系統(tǒng)串行通訊硬件接口設(shè)計(jì)

趙維衛(wèi)

摘 ?要：傳統(tǒng)的DSP主控芯片硬件電路中，中央處理器的運(yùn)算能力較低，且這類(lèi)硬件電路的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)都難度較大，不同項(xiàng)目之間可重用的部分較小，硬件參數(shù)僅適用于部分電路，本設(shè)計(jì)基于TI公司的28XX系列數(shù)字處理芯片，設(shè)計(jì)了一個(gè)主控芯片硬件電路方案。該方案有優(yōu)秀的數(shù)據(jù)處理能力，數(shù)據(jù)通信方式適用于長(zhǎng)距離通信，針對(duì)數(shù)據(jù)通信編寫(xiě)了DSP芯片內(nèi)軟件，并進(jìn)行了實(shí)際試驗(yàn)與測(cè)試。通過(guò)試驗(yàn)可知，本文設(shè)計(jì)的DSP的硬件電路及驅(qū)動(dòng)軟件，軟件運(yùn)行可靠，通訊誤差小，可擴(kuò)展性強(qiáng)，成本低，便于維護(hù)。

關(guān)鍵詞：DSP;數(shù)據(jù)通信;驅(qū)動(dòng)軟件;

1. 緒論

本文選用的數(shù)據(jù)處理芯片為T(mén)I公司的TMS320F28335芯片，芯片內(nèi)部設(shè)有3個(gè)SCI異步串口，該異步串口功能支持中央處理器以及其他采用標(biāo)準(zhǔn)格式的異步外設(shè)進(jìn)行數(shù)字通信。[1]SCI異步串口的接收功能和發(fā)送功能都是雙緩沖的，接收和發(fā)送功能具備單獨(dú)的使能和中斷標(biāo)志位。芯片在全雙工模式下工作，兩者都可以獨(dú)立或同步運(yùn)行。為保證數(shù)據(jù)幀不會(huì)產(chǎn)生遺漏，SCI異步串口模塊對(duì)接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行周期性檢測(cè)、奇偶校驗(yàn)、超時(shí)檢查和幀校驗(yàn)。[2]

2. 基于TI公司的28XX系列芯片的數(shù)據(jù)通信

本設(shè)計(jì)方案采用RS232串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)，在元器件的電特性上RS232采用負(fù)相關(guān)邏輯，這就需要高電平與低電平信號(hào)的電壓值相差較大，具體的邏輯為：邏輯1即高電平在-3V至-15V之間，邏輯0即低電平在+3V至+15V之間，實(shí)際應(yīng)用中通常通常將-10V左右設(shè)置為邏輯1高電平，將+10V左右為邏輯0低電平。由于本文選用的TMS320F28335數(shù)字處理芯片的輸入端和輸出端為邏輯1高電平為+3V左右，邏輯0低電平為0.3V左右，因此必須在芯片外圍電路中增加轉(zhuǎn)換電路，以實(shí)現(xiàn)TTL電平到RS232電平的切換，本設(shè)計(jì)采用MAX3232作為電平轉(zhuǎn)換電路。

為提高硬件電路的抗干擾性，下位機(jī)主控芯片DSP和上位機(jī)工控機(jī)的串行通信用光耦6N137電路進(jìn)行光電隔離，以提升上位機(jī)工控機(jī)和下位機(jī)DSP的數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確性。按照RS232標(biāo)準(zhǔn)要求，該制式下的信號(hào)傳輸?shù)淖畲箅娎|長(zhǎng)度為30m，為實(shí)現(xiàn)該硬件電路的遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)通信要求，本設(shè)計(jì)還具備可選的RS485通信接口，用來(lái)滿(mǎn)足不同情況下的需求。本設(shè)計(jì)的串行通訊硬件接口設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

3. 通信系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為了讓通信系統(tǒng)具備高度通信穩(wěn)定性和持續(xù)工作可靠性，本設(shè)計(jì)方案中的上位機(jī)和下位機(jī)要按照約定的通信協(xié)議進(jìn)行通信。上位機(jī)與下位機(jī)約定的通信協(xié)議如表1所示。通信協(xié)議命令用字節(jié)型十六進(jìn)制數(shù)據(jù)作為最小單位，每個(gè)數(shù)據(jù)幀有8byte，其中BYTE0，BYTE1是起始標(biāo)識(shí)類(lèi)型字節(jié)標(biāo)識(shí)符，即幀頭，BYTE3～BYTE5為數(shù)據(jù)字節(jié)，BYTE6-BYTE7是兩字節(jié)的CRC校驗(yàn)碼，作為數(shù)據(jù)幀的校驗(yàn)碼，確定本幀數(shù)據(jù)是否存在傳輸過(guò)程中的錯(cuò)誤，本設(shè)計(jì)采用16位CRC校驗(yàn)算法來(lái)校驗(yàn)所接收的數(shù)據(jù)。上位機(jī)與下位機(jī)共同計(jì)算CRC校驗(yàn)，通過(guò)判斷BYTE6-BYTE7傳輸值與上位機(jī)算出的數(shù)據(jù)的一致性來(lái)確定本幀數(shù)據(jù)接收的正確性。

