雙異步串口經(jīng)AT89C2051與TMS320VC5402HPI口通信的解決方案

摘要：提出了兩個(gè)微機(jī)串口與DSP處理器（TMS320VC5402）HPI（Host Port Interface）口通信問(wèn)題的解決方案，該方案采用單片機(jī)（AT89C2051）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的串/并、并/串轉(zhuǎn)換，并控制DSP的HPI實(shí)現(xiàn)共享總線。給出了硬件連接電路和用FPGA作為總線仲裁器的設(shè)計(jì)思路，介紹HPI口的操作過(guò)程，單片機(jī)與微機(jī)串口之間通信的硬件設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：DSP 單片機(jī) HPI 串行通信 FPGA

本文所介紹的是我所正在研制的衛(wèi)星CDMA接收機(jī)未端DSP與微機(jī)串口通信的接口電路。由于CDMA接收機(jī)支持兩個(gè)獨(dú)立CDMA信道的接收，并將兩路解調(diào)后的數(shù)據(jù)分別經(jīng)串口送至不同的計(jì)算機(jī)做后續(xù)的處理，故接收機(jī)需要帶兩個(gè)RS232接口。

微機(jī)的異步串口與DSP處理器通信的方法通常有三種，第一種方法是采用異步通信芯片擴(kuò)展串口，如用TI公司的TL16C550完成數(shù)據(jù)的串/并、并/串變換。由地TL16C550提供了豐富的控制管腳和應(yīng)答信號(hào)，對(duì)其只需設(shè)置一些寄存器就可以進(jìn)行靈活的控制，故編程比較簡(jiǎn)單，但對(duì)其數(shù)據(jù)的讀取或?qū)懭雱t需要用到DSP的數(shù)據(jù)總線。第二種方法是將DSP的I/O口XF和BIO，或者將DSP的McBSP口用軟件模擬成異步串口。用這種方法，雖然DSP與微機(jī)串口之間無(wú)需串/并變換器件，硬件構(gòu)成十分簡(jiǎn)單，但DSP的編程比較復(fù)雜，用I/O口線模擬串口需要占用兩個(gè)定時(shí)器資源，并且只有在DSP操作不繁忙的情況下這種方法才可行。第三種方法是用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的串/并、并/串轉(zhuǎn)換。與第一種方法相比較，這種方法增加了對(duì)單片機(jī)的編程，但單片機(jī)可以作為控制器操作DSP的HPI口，對(duì)DSP存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)上發(fā)可完全由單片機(jī)發(fā)起，DSP幾乎無(wú)需作任何操作，也無(wú)需用到數(shù)據(jù)總線。在DSP處理過(guò)程復(fù)雜、運(yùn)算量大的情況下，這種方法特別有用。

在本系統(tǒng)中，我們采用的DSP處理器是高性能、低功耗的TMS320VC5402，用以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的MAC層控制和數(shù)據(jù)的編、解碼工作，處理器的工作量很大。另外DSP數(shù)據(jù)總線需要與作為基帶處理器的FPGA芯片（APEGEP20K600E）交換數(shù)據(jù)，為避免引入額外的控制邏輯實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)總線復(fù)用，采有單片機(jī)控制HPI口的方法實(shí)現(xiàn)DSP與雙串口的通信?？紤]到FPGA芯片的存在及節(jié)省成本，沒(méi)有采用價(jià)格貴且需用高級(jí)仿真器開(kāi)發(fā)的雙串口單片機(jī)（如DS80C320），而是采用兩片AT89C2051，并借用物理層FPGA的冗長(zhǎng)資源作為總線仲裁器來(lái)實(shí)現(xiàn)同樣的功能。

