可分為兩個(gè)部分：誤碼測試部分和人機界面。測試部分由VSC8228芯片來(lái)實(shí)現。它完成偽隨機碼型的產(chǎn)生、同步及對比檢測，計算出誤碼個(gè)數。人機界面子系統在整個(gè)測試系統中作為系統控制核心單元，通過(guò)人機界面完成系統作業(yè)。以C8051F005單片機作為人機界面硬件的控制部分，對VSC8228芯片的控制、誤碼率的計算以及測試子系統的各狀態(tài)的顯示都通過(guò)PC機的界面來(lái)實(shí)現。PC界面采用Delphi語(yǔ)言編寫(xiě)。

誤碼測試儀的工作流程如下：PC界面通過(guò)RS232串口實(shí)現與C8051F005的通信，將對VSC8228各寄存器的沒(méi)置發(fā)送給C8051F005單片機，每個(gè)控制命令為16位；單片機通過(guò)SPI口將上位機發(fā)送過(guò)來(lái)的控制命令轉發(fā)給VSC8228，完成VSC8228各寄存器的設置。為了實(shí)時(shí)地顯示誤碼測試儀的工作狀態(tài)，單片機每秒掃描一次各寄存器，將其值通過(guò)RS232串口上傳到PC界面。

由此可見(jiàn)，C8051F005單片機起著(zhù)VSC8228與上位機通信的橋梁作用，它與上位機的串口通信以及與VSC8228的SPI通信在誤碼測試儀的實(shí)現過(guò)程中起著(zhù)十分重要的作用。下面通過(guò)軟硬件設計詳細分析這兩種通信。

2 誤碼測試系統的實(shí)現

2.1 硬件設計

利用C8051F005單片機的串行接口，通過(guò)RS232異步通信接口與上位機進(jìn)行通信。C8051F005通過(guò)串行口直接接收PC上位傳送來(lái)的串行數據，然后把接收的數據存入數據存儲器；同樣，C8051F005通過(guò)串行口直接把數據傳送給PC機。系統結構框圖如圖1所示。

C8051F005有一個(gè)特別的交叉開(kāi)關(guān)，可將數字I／O資源分配到物理I／O端口引腳。C8051F005通過(guò)設置交叉開(kāi)關(guān)來(lái)同時(shí)使用SMBus(I2C兼容)、SPI及UART串口等。VSC8228也可通過(guò)SPI或者I2C串行總線(xiàn)設置相關(guān)寄存器，但由于SPI通信的速率比I2C通信快，因此為了實(shí)現誤碼的高速測試，這里選擇SPI作為C8051F005與VSC8228的通信協(xié)議。

SPI接口協(xié)議要求接口設備按主從方式進(jìn)行配置，且同一時(shí)間內總線(xiàn)上只能有一個(gè)主器件。一般情況下，實(shí)現SPI接口需要3或4根線(xiàn)。其中：主出從入(MOSI)信號是主器件的輸出和從器件的輸入，數據傳輸時(shí)最高位在先；主人從出(MISO)信號是從器件的輸出和主器件的輸入，數據傳輸時(shí)也是最高位在先。當SPI從器件未被選中時(shí)，它將MISO引腳置于高阻狀態(tài)。串行時(shí)鐘(SCK)信號是用于同步主器件和從器件之間在MOSI和MISO線(xiàn)上的串行數據傳輸。從選擇(NSS)信號是一個(gè)輸入信號，主器件用它來(lái)選擇處于從方式的SPI模塊，在主方式時(shí)用于禁止SPI模塊。當處于從方式時(shí)，它被拉為低電平以啟動(dòng)一次數據傳輸，并在傳輸期間保持低電平。

誤碼測試系統中，以C8051F005作為主器件，VSC8228為從器件，由于NSS為從器件選擇使用，將單片機的NSS引腳(P0.5)置高，用P2.4引腳與VSC8228的NSS引腳(PIO3)相連。根據MOSI及MISO上的數據在SCK的哪種極性和相位上有效，單片機上的SPI通信有四種工作模式；但是VSC8228的SPl只有一種工作模式，故在對單片機的SPI控制器進(jìn)行設置時(shí)必須考慮這點(diǎn)。圖2是VSC8228的SPI通信時(shí)序。在SPI通信時(shí)，先傳輸7位地址，后傳輸讀寫(xiě)控制位OP(OP為0時(shí)表示讀，OP為1時(shí)表示寫(xiě))，最后傳輸8位數據，故SPI通信的命令字長(cháng)度為16位。

2.2 下位機軟件設計

下位機采用中斷方式實(shí)現與上位機的通信，單片機用SPI與VSC8228誤碼測試模塊的通信。每當串行口接收或發(fā)送完一組串行數據時(shí)，就產(chǎn)生一個(gè)中斷請求。串行中斷請求在單片機芯片內部自動(dòng)由硬件置位發(fā)生，具有實(shí)時(shí)性高的特點(diǎn)。圖3是單片機的控制程序流程。