4. 下位機(jī)DSP串行通訊軟件設(shè)計(jì)

DSP芯片TMS320F28335數(shù)字處理芯片有3個(gè)SCI異步串口（即SCIA、SCIB和SCIC），本方案選用的SCIC為串行通訊接口。下位機(jī)DSP串行通訊程序軟件設(shè)計(jì)主要包括串口初始化、數(shù)據(jù)發(fā)送TX及數(shù)據(jù)接收RX共3個(gè)子程序的設(shè)計(jì)。串行通訊數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收可以采用查詢(xún)或中斷的工作方式。為提高發(fā)送數(shù)據(jù)功能的可操作性和接收數(shù)據(jù)功能的低延遲性，本設(shè)計(jì)方案的串口通信數(shù)據(jù)發(fā)送TX子程序采用查詢(xún)工作方式，數(shù)據(jù)接收RX子程序采用中斷工作方式。此外，由于28335數(shù)字信號(hào)處理芯片的串口支持16級(jí)的發(fā)送和接收FIFO，為減少系統(tǒng)串行通信時(shí)CPU的資源占用，串行通信數(shù)據(jù)發(fā)送和接收均采用FIFO工作方式。

（1）DSP串行通訊初始化程序設(shè)計(jì)

DSP串行通訊初始化程序涉及到通訊端口GPIO配置，通訊端口波特率配置、通訊數(shù)據(jù)格式設(shè)置、發(fā)送和接收參數(shù)設(shè)置和FIFO設(shè)置等。本設(shè)計(jì)方案的下位機(jī)串行通訊波特率參數(shù)為115200，數(shù)據(jù)位為8，無(wú)奇偶校驗(yàn)，停止位為1，對(duì)接收中斷使能，并且關(guān)閉發(fā)送中斷，發(fā)送FIFO參數(shù)設(shè)置為16，接收FIFO參數(shù)設(shè)置為8。串口配置部分的程序代碼如下：

……

ScicRegs.SCICCR.all=0x0007;//8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位，無(wú)校驗(yàn)位，異步模式

ScicRegs.SCICTL1.all=0x0003;//使能串行發(fā)送和接收

ScicRegs.SCICTL2.bit.RXBKINTENA=1;//使能串行接收中斷

ScicRegs.SCICTL2.bit.TXINTENA=0;//禁止串行發(fā)送中斷

ScicRegs.SCIHBAUD=0x0000;//波特率設(shè)置為115200，LSPCLK=37.5MHz.

ScicRegs.SCILBAUD=0x0028;

ScicRegs.SCIFFTX.all=0x0010;//發(fā)送FIFO設(shè)置，深度為16

ScicRegs.SCIFFRX.all=0x0028;//接收FIFO設(shè)置，深度為8

ScicRegs.SCICTL1.bit.SWRESET=1;//復(fù)位SCIC串行口

（2）DSP串行通訊發(fā)送模塊程序設(shè)計(jì)

DSP串行通訊發(fā)送程序主要包括單字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送程序和多字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送程序兩種。其中單字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送程序設(shè)計(jì)時(shí)，只需要把發(fā)送的字節(jié)數(shù)據(jù)送到SCITXBUF數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，即可啟動(dòng)FIFO數(shù)據(jù)的發(fā)送工作。在單字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，可以設(shè)計(jì)出多字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送程序。其程序設(shè)計(jì)流程圖2所示。

（3）DSP串行通訊接收模塊程序設(shè)計(jì)

28335數(shù)字信號(hào)處理芯片的串行通訊接收模塊子程序涉及串行接收中斷初始化設(shè)置及接收中斷服務(wù)子程序設(shè)計(jì)。其中串行接收中斷初始化設(shè)置包括設(shè)置接收中斷服務(wù)子程序地址、PIE中斷、CPU中斷及總中斷設(shè)置工作。其主要程序代碼如下：

