多路異步串行通信系統(tǒng)在光纖陀螺組合中的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：DSP在與多個外設(shè)進(jìn)行通信時，需要擴(kuò)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(shè)備通信的設(shè)計(jì)方案，并給出了軟硬件實(shí)現(xiàn)實(shí)例。

DSP與計(jì)算機(jī)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(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，并將此系統(tǒng)應(yīng)用于光纖陀螺三維角速率測量組合中。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1．1 系統(tǒng)框圖

圖1為DSP多路異步串口通信系統(tǒng)的框圖。計(jì)算機(jī)接收端為通用的數(shù)據(jù)采集卡，其與DSP之間采用RS485／422協(xié)議，通信速率可達(dá)921．6kBPS。光纖陀螺與DSP之間采用RS232協(xié)議，通信速率可達(dá)115．2kBPS。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)DSP與三路RS232設(shè)備和一路RS485／RS422設(shè)備的通信。

    1.2 TMS320C6711簡介

TMS320C6000系列DSP芯片最初主要是為移動通信基站的信號處理而推出的超級處理芯片，200MHz時鐘的TMS320C6711完成1024點(diǎn)的FFT算法的時間只要66μs，比傳統(tǒng)的DSP芯片要快一個數(shù)量級，因此在民用和軍用領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景。在軍事通信、電子對抗、雷達(dá)系統(tǒng)、精確制導(dǎo)武器等高智能化的應(yīng)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是其中性價比較好的一款芯片。正如其它的TMS320C6000系列芯片一樣，該芯片提供了兩個多通道同步緩沖串口，沒有提供異步串口，因此需要進(jìn)行異步串口擴(kuò)展。

1．3 通信方案設(shè)計(jì)

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(shí)際的應(yīng)用中，也需要DSP能夠與多個外設(shè)進(jìn)行異步串行通信，如與PC機(jī)或光纖陀螺之間進(jìn)行串行數(shù)據(jù)傳輸就要求DSP系統(tǒng)具有多路UART串行接口；當(dāng)然也可以利用通用的I／O口構(gòu)成串口，由軟件設(shè)定波特率(在DSP不繁忙的情況下，往往采用這種方法)。但是當(dāng)這兩種I／O線被占用或?qū)νㄐ诺膶?shí)時性要求較高時，DSP應(yīng)該通過擴(kuò)展異步通信芯片來實(shí)現(xiàn)高速串行通信。

針對這種情況，本文研究并實(shí)現(xiàn)一種簡單可靠的異步串口擴(kuò)展方法，即在DSP的并行總線上擴(kuò)展UART芯片，用硬件實(shí)現(xiàn)異步數(shù)據(jù)傳輸。該方法的優(yōu)點(diǎn)是軟件實(shí)現(xiàn)簡單，代價是在總線上需擴(kuò)展其它設(shè)備。由于本方案要實(shí)現(xiàn)DSP與四路外設(shè)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(zhuǎn)換芯片MAX3245E來完成。這樣，用最簡單的硬件連接和軟件編程就能實(shí)現(xiàn)四路異步的串行通信。

1．4 ST16C554簡介

ST16C554是EXAR公司的異步通信芯片，其主要特點(diǎn)如下［3］：?

