摘要：目前大多數(shù)數(shù)字信號處理器(DSP)芯片上未提代通用異步串行收發(fā)器(UART)，只提供2～3個同步串行接口，其與微機及其它設備進行串行通信時，必須在DSP上擴展異步串行接口。以美國TI公司TMS320C54XX系列DSP為例，采用MAXIM公司的MAX3111異步串行收發(fā)器，研究了理想的接口擴展方案。論述了這種方案的軟、硬件實現(xiàn)。該方案硬件連接簡單，軟件編程方便，可實現(xiàn)DSP與PC機間的串行通信，具有很高的工程應用價值。 關鍵詞：異步串行收發(fā)器 多通道緩沖串行接口 DSP McBSP SPI UART DSP在電子工業(yè)領域得到了越來越廣泛的應用。在DSP應用系統(tǒng)設計中，必不可少的是各種通信接口的設計。與并行接口相比，串行接口的最大特點是減少了器件引腳數(shù)目，降低了接口設計復雜性。串行數(shù)據(jù)傳輸可分為同步和異步兩種模式。通用PC機的RS-232接口為通用異步接口UART(Universal Asynchronous Receiver and Transmitter)，而MOTOROLA公司的串行外圍設備接口SPI、隊列SPI(QSPI)、PHILIPS公司的內(nèi)部IC總線(I2C)，National公司的微總線(MICROWIRE)均為同步串行協(xié)議。

目前幾乎所有的數(shù)字信號處理器都提供了一個或多個串行接口，然而，多數(shù)DSP芯片提供的是同步串口。在實際的應用中，也需要DSP能夠與外設進行異步串行通信，如與PC機進行串行數(shù)據(jù)傳輸就要求DSP系統(tǒng)具UART串行接口。針對這種情況，本文研究并實現(xiàn)了一種簡單、可靠的異步串口擴展方法。 1 擴展方案 綜合分析DSP應用系統(tǒng)中擴展異步串行接口的方案，其基本方法和優(yōu)缺點如下： (1)在DSP的并行總線上擴展UART芯片(如TI公司的TL16C552)，用硬件實現(xiàn)異步數(shù)據(jù)傳輸。優(yōu)點是軟件實現(xiàn)簡單，缺點是在總線上還需擴展其它設備，這樣做使目標系統(tǒng)復雜化，增大系統(tǒng)體積。 (2)利用DSP的McBSP和DMA，在不擴展其它硬件的情況下，用軟件實現(xiàn)異步數(shù)據(jù)傳輸格式。這種方法的優(yōu)點在于硬件簡單，但軟件復雜，加大了CPU 的負擔，所以不適合通信數(shù)據(jù)量大的場合。 (3)利用DSP的McBSP同步串行接口，在擴展適當硬件的情況下，將同步數(shù)據(jù)變換為UART異步數(shù)據(jù)格式進行傳輸。這樣，就充分利用了DSP的片上資源，使硬件系統(tǒng)盡量簡單化。 綜合考慮硬件連接和軟件編程的方便性，本文采用第三種方案，應用美國MAXIM公司的MAX3111串行異步收發(fā)器，與DSP的McBSP口直接連接。硬件上無需任何其它外圍器件，同時由于異步數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收由MAX3111以硬件方案實現(xiàn)，所以軟件編程需要考慮的也只是DSP與MAX3111之間的同步數(shù)據(jù)通信。這樣，用最簡單的硬件連接和軟件編程就能實現(xiàn)同步到異步的串行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。 2 SPI接口協(xié)議及DSP的多通道緩沖串行接口 2.1 SPI接口協(xié)議 串行外圍設備接口(SPI)是MOTOROLA公司提出的一個同步串行外設接口，允許CPU與各種外圍接口器件以串行方式進行通信、交換信息。它使用4條線：串行時鐘線(SCK)、主機輸入/從機輸出線(MISO)、主機輸出/從機輸入線(MOSI)、低電平有效的使能信號線(CS)。