一種基于TMS320C55x DSP的UART通信設(shè)計

摘要：全雙工異步串行通信在TMS320C55xDSP上的通常實現(xiàn)方式是利用DSP的McBSP接口加外接芯片實現(xiàn)，這種設(shè)計方法增加了實現(xiàn)UART的硬件成本和電路設(shè)計復雜度。提出了一種直接利用DSP的MCBSP接口和DMA通道實現(xiàn)UART的方法，給出了使用C語言和CSL的編程方法。與傳統(tǒng)實現(xiàn)方法相比，具有實現(xiàn)成本低，硬件電路簡單，移植性強等特點，稍加修改可應用于C5000和C6000各系列芯片中。
關(guān)鍵詞：DSP；全雙工異步串行通信；多通道緩沖串口；DMA；過采樣

1引言：
MS320C55x數(shù)字信號處理器通過多通道緩沖串口（McBSP）提供了與外設(shè)的多種同步串行通信方式。然而，由于DSP中串行通信由數(shù)據(jù)信號、幀同步信號和時鐘3種信號配合實現(xiàn)，其中幀同步信號和數(shù)據(jù)信號由不同的數(shù)據(jù)線傳輸。而異步串行通信則在一根傳輸線上實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送或接收，且不需要專門的時鐘信號線。因此DSP與異步設(shè)備的接口，如UART通信實現(xiàn)相對復雜，需要對McBSP的相關(guān)寄存器進行正確初始化。DSP中實現(xiàn)全雙工異步通信的通常做法是使用專用的串行接口芯片，如TL16C550，這種設(shè)計方法編程相對簡單，但增加了設(shè)計成本和電路復雜度。本文介紹了一種TMS320C55xDSP芯片利用McBSP和DMA直接實現(xiàn)UART的方法，基于該方法實現(xiàn)的DSP異步串行通信模塊已成功應用于控制偏振圖像采集處理的DSP硬件設(shè)備中。 www.51kaifa.com/
2UART在DSP上的實現(xiàn)
異步串行通信要求DSP能夠模擬和檢測到UART的幀信號。由于DSP串口是同步串口，而且DSP時鐘為高速時鐘，經(jīng)分頻或倍頻后無法保證與UART的異步串行時鐘精確同步。DSP的幀同步信號無法與UART的幀信號同步，造成串行通信信號中信號位的偏移。最好的解決方法是減小偏移和對接收的數(shù)據(jù)流進行過采樣，本文采用了對UART信號的16倍過采樣。www.51kaifa.com/
2．1McBSP設(shè)置
DSP的McBSP通過3種信號實現(xiàn)同步通信：數(shù)據(jù)、幀同步和時鐘。異步通信發(fā)送和接收各在一條線上進行，具有自己的幀時序。
UART的通信時鐘由使用的通信波特率（每秒傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位個數(shù)）決定，通常為2400，9600，19200等。DSP與UART異步通信時，由于DSP的內(nèi)部時鐘頻率通常都不是UART時鐘頻率的整數(shù)位，因而會造成雙方通信時數(shù)據(jù)位的偏移，為了盡量減小這種偏移，McBSP的串口時鐘需要正確的設(shè)置時鐘頻率以達到與UART波特率相匹配。
數(shù)據(jù)包（PKTBITS）由起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗位和停止位組成，起始位為1位，停止位通常為1，1.5，2位，數(shù)據(jù)數(shù)通常為8位，如何使用校驗，那么數(shù)據(jù)包還包括1位校驗位。以上數(shù)據(jù)位中，每1位都被DSP以16倍波特率的時鐘頻率過采樣。
發(fā)送時，為保證UART能收到半個停止位，需要將DSP的McBSP發(fā)送端口設(shè)置為2相的數(shù)據(jù)幀。第1相為16位的數(shù)據(jù)字，第2相為8位的數(shù)據(jù)字。那么第1相數(shù)據(jù)長度為（起始位+數(shù)據(jù)位+校驗位）個字，第2相長度為停止位的字長。發(fā)送時的總幀長（TxPKTBITS）為這兩相的總字長。接收數(shù)據(jù)包格式與發(fā)送相似，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。DSP的串口發(fā)送引腳與外部串口設(shè)備的接收引腳相連，不使用FSX引腳和CLKX引腳。
接收時，McBSP通過接收幀同步信號引腳（FSR）檢測數(shù)據(jù)的到來，根據(jù)幀同步信號的不同，幀同步信號可配置成上升沿觸發(fā)或下降沿觸發(fā)，由于UART的起始位為低電平，因此使用下降沿觸發(fā)。將UART發(fā)送數(shù)據(jù)信號與McBSP的數(shù)據(jù)接收引腳DR和FSR相連，實現(xiàn)用UART的發(fā)送信號觸發(fā)McBSP的接收幀同步信號。在McBSP接收一幀數(shù)據(jù)期間，為了防止下降沿再次觸發(fā)一幀數(shù)據(jù)接收，McBSP應該設(shè)置為接收數(shù)據(jù)包期間忽略幀同步信號。

