摘? 要： 介紹了通用單片機(jī)(MCU)AT89C51與信號(hào)處理單片機(jī)(DSP)TMS320C32通過(guò)共享片外隨機(jī)存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)板間通信的方法，并給出了總線隔離硬件電路與軟件控制流程。文中還簡(jiǎn)要分析了AT89C51與微機(jī)進(jìn)行串行通信的軟硬件設(shè)計(jì)，通過(guò)擴(kuò)展AT89C51間接實(shí)現(xiàn)了TMS320C32與通用單片機(jī)或微機(jī)之間的通信。
關(guān)鍵詞： 單片機(jī) DSP? 數(shù)字信號(hào)處理器? 共享存儲(chǔ)器? 串口通信
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TMS320系列數(shù)字信號(hào)處理單片機(jī)(DSP)在測(cè)控、儀器儀表、圖象處理、計(jì)算機(jī)視覺(jué)與聲信號(hào)處理等領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。DSP獲取原始采集數(shù)據(jù)和輸出處理結(jié)果一般有兩種途徑：一是通過(guò)串行口，另一是通過(guò)數(shù)據(jù)總線讀寫(xiě)片外存儲(chǔ)器。本文介紹了基于DSP的信號(hào)處理目標(biāo)板與基于單片機(jī)AT89C51的多路同步數(shù)據(jù)采集板通過(guò)共享片外隨機(jī)存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)板間通信，來(lái)獲取原始采集數(shù)據(jù)的方法，并給出了總線隔離硬件電路與軟件控制流程。并介紹了把DSP的處理結(jié)果傳送給基于MCS-51單片機(jī)或基于微機(jī)的控制系統(tǒng)的方法。文中還簡(jiǎn)要分析了AT89C51與微機(jī)進(jìn)行串口通信的軟硬件設(shè)計(jì)，通過(guò)擴(kuò)展AT89C51間接實(shí)現(xiàn)了TMS320C32與單片機(jī)或微機(jī)之間的通信，比直接通過(guò)TMS320C32的串口與單片機(jī)或微機(jī)進(jìn)行通信要簡(jiǎn)單可靠得多。下面如無(wú)特別說(shuō)明，MCU指AT89C51，DSP指TMS320C32。
1 板間共享存儲(chǔ)器的硬件接口電路和軟件控制流程
1.1 信號(hào)處理板硬件接口電路
基于DSP的信號(hào)處理板可以根據(jù)應(yīng)用要求運(yùn)行許多信號(hào)處理算法，如信號(hào)預(yù)處理、目標(biāo)識(shí)別與跟蹤定位、Kalman濾波等。待處理的原始信號(hào)數(shù)據(jù)通過(guò)板間通信從數(shù)據(jù)采集板獲得。這里采用板間共享存儲(chǔ)器的方法來(lái)完成數(shù)據(jù)交換，DSP既可以從共享存儲(chǔ)器讀取采集數(shù)據(jù)，也可以把處理結(jié)果(如新的程控放大倍數(shù)值，跟蹤定位結(jié)果等)寫(xiě)到共享存儲(chǔ)器中供MCU讀取。
TMS320C32有一個(gè)雙向串行口，可以設(shè)置每幀同時(shí)收發(fā)8/16/24/32位數(shù)據(jù)，同步時(shí)鐘可以由內(nèi)部串口定時(shí)器產(chǎn)生或由外部輸入。通過(guò)設(shè)置串口全局控制寄存器來(lái)控制串口的總體功能和工作模式;通過(guò)設(shè)置FSX/DX/CLKX端口控制寄存器和FSR/DR/CLKR端口控制寄存器來(lái)控制串口6個(gè)引腳的功能，可以軟件設(shè)置每個(gè)引腳為通用的I/O引腳或串口通信引腳。TMS320C32有兩根通用的I/O引腳為XF0和XF1，由于共享存儲(chǔ)器接口電路需要4根控制線來(lái)進(jìn)行DSP與MCU間的握手通信，這里把串口的2個(gè)引腳FSR0和FSX0設(shè)置為通用的I/O引腳用作控制線。接口電路原理圖如圖1所示。
????圖中RAM0～RAM3是四片容量為512K的8位高速RAM(芯片型號(hào)為CY7C1049-17VC)，組成32位數(shù)據(jù)寬度的存儲(chǔ)器，DSP運(yùn)行時(shí)的程序和數(shù)據(jù)都在這四片RAM中。FLASH(芯片型號(hào)為Am29F016)用于存儲(chǔ)程序和初始化數(shù)據(jù)，即使掉電內(nèi)容也不丟失，DSP上電時(shí)由自帶的BOOT LOADER程序從FLASH中取出程序到四片RAM中運(yùn)行。從共享存儲(chǔ)器讀取的采集數(shù)據(jù)也暫存到這四片RAM中。