這樣，僅需3～4根數(shù)據(jù)線和控制線即可擴展具有SPI接口的各種I/O器件。其典型的接口示意圖如圖1所示。 2.2 McBSP的功能與特點 TMS320C54XX系列DSP芯片都具有2～3個高速、全雙工、多通道緩沖串行接口(McBSP)，其方便的數(shù)據(jù)流控制可使其與大多數(shù)同步串行外圍設備接口。McBSP是在標準串行接口的基礎上對功能進行擴展的，除具有標準串口的功能特點外，其靈活性體現(xiàn)在如下幾個方面： (1)雙緩沖區(qū)發(fā)送，三緩沖區(qū)接收，

允許連續(xù)數(shù)據(jù)流傳輸; (2)可與SPI、IOM-2、AC97等兼容設備直接接口; (3)可編程幀同步、數(shù)據(jù)時鐘極性，支持外部移位時鐘或內(nèi)部頻率可編程移位時鐘; (4)擁有相互獨立的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收幀同步脈沖和時鐘信號; (5)多通道發(fā)送和接收，最多可達128個通道，速度可為100Mbit/s。 2.3 McBSP的SPI方式 TMS320C54XX系列DSP芯片的McBSP串口工作于時鐘停止模式時與SPI協(xié)議兼容。當將McBSP配置為時鐘停止模式時，發(fā)送器和接收器在內(nèi)部得到同步，這時McBSP可作為SPI的主設備或從設備。發(fā)送時鐘信號(BCLKX)對應于SPI協(xié)議中的串行時鐘信號(SCK)，發(fā)送幀同步信號對應于從設備使能信號(CS)。在這種方式下對接收時鐘信號(BCLKR)和接收幀同步信號(BFSR)將不進行連接，因為它們在內(nèi)部與BCLKX和BFSX 相連接。McBSP工作于SPI模式的主機時，與其它SPI器件接口如圖2所示。 3 MAX3111通用異步收發(fā)器 3.1 MAX3111功能特點 MAX3111通用異步收發(fā)器是MAXIM公司專門為小型微處理系統(tǒng)進行最優(yōu)化設計的UART，它包括一個振蕩器和一個可編程波特率發(fā)生器;具有一個可屏蔽的中斷源;另具有一個8字節(jié)的接收FIFO(先入先出)緩沖器。它應用SPI/MICROWIRE接口技術直接與主控制器進行通信，線路簡單、體積小，通信速率可達230kbit/s。另外其內(nèi)部除具有UART之外，還包括兩個RS-232電平轉(zhuǎn)換器，這樣無需再接入普通的MAX232進行電平轉(zhuǎn)換，即可應用一個芯片實現(xiàn)微控器(具有SPI/MICROWIRE接口)與PC機或其它設備之間的異步數(shù)據(jù)傳輸。 3.2 對MAX3111的操作 MAX3111通過SPI接口與主設備進行16位數(shù)據(jù)的全雙工同步通信，即主設備傳送16位數(shù)據(jù)給MAX3111的同時，也可接收到MAX3111發(fā)送的 16位數(shù)據(jù)。主設備在MOSI線上向MAX3111發(fā)送的16位串行數(shù)據(jù)序列中包括傳輸格式控制字，如波特率設備、中斷屏蔽、奇偶校驗位等，同時還有發(fā)送的數(shù)據(jù)字。MAX3111在MISO線上向主設備發(fā)送的16位數(shù)據(jù)序列中除了接收到的數(shù)據(jù)外，還包括中斷標志等狀態(tài)位。所以通過16位的實時數(shù)據(jù)傳輸，主設備可獲得MAX3111工作狀態(tài)信息，同時對其具有完全控制權利。這樣，兩個設備的控制、狀態(tài)、數(shù)據(jù)信息的實時通信就保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性。