圖1UART接收數(shù)據(jù)包的幀格式

接收完一幀數(shù)據(jù)后，需要對數(shù)據(jù)解碼，收于DSP發(fā)送和接收時鐘是UART串口時鐘頻率的16位，因此每個UART數(shù)據(jù)位對應于DSP中1個16位字（停止位對應8位字）。在McBSP接收寄存器中將接收幀設(shè)置為2相，第1相16位字，字長為RxPKTBITS（起始位+數(shù)據(jù)位+校驗位），第2相為8位字，對應于停止位字數(shù)。此外，接收幀延時值應該設(shè)置為1位。
3．2McBSP時鐘采樣率設(shè)置
McBSP與UART通信時，McBSP接收到一幀的幀同步信號后，該幀期間之后出現(xiàn)的幀同步信號將被忽略。為了獲得最大數(shù)據(jù)流量，一幀數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束時，其停止位后緊接著為起始位，幀同步信號的檢測依賴于停止位到起始位的下降沿。為了正確檢測到幀同步信號，高電平應該至少保持一個時鐘周期以上時間。
理想情況下，串口時鐘信號邊沿與數(shù)據(jù)位邊沿精確對應，此時，每個數(shù)據(jù)位對應16倍時鐘周期。起始位和串口時鐘的下降沿偏最小，如圖3所示。

圖2McBSP串口時鐘與UART時鐘精確同步時的時序

正常通信時，McBSP的幀同步信號與UART串口的時鐘之間會有一定的偏差，如圖所示。

圖3McbSP串口時鐘與UART時鐘存在偏差時的時序

存在偏差時，為保證McBSP能檢測到接收到信號的下降沿，McBSP的串口采樣時鐘頻率必須準確設(shè)置。其設(shè)置方法如公式1、2所示。其中，DIV是McBSP寄存中串口采樣時鐘分頻值，DSPCLK是DSP的CPU時鐘頻率，baudrate為通信波特率。
（1）
（2）
通信波特率為19200，DSP時鐘頻率為75MHz，接收數(shù)據(jù)包為10位（1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，無校驗，1位停止位：PKTBITS=10，RxPKTBITS=9.5），根據(jù)公式1計算得DIV，由于分頻值DIV為整數(shù)，因此取DIV。根據(jù)公式2計算得DIV，取整后得DIV。取DIV最佳值為244。TMS320VC55xDSP以常用波特率通信時的分頻值如表1所示。
表1常用波特率下TMS320VC55x的McBSP串口DIV值