1.2? 數(shù)據(jù)采集板硬件接口電路
基于單片機(jī)AT89C51的數(shù)據(jù)采集板在單片機(jī)的全局控制下，通過(guò)對(duì)多路聲傳感器輸出的微弱信號(hào)進(jìn)行程控放大、低通濾波、同步采樣保持、A/D變換，實(shí)時(shí)同步采集多路信號(hào)，并把采集到的信號(hào)數(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù)采集板上的128K共享存儲(chǔ)器(芯片型號(hào)為CY7C109-12VC)中。
共享存儲(chǔ)器及其總線隔離電路設(shè)計(jì)在數(shù)據(jù)采集板上。在某一時(shí)刻，共享存儲(chǔ)器只能被某一方訪問(wèn)，否則會(huì)產(chǎn)生總線沖突。這里由MCU切換選通DSP總線或單片機(jī)總線，分時(shí)訪問(wèn)共享存儲(chǔ)器。總線隔離芯片選用常見(jiàn)的雙向總線隔離/驅(qū)動(dòng)芯片74HC245，它有一個(gè)輸出使能引腳(E)和一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸方向(DIR)引腳，MCU通過(guò)控制這兩個(gè)引腳來(lái)完成總線隔離與數(shù)據(jù)傳輸方向控制功能。接口電路原理圖如圖2所示。圖中，MCU端的總線隔離由一片74HC373和兩片74HC245完成，DSP端由三片74HC245完成數(shù)據(jù)總線和地址總線的隔離。由P1.2控制選通哪組總線，當(dāng)P1.2為低電平時(shí)，共享存儲(chǔ)器只能被MCU訪問(wèn);當(dāng)P1.2為高電平時(shí)，只有當(dāng)P1.3也為高電平時(shí)(表示MCU同意讓出共享存儲(chǔ)器)，共享存儲(chǔ)器才能被DSP訪問(wèn)。由于DSP需要讀或?qū)懝蚕泶鎯?chǔ)器，所以需要軟件設(shè)置數(shù)據(jù)總線隔離芯片74HC245的數(shù)據(jù)傳輸方向，這里通過(guò)設(shè)置DSPDIR信號(hào)線的電平狀態(tài)來(lái)完成(高電平時(shí)為讀，低電平時(shí)為寫(xiě))。由于地址總線的數(shù)據(jù)傳輸方向始終是單向的，所以其隔離芯片的DIR端可以固定接低電平或高電平，視74HC245的實(shí)際接線而定。
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1.3? 軟件控制流程
信號(hào)處理板上的DSP需要采集信號(hào)數(shù)據(jù)時(shí)就向數(shù)據(jù)采集板上的MCU發(fā)出請(qǐng)求信號(hào)，單片機(jī)接收到請(qǐng)求信號(hào)后，如果同意讓出共享存儲(chǔ)器，則向DSP發(fā)出應(yīng)答信號(hào)，同時(shí)隔離MCU端的總線，暫停數(shù)據(jù)采集。DSP接收到應(yīng)答信號(hào)后就可以訪問(wèn)共享存儲(chǔ)器，DSP快速讀、寫(xiě)完數(shù)據(jù)后，向單片機(jī)發(fā)結(jié)束信號(hào)，單片機(jī)接收到結(jié)束信號(hào)后，收回共享存儲(chǔ)器，同時(shí)隔離DSP端總線，繼續(xù)采集。這樣數(shù)據(jù)采集與信號(hào)處理就可以同時(shí)進(jìn)行，不同于一般的采集一段處理一段的串行工作模式，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集零等待，增加了系統(tǒng)的吞吐能力。參見(jiàn)圖3的接線圖，一次完整的通信過(guò)程詳述如下，注意在DSP程序初始化時(shí)應(yīng)把XF0、XF1、FSR0設(shè)置為相應(yīng)的無(wú)效狀態(tài)。
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(1)DSP需要采集信號(hào)數(shù)據(jù)時(shí)向MCU發(fā)請(qǐng)求信號(hào)(置XF0為低電平)，觸發(fā)MCU的INT0中斷，等待MCU應(yīng)答(DSP循環(huán)檢測(cè)XF1的狀態(tài))。