對單片機進(jìn)行程序初始化，包括看門(mén)狗、系統時(shí)鐘、I／O口、SPI寄存器、UART口等。C8051F005單片機具有看門(mén)狗，但是看門(mén)狗到一定時(shí)間，將重啟單片機，為防止這種現象的產(chǎn)生，初始化里禁止了看門(mén)狗。SPI的初始化主要是對啟動(dòng)SPI的相關(guān)控制寄存器進(jìn)行配置。UART的初始化主要是對串口的控制字進(jìn)行設置。I／O口的初始化通過(guò)設置交叉開(kāi)關(guān)來(lái)啟動(dòng)SPI與UART口，并將有關(guān)輸出設置為推挽輸出。

系統時(shí)鐘初始化模塊，由于是選擇外部晶振作為時(shí)鐘源，根據C8051F005的要求，在通過(guò)外部振蕩器控制寄存器OSCXCN選擇了外部晶振后，需等待至少1ms后再查詢(xún)等待OSCXCN寄存器中的D7位，即XTLVLD位變?yōu)?，表明外部晶振正在運行并已工作穩定，然后才能通過(guò)內部振蕩器控制寄存器OSCICN的D3位，即CLKSL置1來(lái)選擇外部晶振。

具體的參考程序如下：

C8051F005使用4個(gè)特殊功能寄存器來(lái)實(shí)現對SPI的控制和訪(fǎng)問(wèn)。這4個(gè)寄存器分別是控制寄存器(SPI0CN)、數據寄存器(SPI0DAT)、配置寄存器(SPIOCFG)和時(shí)鐘頻率寄存器(SPI0CKR)。當以C8051F005為主器件時(shí)，應將主允許標志(MSTEN，SPI0CN.1)置1，同時(shí)將SPI使能SPIEN(SPI0CN.0)置1。通過(guò)CKPHA(SPI0CFG.7)和CKPOL(SPI0CFG.6)可選擇SPI相位與極性，從而實(shí)現SPI通信的四種模式，但因為VSC8228只支持一種方式，所以將它們同時(shí)置為0，則空閑時(shí)SCK為低，此時(shí)的系統將在上升沿發(fā)送數據，下降沿接收數據(時(shí)序圖見(jiàn)圖2)。由于在MCU中，SCK的頻率可從系統時(shí)鐘分頻得到，因此該頻率可由下式給出：

其中fsysclk是系統時(shí)鐘頻率，SPI0CKR是SPI0CKR寄存器中的8位值。

為了防止上次測試對本次的影響，在程序的初始化之后，對VSC8228寫(xiě)入重肩命令，這樣每次運行程序都將VSC8228的寄存器恢復為默認值。界面發(fā)送的數據為16位，其中8位地址，8位數據，而且每個(gè)數據是一個(gè)字符。為讓單片機識別控制命令已發(fā)完，最后一個(gè)16位數據設為FFFF。另外，每16位數據之間加入了100 ms的延時(shí)，這樣Spcomm控件就會(huì )把每16位數據當成1幀，單片機也能夠正確地接收所有數據。

單片機用中斷的方法來(lái)接收界面傳過(guò)來(lái)的數據。每接到一個(gè)數據，即一個(gè)字符，就執行中斷子程序，將接收到的數據的最低位存人數組。串口中斷子程序流程如圖4所示。當接收到16個(gè)，就接收完1幀，轉入執行主程序去對收到的16位進(jìn)行處理。處理過(guò)程就是將收到的16個(gè)數據(存放在數組中)，通過(guò)移位跟“或”運算，綜合成16位的數據。然后，通過(guò)移位運算，取高8位作為地址，低8位作為數據。對于接收的16位數據，如果不是FFFF，則將提取出來(lái)的8位數據，發(fā)送給提取出來(lái)的8位地址對應的寄存器；如果接收的16位數據為FFFF，表示所有的控制命令已經(jīng)發(fā)完，這時(shí)VSC8228的全部寄存器設置完畢，VSC8228的碼型產(chǎn)生模塊以及檢測模塊開(kāi)始工作。此時(shí)，單片機每秒掃描一次所有寄存器的值，并將其值通過(guò)串口傳給界面，界面對串口傳送過(guò)來(lái)的數據進(jìn)行處理。

本設計中，SPI的數據傳輸過(guò)程如下：

① 關(guān)閉中斷允許。
② MCU將VSC8228的NSS拉低(即置P2.4=0)，以選中從器件VSC8228。
③ 將待發(fā)送的數據寫(xiě)入數據寄存器(SPI0DAT)，即寫(xiě)發(fā)送緩沖器。如果SPI移位寄存器為空，發(fā)送緩沖器中的數據字節被傳送到移位寄存器，數據傳輸開(kāi)始。
④ 在SCK上提供串行時(shí)鐘，同時(shí)在MOSI線(xiàn)上串行移出數據。傳輸結束后，SPIF(SPI0CN.7)標志被置1。
⑤ 傳輸結束，將NSS拉高，打開(kāi)中斷允許。