4 DSP與MAX3111的接口設計 DSP的McBSP串行接口工作于SPI模式時可直接與MAX3111進行連接，從而實現(xiàn)與RS-232設備進行異步數(shù)據(jù)傳輸。此時DSP作為SPI協(xié)議中的主設備，其接口電路如圖3所示。 DSP的發(fā)送時鐘信號(BCLKK)作為MAX3111的串行時鐘輸入，發(fā)送幀同步脈沖信號(BGSX)作為MAX3111的片選信號(CS)。BDX與 DIN連接作為發(fā)送數(shù)據(jù)線，BDR與DOUT連接作為接收數(shù)據(jù)線。MAX3111的TX與T1IN連接，RX與R1OUT連接，以便利用其片內(nèi)的轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)UART到RS-232電平的轉(zhuǎn)換。MAX3111的中斷信號(IRQ)與DSP的外部中斷相連。 在SPI串行協(xié)議中，主設備提供時鐘信號并控制數(shù)據(jù)傳輸過程。由MAX3111接口電路時序圖(圖4)可知，必須設置DSP的McBSP于適當?shù)姆绞讲拍鼙ＷC與MAX3111的時序相配合。 MAX3111要求在數(shù)據(jù)傳輸過程中CS信號必須為低電平，在傳輸完畢后必須為高電平。此信號由McBSP的BFSX引腳提供，因此必須正確設置DSP的幀脈沖發(fā)生器，使之在每個數(shù)據(jù)包傳輸期間產(chǎn)生幀同步脈沖，即在數(shù)據(jù)包傳輸?shù)牡谝晃蛔優(yōu)橛行顟B(tài)，然后保持此狀態(tài)直到數(shù)據(jù)包傳輸結束。 McBSP的采樣率發(fā)生器產(chǎn)生適當頻率的時鐘信號，由BCLKX引腳輸出，保證主從設備間的同步數(shù)據(jù)傳輸。因此必須正確設置DSP的采樣率發(fā)生器時鐘源(CLKSM)和時鐘降頻因子(CLKGDV)。根據(jù)SPI傳輸協(xié)議，必須正確設置數(shù)據(jù)發(fā)送延遲時間(XDATDLY)。由圖4可知MAX3111要求在 SCLK變高之間的半個周期開始傳輸數(shù)據(jù)。 所以必須為McBSP選擇合適的時鐘方案，即設置McBSP的時鐘停止模式。在本應用中采用McBSP的時鐘停止模式 2(CLKSTP=11b，CLKXP=0)，這樣即可保證與MAX3111的時序相配合。 5 DSP的異步通信軟件的設計 考慮到應用系統(tǒng)軟件的可移植性和可讀性，數(shù)據(jù)傳輸軟件采用C語言進行編寫，這樣，可以利用DSP開發(fā)軟件CCS2.0所提供的DSP/BIOS中的芯片支持庫函數(shù)(CSL)。CSL提供C語言可調(diào)用的DSP外圍接口庫函數(shù)，其中包括DMA模塊、McBSP模塊、TIMER模塊等。應用這些庫函數(shù)可大大提高程序可讀性，縮短軟件開發(fā)周期。在本文所提到的應用中，主要調(diào)用MCBSP模塊。數(shù)據(jù)傳輸軟件主要包括以下幾部分。 (1) McBSP串口初始化 如上所述，在本應用中應將TMS320C54XX DSP的McBSP串行口配置為SI模式，以DSP作為主設備。表1給出了應設置的寄存器或寄存器位的值，未涉及的寄存器保持其默認值即可。 表1 McBSP設置為SPI模式時相關寄存器值 位名稱位 值描 述所在寄存器 CLKSTP 11b 使能McBSP的時鐘貪婪模式，并使其在SCLK變高之前半周期開始傳輸數(shù)據(jù) SPCR1 CLKXP 0 設置BCLKX信號的極性 PCR CLKXM 1 設置BCLKX引腳信號為輸出(SPI主設備) PCR RWDLEN1 000～101b 設置接收數(shù)據(jù)包的長度(必須與XWDLEN1的值相等) RCR1 XWDLEN1 000～101b 