????(2)如果MCU同意讓出共享存儲(chǔ)器，則響應(yīng)中斷，否則等待。在中斷服務(wù)程序中，置P1.3(即DSPACK)為高電平，表示應(yīng)答。同時(shí)置P1.2為高電平，選通DSP總線。MCU接著循環(huán)檢測(cè)P1.4(即DSPEOR)的狀態(tài)。
??? (3)DSP收到應(yīng)答信號(hào)(即檢測(cè)到XF1為高電平)，立即快速讀寫(xiě)共享存儲(chǔ)器，在讀操作前，置FSX0為高電平，在寫(xiě)操作前，置FSX0為低電平。讀寫(xiě)完后，向MCU發(fā)結(jié)束信號(hào)(置FSR0為高電平)，DSP緊接著進(jìn)行其它處理操作。
??? (4)MCU收到結(jié)束信號(hào)后(即檢測(cè)到P1.4為高電平)，置P1.2為高電平，隔離DSP總線，收回共享存儲(chǔ)器，繼續(xù)采集。
2 信號(hào)處理板與控制系統(tǒng)的通信
信號(hào)處理板從數(shù)據(jù)采集板獲取采集數(shù)據(jù)后，經(jīng)過(guò)對(duì)其進(jìn)行一系列信號(hào)處理算法的運(yùn)算處理，得到的處理結(jié)果需要傳送給基于單片機(jī)或微機(jī)的控制系統(tǒng)。由于這里的處理結(jié)果數(shù)據(jù)量很小，所以利用串口通信的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸最為簡(jiǎn)單。我們可以直接對(duì)信號(hào)處理板上DSP的串口編程來(lái)與控制系統(tǒng)進(jìn)行通信。但由于DSP的串口為同步串口，而單片機(jī)或微機(jī)的串口通常都為異步串口，這樣就需要用軟件來(lái)模擬DSP串口的異步通信時(shí)序，軟件工作量大而且通信不可靠。這里通過(guò)擴(kuò)展單片機(jī)與共享存儲(chǔ)器的方法很好地解決了這個(gè)問(wèn)題。DSP把處理結(jié)果寫(xiě)到共享存儲(chǔ)器中，立即進(jìn)行下一輪處理，由單片機(jī)從共享存儲(chǔ)器中取出處理結(jié)果并傳送給控制系統(tǒng)。這就省去了DSP進(jìn)行串口通信所需的時(shí)間，最大限度地利用了DSP的高速數(shù)據(jù)處理的能力。在實(shí)時(shí)性要求很高的場(chǎng)合，這顯得尤為重要。通過(guò)擴(kuò)展少量的硬件，不但提高了系統(tǒng)的速度，優(yōu)化了整體性能，而且軟件實(shí)現(xiàn)也簡(jiǎn)單了許多。
2.1?信號(hào)處理板與控制系統(tǒng)的串口通信硬件電路
信號(hào)處理板利用擴(kuò)展的單片機(jī)AT89C51與基于微機(jī)或MCU的控制系統(tǒng)進(jìn)行全雙工通信。圖4為AT89C51的串口通信電路，通過(guò)“串口選擇”撥碼開(kāi)關(guān)選擇是與基于微機(jī)的控制系統(tǒng)通信，還是與基于MCU的控制系統(tǒng)通信。
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????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(chēng)為EIA電平，它與TTL電平和CMOS電平不同。為了使AT89C51能與微機(jī)進(jìn)行串行通信，可以利用常見(jiàn)的MC1488和MC1489進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。MC1488把TTL電平轉(zhuǎn)換為RS-232C電平，MC1489把RS-232C電平轉(zhuǎn)換為T(mén)TL電平。但由于MC1488和MC1489需要±12V的供電電壓，增加了電源電路的復(fù)雜性，如圖4所示，這里選用只需單一+5V電壓的MAX232來(lái)完成電平轉(zhuǎn)換，簡(jiǎn)化了硬件電路。
????當(dāng)信號(hào)處理板與基于MCU的控制系統(tǒng)通信時(shí)，只需三根線，一根發(fā)送線(TXD)，一根接收線(RXD)，一根共地線(GND)，將雙方的地線連在一起，將雙方的發(fā)送線與接收線交叉連接即可。當(dāng)信號(hào)處理板與基于微機(jī)的控制系統(tǒng)通信時(shí)，利用微機(jī)的九針串口進(jìn)行通信，它們的串口電纜連線如圖5所示。這里的發(fā)送線與接收線沒(méi)有交叉，是因?yàn)樵谶M(jìn)行電平轉(zhuǎn)換時(shí)已經(jīng)交叉過(guò)了(參見(jiàn)圖4)。