……

PieVectTable.SCIRXINTC=&scicRxFifoIsr//設(shè)置中斷服務(wù)子程序地址

PieCtrlRegs.PIEIER8.bit.INTx5=1;//PIEGroup8，

INT5，SCIC_RXD，開(kāi)放PIE中斷

IER|=M_INT8;//開(kāi)放CPU中斷

EINT;//EnableGlobalinterruptINTM

ERTM;//EnableGlobalrealtimeinterruptDBGM

……

串行接收中斷服務(wù)模塊采用FIFO中斷方式，當(dāng)FIFO接收到8byte的數(shù)據(jù)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生FIFO接收中斷，并在中斷服務(wù)模塊中接收并且存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù)。串行接收中斷服務(wù)子程序設(shè)計(jì)如圖3所示。

串行通訊接收中斷服務(wù)子程序相關(guān)程序代碼如下：

……

for（i=0;i<8;i++）

{

ReceiveDataTmp[i]=ScicRegs.SCIRXBUF.all&0x00ff;//接收FIFO中的數(shù)據(jù)

}

CrcCheckResult=Crc16_Calc（ReceiveDataTmp，0x06）;//計(jì)算CRC_16

CrcCheckResult_L=（CrcCheckResult&0x00ff）;

CrcCheckResult_H=（（CrcCheckResult 8）&0x00ff）;

if（（CrcCheckResult_L==ReceiveDataTmp[6]）&&（Crc-CheckResult_H= =ReceiveDataTmp[7]））

{

Parameter（ReceiveDataTmp[3]，ReceiveDataTmp[4]，（ReceiveDataTmp[5]&0x000f））;

DELAY_US（1000）;

ReceiveFlag=0x0055;//表示CRC校驗(yàn)正確

}

else

{

ReceiveFlag=0x0066;//表示CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤

}

……

5. 通信試驗(yàn)

將上述的下位機(jī)硬件以及驅(qū)動(dòng)軟件實(shí)際應(yīng)用到一個(gè)工程項(xiàng)目中，通過(guò)NI公司的LabVIEW軟件平臺(tái)編寫(xiě)上位機(jī)軟件，設(shè)置數(shù)字量的方波數(shù)值參數(shù)，包括方波周期、方波寬度及方波個(gè)數(shù)等信息，然后通過(guò)串口以RS232/RS485制式，將設(shè)置完畢的方波信號(hào)發(fā)送到下位機(jī)DSP，由DSP接收指令并產(chǎn)生上位機(jī)要求的數(shù)字方波信號(hào)。上位機(jī)通過(guò)28335反饋的數(shù)據(jù)檢查方波生成情況，并顯示反饋數(shù)據(jù)幀如圖5所示。在上位機(jī)的串口設(shè)置界面中，先對(duì)串口的端口號(hào)進(jìn)行設(shè)置，然后設(shè)定上述的方波參數(shù)，約束通信協(xié)議中規(guī)定的幀頭（0x55，0x66）和命令碼（0xAA），單擊發(fā)送按鍵，就會(huì)發(fā)送一幀帶有方波指令的數(shù)據(jù)幀發(fā)送給DSP，DSP接收到上位機(jī)指令后，將方波指令發(fā)回至上位機(jī)。

以圖5中設(shè)置的參數(shù)為例，上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送的設(shè)置參數(shù)為周期200us的方波信號(hào)，方波寬度為100us，共有8個(gè)方波。完整的數(shù)據(jù)幀通訊命令是0x55 0x66 0xAA 0xC8 0x64 0x0A 0x8F 0x36，數(shù)據(jù)幀的0x8F，0x36是數(shù)據(jù)幀前6個(gè)字節(jié)的CRC16校驗(yàn)碼，數(shù)據(jù)傳輸采用小端方式，檢查由DSP反饋的數(shù)據(jù)幀為0x55 0x66 0xAA 0xC8 0x64 0x0A 0x8F 0x36，收發(fā)數(shù)據(jù)一致，即DSP正確接收并執(zhí)行了上位機(jī)通訊命令。用示波器檢測(cè)的下位機(jī)DSP的方波輸出波形圖如圖6所示。下位機(jī)DSP輸出的8個(gè)方波寬度均為100us，周期為200us，上位機(jī)和下位機(jī)串行通訊準(zhǔn)確無(wú)誤。

6. 結(jié)論

本設(shè)計(jì)采用28335數(shù)字信號(hào)處理芯片，設(shè)計(jì)了一種與上位機(jī)通信的硬件電路及軟件參數(shù)配置，經(jīng)過(guò)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信試驗(yàn)，能夠完成信號(hào)的傳輸并執(zhí)行工作，該通信方式可用于實(shí)際工程應(yīng)用中，數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確可靠，具備一定的工程應(yīng)用作用。

7. 參考文獻(xiàn)

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[2]吳振奎，張自雷，魏毅立，等.基于LabVIEW平臺(tái)DSP與PC的Modbus協(xié)議串口通信實(shí)現(xiàn)[J].內(nèi)蒙古科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，33（1）：58-62.