設計發(fā)送數(shù)據(jù)包的長度(必須與RWDLEN1的值相等) XCR1 CLKSM 1 采樣率發(fā)生器時鐘源CPU時鐘 SRGR2 CLKGDV 1～255 設置采樣率發(fā)生器的將頻因子 SRGR1 FSXM 1 設置BFSX引腳信號為輸出 PCR FSGM 0 在每個數(shù)據(jù)包傳輸期間，BFSX信號都有效 SRGR2 FSXP 1 設置BFSX信號為低電平有效 PCR XDATDLY 01b 提供正確BFSX信號啟動時間 XCR2 RDATDLY 01b 提供正確的BFSX信號啟動時間 RCR2 根據(jù)表1，調(diào)用CSL的McBSP配置庫函數(shù)即可完成McBSP的初始化。 McBSP_Handle hport0; /*聲明指向McBSP的句柄*/ McBSP_Config PortConfig={ /*定義寄存器設置結構*/ 0x1800, /*設置串口控制寄存器1的值*/ 0x0000, /*設置串口控制寄存器2的值*/ 0x0040, /*設置接收控制寄存器的值*/ … }; hport0=MCBSP_open(0,MCBSP_OPEN_RESET);/*打開第一個McBSP串口*/ MCBSP_config (hport0,%26;amp;PortConfig);/*按結構設置McBSP的各寄存器*/ (2)MAX3111工作模式及波特率設置 在進行通信之前，DSP必須首先根據(jù)命令序列格式向MAX3111寫入配置命令字，之后才能進行正確的數(shù)據(jù)傳輸，如8位數(shù)據(jù)位、一位停止位、無奇偶校驗位、波特率為115200、使能接收和發(fā)送中斷的異步數(shù)據(jù)傳輸。DSP對MAX3111進行配置的簡要過程為： … McBSP_start(hport0, /*McBSP開始數(shù)據(jù)傳輸*/ McBSP_SRGR_START|MCBSP_SRGR_FRAMESYNC |McBSP_RCV_START|MCBSP_XMIT_START,0x200 ); while(!McBSP_xrdy(hport0));/*等待發(fā)送寄存器為空*/ McBSP_write16(hport0,0x6E0B); /*向MA3111寫入配置命令字*/ … (3)中斷服務程序

在進行中斷方式數(shù)據(jù)傳輸時，需要注意的是：雖然DSP的McBSP有自身的發(fā)送和接收中斷，但由于McBSP與MAX3111之間的同步串行數(shù)據(jù)傳輸速率高于MAX3111將數(shù)據(jù)以一定波特率(最高230kbps)異步發(fā)送的速率，因此如果應用McBSP的發(fā)送中斷，將造成發(fā)送數(shù)據(jù)的丟失。同時，在SPI 協(xié)議中，數(shù)據(jù)的傳輸是由SPI主設備發(fā)起的，所以在SPI方式下的McBSP并不能產(chǎn)生接收中斷。因此，本方案應用的關鍵之一是將MAX3111的IRQ 中斷信號連接至DSP的一外部中斷，以實現(xiàn)中斷方式下可靠、正確的數(shù)據(jù)傳輸。 針對現(xiàn)有的多數(shù)據(jù)數(shù)字信號處理器(DSP)芯片上不提供異步串行收發(fā)器(UART)接口，而只有同步串行接口的情況。本文通過簡單的硬件電路將同步接口轉(zhuǎn)換為異步串行接口，充分利用了DSP的在片硬件資料，很好地解決了DSP的異步串口擴展問題。此方法在工程實踐中已經(jīng)得到應用。實踐證明，在各種波特率下(最高可為230.4kbps)，其查詢和中斷方式數(shù)據(jù)傳輸正確、可靠，各元件工作正常 ，并且在此硬件連接的基礎上，利用DSP的DMA功能進行串行數(shù)據(jù)接收及發(fā)送收到了良好效果，進一步提升了應用系統(tǒng)的性能。