3．2DMA設(shè)置
UART通信時，DSP發(fā)送和接收到的數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)存儲器中，為了實現(xiàn)DSP的高速處理，減少DSP響應McBSP數(shù)據(jù)寄存器中斷的次數(shù)。發(fā)送和接收數(shù)據(jù)與McBSP發(fā)送和接收寄存器DXR和DRR之間的數(shù)據(jù)傳輸通過DMA通道完成。這里以使用DMA通道4和通道5為例，其中，DMA通道4作為數(shù)據(jù)接收通道，DMA通道5做為數(shù)據(jù)發(fā)送通道。將通道4和通道5的同步事件分別設(shè)置為McBSP串口接收事件和串口發(fā)送事件，DMA通道4的源地址為McBSP的接收寄存器DRR地址，目的地址為數(shù)據(jù)存儲器中存放接收數(shù)據(jù)的變量地址；DMA通道5的源地址為數(shù)據(jù)存儲器中待發(fā)的數(shù)據(jù)，目的地址為McBSP的DXR寄存器地址。每當McBSP接收到數(shù)據(jù)時，會觸發(fā)DMA通道4將接收到的數(shù)據(jù)拷貝到DSP數(shù)據(jù)存儲器的相應置，同時目的地址指針自動加1；發(fā)送數(shù)據(jù)時，DMA通道5將待發(fā)送數(shù)據(jù)拷貝到DXR，將數(shù)據(jù)依次發(fā)出。
發(fā)送數(shù)據(jù)時，待發(fā)字符被打包成適于UART接收的數(shù)據(jù)格式，以發(fā)送16進制無符號數(shù)0xAA為例，首先發(fā)送起始位，然后是數(shù)據(jù)位最低位，最后發(fā)送停止位。該數(shù)值在數(shù)據(jù)存儲器中按地址由低到高的存放格式為：0x0000，0x0000，0xFFFF，0x0000，0xFFFF，0x0000，0xFFFF，0x0000，0xFFFF，0xFFFF。
接收到數(shù)據(jù)后，取過采樣到的每個16位二進制數(shù)據(jù)字的中間四位，若中間四位中1的個數(shù)不小于3，則表示收到當前的UART數(shù)據(jù)位值為1；若中間四位中0的個數(shù)不小于3，則表示收到當前的UART數(shù)據(jù)位值為0。否則認為數(shù)據(jù)傳輸出錯。
4程序設(shè)計
在McBSP和DMA寄存器設(shè)置正確的基礎(chǔ)上，利用TI公司提供的CodeComposerStudio集成開發(fā)環(huán)境編寫了UART串口通信軟件，軟件開發(fā)中使用了CSL（片上支持庫），使整個開發(fā)過程快速、直觀、具有很強的可讀性。程序流程如圖所示：





圖4TMS320VC55xUART程序流程圖
5實驗分析
硬件和軟件設(shè)計完成后，進行了測試實驗，實驗上位機為PC機，DSP處理器為TI公司的TMS320VC5509A，通信波特率為19200，DSP外部晶振頻率為20MHz，CPU時鐘頻率為100MHz，UART數(shù)據(jù)格式為1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無校驗。多次實驗結(jié)果表明數(shù)據(jù)發(fā)收準確，無誤碼現(xiàn)象發(fā)生。
6結(jié)論
DSP系統(tǒng)直接與外部全雙工異步串行設(shè)備的通信時，通過正確的使用DSP上的McBSP和DMA通道，利用16倍過采樣原理準確的計算McBSP通信接口的采樣值和配置相關(guān)寄存器，能夠?qū)崿F(xiàn)DSP與外部異步設(shè)備的可靠通信。與傳統(tǒng)的采用串并轉(zhuǎn)換芯片的實現(xiàn)方法相比，具有更低的成本更簡單的外部電路。本文中的程序針對TI公司的TMS320VC5509xDSP芯片編寫，通過對少數(shù)寄存器的修改，該程序可直接應用于TI公司的C5000和C6000系列DSP芯片上。
本文作者創(chuàng)新點：提出了一種直接利用DSP的McBSP接口和DMA通道實現(xiàn)UART的方法，具有實現(xiàn)成本低，硬件電路簡單，移植性強等特點。

參考文獻：
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3ImplementingaSoftwareUARTontheTMS320C54xwiththeMcBSPandDMA.TexasInstruments
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