1 TMS320VC5402 HPI口結(jié)構(gòu)

TMS320VC5402上的HPI口是增強(qiáng)型的8bit主機(jī)接口（Enhanced 8 bit host port interface），專門(mén)用于與主機(jī)進(jìn)行通信，通過(guò)它主機(jī)可以訪問(wèn)TMS320VC5402片仙16K的RAM空間。這一接口由一個(gè)8bit的雙向數(shù)據(jù)總線和不同的控制管腳組成，能夠支持按高、低字節(jié)傳送16bit數(shù)據(jù)。TMS320VC5402提供三個(gè)跟HPI操作相關(guān)的寄存器--地址寄存器HPIA、數(shù)據(jù)寄存器HPID和控制寄存器HPIC。TMS320VC5402只能訪問(wèn)控制寄存器，而主機(jī)則對(duì)這三個(gè)寄存器都可以訪問(wèn)。主機(jī)欲隨機(jī)訪問(wèn)TMS320VC5402的片內(nèi)RAM，需要先發(fā)送一個(gè)16bit地址到HPI地址寄存器（HPIA），然后通過(guò)數(shù)據(jù)寄存器（HPID）訪問(wèn)該地址所指向的存儲(chǔ)單元。主機(jī)欲連續(xù)訪問(wèn)一段RAM空間，則要先送該段的自地址到HPIA，然后以地址自動(dòng)加一的方式訪問(wèn)，即主機(jī)每訪問(wèn)一個(gè)存儲(chǔ)單元后HPIA自動(dòng)指向下一個(gè)單元。

HPI接口還提供了中斷邏輯同主機(jī)進(jìn)行軟件握手。主機(jī)可通過(guò)對(duì)控制寄存器HPIC的第二位（DSPINT）置1中斷DSP芯片；DSP芯片可通過(guò)對(duì)HPIC的第三位（HINT）置1中斷主機(jī)，此時(shí)HPI的引腳HINT被置為低電平，從而向主機(jī)發(fā)出中斷請(qǐng)求；主機(jī)還可設(shè)置HPIC的位HINT為1使HINT腳回到高電平，從而清除中斷信號(hào)。

下面給出HPI口相關(guān)管腳說(shuō)明：

HD0～HD7是8位雙向數(shù)據(jù)線，與單片機(jī)P1口相連，用于交換數(shù)據(jù)。

HCNTL1/0的組合用于選擇主機(jī)所訪問(wèn)的HPI寄存器，00表明主機(jī)訪問(wèn)HPIC；10表明訪問(wèn)HPIA；01和11均表明訪問(wèn)HPID，但01還表明同時(shí)啟用HPIA自動(dòng)增長(zhǎng)的功能。

16bit數(shù)據(jù)傳送時(shí)，HBIL為0表示傳送的是第一字節(jié)，為1表明傳送的第二字節(jié)，其中高8位在第幾個(gè)字節(jié)由HPIC中的BOB位決定。

HR/W指明當(dāng)前對(duì)HPI的操作是讀還是寫(xiě)。

HAS、HDS1/2、HCS用于鎖存上述控制信號(hào)。HPI提供兩種鎖存方式，一種是由HAS（主機(jī)地址鎖存信號(hào)）的下降沿鎖存各控制信號(hào)；另一種是由后三者共同完成，HCS為HPI的選通信號(hào)，接低電平，HDSI和HDS2中的任何一個(gè)的下降沿鎖存各控制信號(hào)。我們采用第二種方式，即HAS不使用，始終接高，HCS和HDS2接低，控制信號(hào)的鎖存由HDS1的低跳變來(lái)完成。該鎖存信號(hào)還指示了一次HPI口操作過(guò)程的開(kāi)始。

HRDY為HPI準(zhǔn)備好指示。

HINT為DSP向主機(jī)發(fā)出中斷的引腳。

HPIENA為HPI使能控制信號(hào)，高電平使能HPI操作。

2 單片機(jī)的I/O口分配、連線和程序設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)I/O口分配

在本系統(tǒng)中，考慮到板子的面積，選擇了體積小的AT89C2051單片機(jī)，并省去了P0和P2口，增加了一個(gè)精密的模擬比較器，P1.0和P1.1除了作為I/O口（需外部電阻上拉）外，還同時(shí)作為比較器的正負(fù)極輸入，而P3.6則專門(mén)用作比較器輸出。因此AT89C2051提供了15根雙向I/O口線，除去P3.0和P3.1用作異步串口和P1.0～P1.7用作與HPI口數(shù)據(jù)總線通信外，還有5根I/O口線可用。由于還需要控制HPI口的各控制信號(hào)和與DSP的握手信號(hào)，剩下的5根I/O口線顯然不夠，所以還在FPGA里設(shè)計(jì)一鎖存器，把P1口用作控制/數(shù)據(jù)復(fù)用口。具體的I/O口信號(hào)分配如下：