·與ST16C454、ST68C454、ST68C554、TL16C554兼容；

·16字節(jié)的發(fā)送與接收FIFO；

·接收控制和發(fā)送控制相互獨(dú)立的四通道選擇；

·四個可選的接收FIFO中斷觸發(fā)級；

·標(biāo)準(zhǔn)MODEM接口；

·最高可達(dá)1．5M的波特率，其波特率發(fā)生器可編程；

·數(shù)據(jù)位長度為5、6、7、8，停止位長度為1、1．5、2；

·具有偶校驗(yàn)、奇校驗(yàn)或無校驗(yàn)?zāi)Ｊ健?/p>

ST16C554不僅能將DSP發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行并／串轉(zhuǎn)換，還能將從外設(shè)或MODEM接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行串／并轉(zhuǎn)換，能夠同時完成四個獨(dú)立通道的收發(fā)。同時，ST16C554還具有四組獨(dú)立的16字節(jié)的接收與發(fā)送FIFO，可以通過使能FIFO及設(shè)置FIFO中斷觸發(fā)級有效地減少CPU的中斷，提高系統(tǒng)效率及可靠性。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。該硬件系統(tǒng)由電源轉(zhuǎn)換電路、電源監(jiān)控電路、DSP、SDRAM、FLASH ROM、UART、電平轉(zhuǎn)換芯片及可編程邏輯芯片等組成。電源轉(zhuǎn)換電路完成5V至3．3V／1．8V的DC-DC轉(zhuǎn)換，提供系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所有低壓芯片的電源。電源監(jiān)控電路用來監(jiān)控系統(tǒng)所有電源電壓， 當(dāng)電源電壓低于額定值時，DSP及UART復(fù)位，對芯片起保護(hù)作用。ST16C554 UART同時完成A、B、C、D四個通道的通信，其中A、B、C三個通道完成三路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(yīng)的控制寄存器中分別設(shè)置。當(dāng)外接晶振為14．7456MHz時，可以方便地完成上述波特率的設(shè)置。多路UART-RS232電平轉(zhuǎn)換器件MAX3245轉(zhuǎn)換速率可達(dá)1MBPS?？删幊踢壿嬓酒瑸閄ILINX公司的CPLD(XC9572XL)，用以完成系統(tǒng)中所有的邏輯控制。

當(dāng)DSP對UART進(jìn)行讀寫操作時，必然涉及到UART的實(shí)際地址在DSP中的轉(zhuǎn)換。本方案中DSP的CE3空間設(shè)為8位異步模式，相應(yīng)的地址范圍為0xB0000000～0xBFFFFFFF。而對應(yīng)于UART的讀寫操作地址以及四個獨(dú)立通道的選通地址，就要加上相應(yīng)的偏移量。相應(yīng)的讀寫及片選邏輯由CPLD完成。CPLD相應(yīng)的內(nèi)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。

3 軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括PC機(jī)、TMS320C711及ST16C554的初始化和通信協(xié)議等。下面將結(jié)合本系統(tǒng)的硬件給出TMS320C711初始化ST16C554的程序。初始化的主要任務(wù)是設(shè)置操作每個通道所需要的參數(shù)，這些參數(shù)包括串行通信時數(shù)據(jù)串的數(shù)據(jù)位數(shù)、停止位數(shù)、奇偶校驗(yàn)等。另外，還需要設(shè)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(shè)置為FIFO使能。IER為中斷使能寄存器，與FCR配合使用，設(shè)置為FIFO中斷方式，也可以設(shè)置為DMA方式。LSR為線性狀態(tài)寄存器，通過查詢最低位檢測FIFO或RHR中是否有數(shù)據(jù)。DLL及DLM為波特率設(shè)置寄存器，通過對晶振分頻完成波特率的設(shè)置。當(dāng)LCR的最高位為1時，才能改變DLL及DLM的設(shè)置。

以通道A為例，DSP對ST16C554初始化的C語言程序如下：

／*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*／

四個通道都設(shè)置為FIFO方式及中斷使能。通道A、通道B、通道C分別設(shè)置給RS232，波特率為115．2kBPS；通道D設(shè)置給RS485／422，波特率為921．6kBPS。

DSP對通道A的數(shù)據(jù)讀取程序如下：

while((readtp & 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(tǒng)與光纖陀螺對接，測試表明該系統(tǒng)完全滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3為陀螺儀的標(biāo)度因數(shù)測試結(jié)果，圖中橫坐標(biāo)為輸入角速率，縱坐標(biāo)為DSP輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換后的電壓輸出值，圖中曲線是根據(jù)輸入輸出數(shù)據(jù)用最小二乘法擬合求得的。

該系統(tǒng)的軟件及硬件已調(diào)試通過，并成功地應(yīng)用于航天光纖陀螺角速度測量系統(tǒng)中。該方案能夠靈活高效地完成DSP與多個PC機(jī)或傳感器(即多個光纖陀螺)之間的異步串口通信，還可以實(shí)現(xiàn)與MODEM之間的標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)性能，實(shí)現(xiàn)高速串行通信［4］。