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2.2 信號(hào)處理板與控制系統(tǒng)的串口通信軟件編程
????單片機(jī)與單片機(jī)或微機(jī)進(jìn)行串口通信的軟件編程有兩種：查詢(xún)方式和中斷方式。這里發(fā)送方(信號(hào)處理板)采用查詢(xún)方式，接收方(控制系統(tǒng))采用中斷方式。通信程序主要完成對(duì)串口初始化(包括選擇串口模式、設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸格式、設(shè)置波特率等)、建立連接、傳輸數(shù)據(jù)和斷開(kāi)連接等功能。為確保通信可靠，雙方約定如下通信協(xié)議。
(1) 信號(hào)處理板上電后，一直發(fā)送請(qǐng)求聯(lián)機(jī)信號(hào)‘R’，等待控制系統(tǒng)發(fā)應(yīng)答信號(hào)‘A’，如果信號(hào)處理板收到應(yīng)答，表示雙方硬件連接正確，聯(lián)機(jī)成功。
(2) 運(yùn)行控制系統(tǒng)的串口通信程序。如果是與微機(jī)通信，則先自動(dòng)檢測(cè)連接的是哪個(gè)串口(COM1或COM2)，檢測(cè)到后向信號(hào)處理板發(fā)應(yīng)答信號(hào)‘A’;若沒(méi)檢測(cè)到則顯示錯(cuò)誤信息，提示檢查接線是否有誤。若是與單片機(jī)通信，如果在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)(如10s內(nèi))還沒(méi)有收到應(yīng)答，則讓指示燈閃爍，認(rèn)為出錯(cuò)，需重新復(fù)位。
??? (3)信號(hào)處理板收到應(yīng)答后，先向控制系統(tǒng)發(fā)送總共要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)個(gè)數(shù)，然后依次發(fā)送每個(gè)數(shù)據(jù)，直到發(fā)完為止。
??? (4)控制系統(tǒng)發(fā)完聯(lián)機(jī)應(yīng)答信號(hào)后，就處于接收狀態(tài)。先接收總共的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，然后依次接收每個(gè)數(shù)據(jù)?？刂葡到y(tǒng)每接收到一個(gè)數(shù)據(jù)都向信號(hào)處理板發(fā)確認(rèn)信號(hào)，信號(hào)處理板只有收到確認(rèn)信號(hào)后才發(fā)下一個(gè)數(shù)據(jù)。
??? 另外，在單片機(jī)與微機(jī)之間進(jìn)行通信時(shí)，雙方要正確選擇一致的波特率，而且SMOD位的選擇影響單片機(jī)波特率的準(zhǔn)確度，即影響波特率的誤差范圍。因而在單片機(jī)波特率設(shè)置時(shí)，對(duì)SMOD的選取也要適當(dāng)考慮。為了保證通信的可靠性，通常波特率相對(duì)誤差不要大于2.5%，當(dāng)單片機(jī)與微機(jī)之間進(jìn)行通信時(shí)，尤其要注意這一點(diǎn)。例如，單片機(jī)的時(shí)鐘fOSC=12MHz，串口模式為方式1，假設(shè)單片機(jī)與微機(jī)的波特率都選為9600bps。當(dāng)SMOD=0時(shí)，波特率相對(duì)誤差為8.5%，當(dāng)SMOD=1時(shí)，波特率相對(duì)誤差為6.99%。實(shí)驗(yàn)表明，不論SMOD=0或1，單片機(jī)與微機(jī)在這種條件下均不能實(shí)現(xiàn)正常的發(fā)送與接收。若雙方的波特率都取4800bps，且SMOD=1時(shí)，波特率相對(duì)誤差為0.16%，實(shí)驗(yàn)證明通信完全可靠。
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參考文獻(xiàn)
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