以下是SPI寫(xiě)VSC8228測試程序的關(guān)鍵代碼：

2.3 上位機軟件設計

上位機主要實(shí)現以下功能：顯示當前日期和時(shí)間；根據檢測需要設置檢測參數(產(chǎn)生碼型、檢測碼型、速率、輸出去重、擺動(dòng)輸入均衡、探測門(mén)限等)；運行時(shí)間及BER的計算，控制按鈕及LED顯示檢測狀態(tài)。狀態(tài)燈可以顯示的狀態(tài)有“無(wú)信號”、“同步態(tài)”、“失同步態(tài)”與“等待態(tài)”等。它是在WindowsXP環(huán)境下采用Delphi語(yǔ)言編寫(xiě)的。首先在Delphi里加載串行通信功能的SPCOMM控件，它使用非常方便。由于Delphi采用事件驅動(dòng)模式，程序員只需要對Delphi組件的屬性、事件進(jìn)行編程，然后再由這些組件對相應的事件進(jìn)行響應。這樣就使得各個(gè)事件彼此完全獨立，減少事件間的耦合性，可以大大提高程序的穩定性和可靠性，同時(shí)簡(jiǎn)化程序的編碼過(guò)程。

SPCOMM應用的核心在于主線(xiàn)程、讀線(xiàn)程和寫(xiě)線(xiàn)程之間的消息傳遞機制，而通信數據相關(guān)信息的傳遞也是以消息傳遞的方式進(jìn)行的。在使用SPCOMM進(jìn)行串口通信編程時(shí)，需特別注意以下兩個(gè)問(wèn)題：首先，SPCOMM是通過(guò)ReadIntervalTimeout屬性的設置來(lái)確定所接收到的數據是否屬于同一幀數據的，其默認值是100 ms。也就是說(shuō)，只要任何兩個(gè)字節到達的時(shí)間間隔小于100 ms，都被認為是屬于同一幀數據。另外，SPCOMM的默認屬性設置是支持軟件流控制的，用于流控制的字符是13H(XoffChar)和11H(XonChar)，當單片機以二進(jìn)制方式發(fā)送數據時(shí)，必須禁用SPCOMM對于軟件流控制的支持，即Inx_XonXoff-Flow屬性設為False，否則，在數據幀中出現的13H、11H會(huì )被SPCOMM作為控制字符而加以忽略。

由于單片機的SPI口對VSC8228進(jìn)行控制時(shí)須向每個(gè)寄存器發(fā)控制字，所以界面就要求發(fā)送1個(gè)地址加1個(gè)字節數據的形式，這樣就有16位；同時(shí)為單片機能夠方便地分清每個(gè)幀(1字節地址加1字節數據)，每次發(fā)送1幀就延時(shí)100 ms。單片機每秒掃描1次VSC8228的全部寄存器，并將數據傳送給界面，因此，界面首先要一幀一幀地識別出來(lái)，然后對于某些地址的數據進(jìn)行特定的操作。

誤碼率是誤碼個(gè)數與碼總個(gè)數的比值。碼總個(gè)數是檢測時(shí)間和速率的乘積。對不同的速率有不同的總數。由此，得出誤碼率。

關(guān)鍵代碼如下：

3 誤碼測試性能

本設計經(jīng)實(shí)驗測試，上位機與下位機的串口通信以及MCU與誤碼測試模塊的通信都能正確傳輸。為適應高速測試，目前SPI的傳輸速率(指SCK頻率)為2 MHz。根據本方案設計誤碼檢測儀已運用于EPON光收發(fā)模塊的連續碼測試。與臺灣宜捷威科技的FMTS-3000以及安立的MP1630的測試比較結果看，本誤碼測試儀其誤碼數量級與上述兩種設備基本一致，但是不能支持突發(fā)誤碼的測試。對突發(fā)誤碼測試的支持是項目組下一步研究的目標。

結 語(yǔ)

VSC8228芯片支持速率多樣，它內置PBRS及其他碼型的產(chǎn)生及探測模塊。筆者利用該特點(diǎn)設計出一種基于C8051F005單片機的廉價(jià)高速誤碼儀，探討了利用Delphi里的SPCOMM控件來(lái)實(shí)現PC機與C8051F005之間串行通信的方法，以及C8051F005與VSC8228的SPI通信過(guò)程。設計的誤碼儀支持的測試碼型有27、223、231的偽隨機碼，40或64位用戶(hù)定義碼型以及光纖信號CRPAT、CJT-PAT、CSPAT碼型等，一次可測誤碼高達43億個(gè)，可測碼速高達4.25 Gbps在EPON光收發(fā)模塊中實(shí)現了誤碼測試，效果較好，而且功耗低，有較高的實(shí)用價(jià)值。