P1.0～P1.7接HPI口的數(shù)據(jù)線HD0～HD7。當(dāng)作控制信號(hào)復(fù)用時(shí)，

P1.0接FPGA內(nèi)鎖存器的鎖存信號(hào)；

P1.1經(jīng)FPGA鎖存，控制HCNTL0；

P1.2經(jīng)FPGA鎖存，控制HCNTL1；

P1.3經(jīng)FPGA鎖存，控制HBIL；

P1.4經(jīng)FPGA鎖存，控制HR/W；

P3.2接HPI的HINT；

P3.3接HPI的XF；

P3.4接HPI的HRDY；

P3.5為單片機(jī)請(qǐng)求發(fā)送信號(hào)，接FPGA的P3.5；

P3.7經(jīng)FPGA控制HDS1，鎖存HPI的各控制信號(hào)

圖1給出了HPI接口與兩片AT89C2051之間的連接圖。

2.2 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)要點(diǎn)

上面講到，P3.5作為單片機(jī)的發(fā)送請(qǐng)求信號(hào)，當(dāng)天數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)為高電平，當(dāng)為低電平時(shí)則表示單片機(jī)想要發(fā)送數(shù)據(jù)，向總線仲裁器申請(qǐng)使用總線，總線仲裁器判斷當(dāng)前誰(shuí)可以使用總線，然后通過(guò)外中斷0中斷DSP處理器，同時(shí)通過(guò)BIO口告知DSP當(dāng)前可以使用總線的單片機(jī)，最終由DSP通過(guò)XF管腳集中控制單片機(jī)的總線使用權(quán)。單片機(jī)在獲取總線使用權(quán)并送完數(shù)據(jù)后，向HPI的控制寄存器的DSPINT位寫(xiě)1，用中斷通知DSP。在單片機(jī)需接收數(shù)據(jù)時(shí)，DSP首先設(shè)置XF腳，選擇由哪個(gè)單片機(jī)接收，然后設(shè)置HINT腳為低，通過(guò)中斷告知單片機(jī)進(jìn)行接收。單片機(jī)從HPI口接收時(shí)也應(yīng)置P3.5為低，以便保持總線仲裁器的單片機(jī)選擇信號(hào)BIO與XF腳一致。

在對(duì)單片機(jī)編程時(shí)需要注意以下幾點(diǎn)：（1）由于兩個(gè)單片機(jī)共享總線，為保證相互之間不會(huì)干擾，沒(méi)有使用總線的單片機(jī)P1口必須處于高阻態(tài)。根據(jù)P1口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，單片機(jī)不使用總線時(shí)，往P1口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，單片機(jī)不使用總線時(shí)，往P1口寫(xiě)入0xFF即可達(dá)到這一目的。（2）由于P1口作為控制/數(shù)據(jù)信號(hào)復(fù)用口，故編程時(shí)，對(duì)每次HPI口操作，先在P1口送出控制信號(hào)，接著設(shè)置P1.0產(chǎn)生低→高的跳變，把控制HPI口的P1.1～P1.4信號(hào)鎖存到FPGA內(nèi)部的鎖存器，這時(shí)P1口才能作為數(shù)據(jù)端口，在P3.7產(chǎn)生一低跳變后，發(fā)起一次數(shù)據(jù)傳遞。（3）編程時(shí)，應(yīng)防止單片機(jī)被同時(shí)要求對(duì)HPI口進(jìn)行收、發(fā)操作。這可以依據(jù)實(shí)際情況，靈活地進(jìn)行處理，限于篇幅，不再述。

3 總線仲裁器的設(shè)計(jì)

