C8051F005在高速誤碼測試系統(tǒng)中的運(yùn)用

引 言

隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，通信系統(tǒng)信號處理越來越快。在這種情況下，對于高速通信系統(tǒng)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(nèi)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，但其價格也相對較高。本文根據(jù)Vitesse公司的VSC8228芯片特點，利用C8051F005單片機(jī)設(shè)計出一種價廉的高速誤碼測試儀。下面將對其軟硬件設(shè)計，特別是C8051F005與上位機(jī)的串口通信以及與VSC8228的SPI通信進(jìn)行詳細(xì)探討。

1 誤碼測試系統(tǒng)概述

Cygnal公司的單片機(jī)C8051F005具有高速8051微控制器內(nèi)核，速度可達(dá)25 MIPS，指令為流水線指令結(jié)構(gòu)，70％的指令的執(zhí)行時間為1個或2個系統(tǒng)時鐘周期；可片內(nèi)JTAG調(diào)試和邊界掃描，這樣可提供全速、非侵人式的在系統(tǒng)調(diào)試(不需仿真器)；片內(nèi)有多達(dá)60 KB的FlashROM和2 KB RAM，用戶無需再外擴(kuò)存儲器；可同時使用的硬件SMBus(I2C兼容)、SPI及UART串口，4個通用16位計數(shù)器／定時器。

VSC8228可提供的一個雙通道重發(fā)器或重定時器，能應(yīng)用于光纖信道、千比特以太網(wǎng)、SONET／SDH以及無限帶寬等多種領(lǐng)域。設(shè)備支持速率從125 Mbps～4.25Gbps。該芯片可以將輸入的串行數(shù)據(jù)在重定時器模式下與本地的參考時鐘同步，內(nèi)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(jī)碼，40或64位用戶定義碼型以及光纖信號CRPAT、CJTPAT、CSPAT碼型。它含128個寄存器，可通過SPI或者I2C串行總線設(shè)置相關(guān)寄存器，可以實現(xiàn)誤碼檢測功能。

誤碼測試系統(tǒng)可分為兩個部分：誤碼測試部分和人機(jī)界面。測試部分由VSC8228芯片來實現(xiàn)。它完成偽隨機(jī)碼型的產(chǎn)生、同步及對比檢測，計算出誤碼個數(shù)。人機(jī)界面子系統(tǒng)在整個測試系統(tǒng)中作為系統(tǒng)控制核心單元，通過人機(jī)界面完成系統(tǒng)作業(yè)。以C8051F005單片機(jī)作為人機(jī)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(tǒng)的各狀態(tài)的顯示都通過PC機(jī)的界面來實現(xiàn)。PC界面采用Delphi語言編寫。

誤碼測試儀的工作流程如下：PC界面通過RS232串口實現(xiàn)與C8051F005的通信，將對VSC8228各寄存器的沒置發(fā)送給C8051F005單片機(jī)，每個控制命令為16位；單片機(jī)通過SPI口將上位機(jī)發(fā)送過來的控制命令轉(zhuǎn)發(fā)給VSC8228，完成VSC8228各寄存器的設(shè)置。為了實時地顯示誤碼測試儀的工作狀態(tài)，單片機(jī)每秒掃描一次各寄存器，將其值通過RS232串口上傳到PC界面。

由此可見，C8051F005單片機(jī)起著VSC8228與上位機(jī)通信的橋梁作用，它與上位機(jī)的串口通信以及與VSC8228的SPI通信在誤碼測試儀的實現(xiàn)過程中起著十分重要的作用。下面通過軟硬件設(shè)計詳細(xì)分析這兩種通信。

2 誤碼測試系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1 硬件設(shè)計

利用C8051F005單片機(jī)的串行接口，通過RS232異步通信接口與上位機(jī)進(jìn)行通信。C8051F005通過串行口直接接收PC上位傳送來的串行數(shù)據(jù)，然后把接收的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)存儲器；同樣，C8051F005通過串行口直接把數(shù)據(jù)傳送給PC機(jī)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

C8051F005有一個特別的交叉開關(guān)，可將數(shù)字I／O資源分配到物理I／O端口引腳。C8051F005通過設(shè)置交叉開關(guān)來同時使用SMBus(I2C兼容)、SPI及UART串口等。VSC8228也可通過SPI或者I2C串行總線設(shè)置相關(guān)寄存器，但由于SPI通信的速率比I2C通信快，因此為了實現(xiàn)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(shè)備按主從方式進(jìn)行配置，且同一時間內(nèi)總線上只能有一個主器件。一般情況下，實現(xiàn)SPI接口需要3或4根線。其中：主出從入(MOSI)信號是主器件的輸出和從器件的輸入，數(shù)據(jù)傳輸時最高位在先；主人從出(MISO)信號是從器件的輸出和主器件的輸入，數(shù)據(jù)傳輸時也是最高位在先。當(dāng)SPI從器件未被選中時，它將MISO引腳置于高阻狀態(tài)。串行時鐘(SCK)信號是用于同步主器件和從器件之間在MOSI和MISO線上的串行數(shù)據(jù)傳輸。從選擇(NSS)信號是一個輸入信號，主器件用它來選擇處于從方式的SPI模塊，在主方式時用于禁止SPI模塊。當(dāng)處于從方式時，它被拉為低電平以啟動一次數(shù)據(jù)傳輸，并在傳輸期間保持低電平。

