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。 關(guān)鍵詞：數(shù)字信號處理器 通用異步串行收發(fā)器 可編程邏輯器件 光纖陀螺 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]：? %26;#183;與ST16C454、ST68C454、ST68C554、TL16C554兼容; %26;#183;16字節(jié)的發(fā)送與接收FIFO; %26;#183;接收控制和發(fā)送控制相互獨(dú)立的四通道選擇; %26;#183;四個可選的接收FIFO中斷觸發(fā)級; %26;#183;標(biāo)準(zhǔn)MODEM接口; %26;#183;最高可達(dá)1.5M的波特率，其波特率發(fā)生器可編程; %26;#183;數(shù)據(jù)位長度為5、6、7、8，停止位長度為1、1.5、2; %26;#183;具有偶校驗(yàn)、奇校驗(yàn)或無校驗(yàn)?zāi)Ｊ健? 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。可編程邏輯芯片為XILINX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 %26;amp; 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]。