總線仲裁器的功能主要是根據(jù)單片機(jī)P3.5的總線請(qǐng)求信號(hào)，選擇當(dāng)前可以使用總線的單牒 同，仲裁器的設(shè)計(jì)需做到單片機(jī)能夠公平競(jìng)爭(zhēng)總線使用權(quán)。在兩個(gè)單片機(jī)競(jìng)爭(zhēng)總線的情況下，用一個(gè)簡(jiǎn)單的狀態(tài)機(jī)即可達(dá)到目的。狀態(tài)機(jī)state僅有兩個(gè)狀態(tài)S0和S1，P3.5為高電平時(shí)，不申請(qǐng)總線，狀態(tài)機(jī)保持原狀態(tài)；P3.5為低電平時(shí)，則根據(jù)當(dāng)前請(qǐng)求總線的單片機(jī)，狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)換相應(yīng)的狀態(tài)。如單片機(jī)同時(shí)申請(qǐng)使用總線，則保持當(dāng)前的狀態(tài)不變。下面給出狀態(tài)轉(zhuǎn)換表（S0表示選擇單片機(jī)1，S1表示選擇單片機(jī)2）：

state， MCU1_P3.5， MCU2_P3.5 =>state；

S0， 0， x =>S0;

S0, 1, 0 => S1；

S0， 1， 1 => S0；

S1， x， 0 => S1；

S1， 0， 1 => S0；

S1， 1， 1 => S1；

當(dāng)狀態(tài)機(jī)有狀態(tài)變換時(shí)，用FPGA產(chǎn)生一個(gè)脈寬約為1μs的低電平脈沖。這一信號(hào)接DSP外中斷INT0腳，用于中斷DSP，并且將狀態(tài)機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)通過(guò)BIO腳告知DSP，指明正在請(qǐng)求使用總線的單片機(jī)。

此外，如前所述，F(xiàn)PGA內(nèi)部還設(shè)置一鎖存器，由P1.0的高跳變將P1口送出的HPI口控制信號(hào)鎖存。至于控制HDS1的兩個(gè)P3.7信號(hào)，在FPGA內(nèi)部只需將兩信號(hào)相與即可。

4 單片機(jī)與微機(jī)串口的硬件連線

在IBM PC/XT微機(jī)系統(tǒng)中，其串口符合RS-232C接口標(biāo)準(zhǔn)。為提高抗干擾能力，RS-232C標(biāo)準(zhǔn)采用負(fù)邏輯，低電平在-5V～-15V之間（通常用-12V表示）為邏輯1，高電平在+5V～+15V之間（通常用+12V表示）為邏輯0。上述電平稱為EIA電平，它與TTL電平和CMOS電平不同。為了使AT89C2051能與微機(jī)進(jìn)行串行通信，可以利用MAX232完成RS-232C電平與TTL電平的相互轉(zhuǎn)換。圖2給出了硬件連線圖。

單片機(jī)程序在完成對(duì)串口的工作模式和波特率設(shè)置等初始化過(guò)程后，即可開(kāi)始與串口通信。通信方式有查詢方式和中斷方式兩種。由于查詢方式需CPU不斷查詢標(biāo)志位，程序效率不高，故在單片機(jī)操作比較繁忙時(shí)通常采用中斷方式，具體的編程應(yīng)用這里不再介紹。

介紹了通過(guò)FPGA芯片作為總線仲裁器，實(shí)現(xiàn)微機(jī)雙串口各自通過(guò)AT89C2051與DSP HPI口通信的設(shè)計(jì)方法。該電路與采用專用芯片的電路相比，并不顯得復(fù)雜，比較實(shí)用。由于與DSP存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)交換完全由單片機(jī)發(fā)起，DSP就可以從數(shù)據(jù)的傳送中解脫出來(lái)，去完成更復(fù)雜的控制和運(yùn)算。實(shí)際證明，這一電路能很好地達(dá)到我們的設(shè)計(jì)要求，在異步數(shù)據(jù)傳輸速率為9600bps情況下，可以可靠地實(shí)現(xiàn)微機(jī)雙串口與DSP之間的通信。