誤碼測試系統(tǒng)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(jī)的NSS引腳(P0.5)置高，用P2.4引腳與VSC8228的NSS引腳(PIO3)相連。根據(jù)MOSI及MISO上的數(shù)據(jù)在SCK的哪種極性和相位上有效，單片機(jī)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(jī)的SPI控制器進(jìn)行設(shè)置時必須考慮這點。圖2是VSC8228的SPI通信時序。在SPI通信時，先傳輸7位地址，后傳輸讀寫控制位OP(OP為0時表示讀，OP為1時表示寫)，最后傳輸8位數(shù)據(jù)，故SPI通信的命令字長度為16位。

2.2 下位機(jī)軟件設(shè)計

下位機(jī)采用中斷方式實現(xiàn)與上位機(jī)的通信，單片機(jī)用SPI與VSC8228誤碼測試模塊的通信。每當(dāng)串行口接收或發(fā)送完一組串行數(shù)據(jù)時，就產(chǎn)生一個中斷請求。串行中斷請求在單片機(jī)芯片內(nèi)部自動由硬件置位發(fā)生，具有實時性高的特點。圖3是單片機(jī)的控制程序流程。

對單片機(jī)進(jìn)行程序初始化，包括看門狗、系統(tǒng)時鐘、I／O口、SPI寄存器、UART口等。C8051F005單片機(jī)具有看門狗，但是看門狗到一定時間，將重啟單片機(jī)，為防止這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，初始化里禁止了看門狗。SPI的初始化主要是對啟動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(shè)置。I／O口的初始化通過設(shè)置交叉開關(guān)來啟動SPI與UART口，并將有關(guān)輸出設(shè)置為推挽輸出。

系統(tǒng)時鐘初始化模塊，由于是選擇外部晶振作為時鐘源，根據(jù)C8051F005的要求，在通過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后再查詢等待OSCXCN寄存器中的D7位，即XTLVLD位變?yōu)?，表明外部晶振正在運(yùn)行并已工作穩(wěn)定，然后才能通過內(nèi)部振蕩器控制寄存器OSCICN的D3位，即CLKSL置1來選擇外部晶振。

具體的參考程序如下：

C8051F005使用4個特殊功能寄存器來實現(xiàn)對SPI的控制和訪問。這4個寄存器分別是控制寄存器(SPI0CN)、數(shù)據(jù)寄存器(SPI0DAT)、配置寄存器(SPIOCFG)和時鐘頻率寄存器(SPI0CKR)。當(dāng)以C8051F005為主器件時，應(yīng)將主允許標(biāo)志(MSTEN，SPI0CN.1)置1，同時將SPI使能SPIEN(SPI0CN.0)置1。通過CKPHA(SPI0CFG.7)和CKPOL(SPI0CFG.6)可選擇SPI相位與極性，從而實現(xiàn)SPI通信的四種模式，但因為VSC8228只支持一種方式，所以將它們同時置為0，則空閑時SCK為低，此時的系統(tǒng)將在上升沿發(fā)送數(shù)據(jù)，下降沿接收數(shù)據(jù)(時序圖見圖2)。由于在MCU中，SCK的頻率可從系統(tǒng)時鐘分頻得到，因此該頻率可由下式給出：

其中fsysclk是系統(tǒng)時鐘頻率，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寫入重肩命令，這樣每次運(yùn)行程序都將VSC8228的寄存器恢復(fù)為默認(rèn)值。界面發(fā)送的數(shù)據(jù)為16位，其中8位地址，8位數(shù)據(jù)，而且每個數(shù)據(jù)是一個字符。為讓單片機(jī)識別控制命令已發(fā)完，最后一個16位數(shù)據(jù)設(shè)為FFFF。另外，每16位數(shù)據(jù)之間加入了100 ms的延時，這樣Spcomm控件就會把每16位數(shù)據(jù)當(dāng)成1幀，單片機(jī)也能夠正確地接收所有數(shù)據(jù)。

單片機(jī)用中斷的方法來接收界面?zhèn)鬟^來的數(shù)據(jù)。每接到一個數(shù)據(jù)，即一個字符，就執(zhí)行中斷子程序，將接收到的數(shù)據(jù)的最低位存人數(shù)組。串口中斷子程序流程如圖4所示。當(dāng)接收到16個，就接收完1幀，轉(zhuǎn)入執(zhí)行主程序去對收到的16位進(jìn)行處理。處理過程就是將收到的16個數(shù)據(jù)(存放在數(shù)組中)，通過移位跟“或”運(yùn)算，綜合成16位的數(shù)據(jù)。然后，通過移位運(yùn)算，取高8位作為地址，低8位作為數(shù)據(jù)。對于接收的16位數(shù)據(jù)，如果不是FFFF，則將提取出來的8位數(shù)據(jù)，發(fā)送給提取出來的8位地址對應(yīng)的寄存器；如果接收的16位數(shù)據(jù)為FFFF，表示所有的控制命令已經(jīng)發(fā)完，這時VSC8228的全部寄存器設(shè)置完畢，VSC8228的碼型產(chǎn)生模塊以及檢測模塊開始工作。此時，單片機(jī)每秒掃描一次所有寄存器的值，并將其值通過串口傳給界面，界面對串口傳送過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

本設(shè)計中，SPI的數(shù)據(jù)傳輸過程如下：

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(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)寄存器(SPI0DAT)，即寫發(fā)送緩沖器。如果SPI移位寄存器為空，發(fā)送緩沖器中的數(shù)據(jù)字節(jié)被傳送到移位寄存器，數(shù)據(jù)傳輸開始。
④ 在SCK上提供串行時鐘，同時在MOSI線上串行移出數(shù)據(jù)。傳輸結(jié)束后，SPIF(SPI0CN.7)標(biāo)志被置1。
⑤ 傳輸結(jié)束，將NSS拉高，打開中斷允許。

以下是SPI寫VSC8228測試程序的關(guān)鍵代碼：

2.3 上位機(jī)軟件設(shè)計

上位機(jī)主要實現(xiàn)以下功能：顯示當(dāng)前日期和時間；根據(jù)檢測需要設(shè)置檢測參數(shù)(產(chǎn)生碼型、檢測碼型、速率、輸出去重、擺動輸入均衡、探測門限等)；運(yùn)行時間及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語言編寫的。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(qū)動模式，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(yīng)的事件進(jìn)行響應(yīng)。這樣就使得各個事件彼此完全獨(dú)立，減少事件間的耦合性，可以大大提高程序的穩(wěn)定性和可靠性，同時簡化程序的編碼過程。

SPCOMM應(yīng)用的核心在于主線程、讀線程和寫線程之間的消息傳遞機(jī)制，而通信數(shù)據(jù)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，需特別注意以下兩個問題：首先，SPCOMM是通過ReadIntervalTimeout屬性的設(shè)置來確定所接收到的數(shù)據(jù)是否屬于同一幀數(shù)據(jù)的，其默認(rèn)值是100 ms。也就是說，只要任何兩個字節(jié)到達(dá)的時間間隔小于100 ms，都被認(rèn)為是屬于同一幀數(shù)據(jù)。另外，SPCOMM的默認(rèn)屬性設(shè)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(dāng)單片機(jī)以二進(jìn)制方式發(fā)送數(shù)據(jù)時，必須禁用SPCOMM對于軟件流控制的支持，即Inx_XonXoff-Flow屬性設(shè)為False，否則，在數(shù)據(jù)幀中出現(xiàn)的13H、11H會被SPCOMM作為控制字符而加以忽略。

由于單片機(jī)的SPI口對VSC8228進(jìn)行控制時須向每個寄存器發(fā)控制字，所以界面就要求發(fā)送1個地址加1個字節(jié)數(shù)據(jù)的形式，這樣就有16位；同時為單片機(jī)能夠方便地分清每個幀(1字節(jié)地址加1字節(jié)數(shù)據(jù))，每次發(fā)送1幀就延時100 ms。單片機(jī)每秒掃描1次VSC8228的全部寄存器，并將數(shù)據(jù)傳送給界面，因此，界面首先要一幀一幀地識別出來，然后對于某些地址的數(shù)據(jù)進(jìn)行特定的操作。

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

關(guān)鍵代碼如下：

3 誤碼測試性能

本設(shè)計經(jīng)實驗測試，上位機(jī)與下位機(jī)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(yīng)高速測試，目前SPI的傳輸速率(指SCK頻率)為2 MHz。根據(jù)本方案設(shè)計誤碼檢測儀已運(yùn)用于EPON光收發(fā)模塊的連續(xù)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(jié)果看，本誤碼測試儀其誤碼數(shù)量級與上述兩種設(shè)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(biāo)。

結(jié) 語

VSC8228芯片支持速率多樣，它內(nèi)置PBRS及其他碼型的產(chǎn)生及探測模塊。筆者利用該特點設(shè)計出一種基于C8051F005單片機(jī)的廉價高速誤碼儀，探討了利用Delphi里的SPCOMM控件來實現(xiàn)PC機(jī)與C8051F005之間串行通信的方法，以及C8051F005與VSC8228的SPI通信過程。設(shè)計的誤碼儀支持的測試碼型有27、223、231的偽隨機(jī)碼，40或64位用戶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(dá)43億個，可測碼速高達(dá)4.25 Gbps在EPON光收發(fā)模塊中實現(xiàn)了誤碼測試，效果較好，而且功耗低，有較高的實用價值。