摘? 要： 介紹了通用單片機(MCU)AT89C51與信號處理單片機(DSP)TMS320C32通過共享片外隨機存儲器實現(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。文中還簡要分析了AT89C51與微機進行串行通信的軟硬件設(shè)計，通過擴展AT89C51間接實現(xiàn)了TMS320C32與通用單片機或微機之間的通信。
關(guān)鍵詞： 單片機 DSP? 數(shù)字信號處理器? 共享存儲器? 串口通信
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TMS320系列數(shù)字信號處理單片機(DSP)在測控、儀器儀表、圖象處理、計算機視覺與聲信號處理等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應用。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：一是通過串行口，另一是通過數(shù)據(jù)總線讀寫片外存儲器。本文介紹了基于DSP的信號處理目標板與基于單片機AT89C51的多路同步數(shù)據(jù)采集板通過共享片外隨機存儲器實現(xiàn)板間通信，來獲取原始采集數(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單片機或基于微機的控制系統(tǒng)的方法。文中還簡要分析了AT89C51與微機進行串口通信的軟硬件設(shè)計，通過擴展AT89C51間接實現(xiàn)了TMS320C32與單片機或微機之間的通信，比直接通過TMS320C32的串口與單片機或微機進行通信要簡單可靠得多。下面如無特別說明，MCU指AT89C51，DSP指TMS320C32。
1 板間共享存儲器的硬件接口電路和軟件控制流程
1.1 信號處理板硬件接口電路
基于DSP的信號處理板可以根據(jù)應用要求運行許多信號處理算法，如信號預處理、目標識別與跟蹤定位、Kalman濾波等。待處理的原始信號數(shù)據(jù)通過板間通信從數(shù)據(jù)采集板獲得。這里采用板間共享存儲器的方法來完成數(shù)據(jù)交換，DSP既可以從共享存儲器讀取采集數(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)寫到共享存儲器中供MCU讀取。
TMS320C32有一個雙向串行口，可以設(shè)置每幀同時收發(fā)8/16/24/32位數(shù)據(jù)，同步時鐘可以由內(nèi)部串口定時器產(chǎn)生或由外部輸入。通過設(shè)置串口全局控制寄存器來控制串口的總體功能和工作模式;通過設(shè)置FSX/DX/CLKX端口控制寄存器和FSR/DR/CLKR端口控制寄存器來控制串口6個引腳的功能，可以軟件設(shè)置每個引腳為通用的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，由于共享存儲器接口電路需要4根控制線來進行DSP與MCU間的握手通信，這里把串口的2個引腳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(芯片型號為CY7C1049-17VC)，組成32位數(shù)據(jù)寬度的存儲器，DSP運行時的程序和數(shù)據(jù)都在這四片RAM中。FLASH(芯片型號為Am29F016)用于存儲程序和初始化數(shù)據(jù)，即使掉電內(nèi)容也不丟失，DSP上電時由自帶的BOOT LOADER程序從FLASH中取出程序到四片RAM中運行。從共享存儲器讀取的采集數(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AT89C51的數(shù)據(jù)采集板在單片機的全局控制下，通過對多路聲傳感器輸出的微弱信號進行程控放大、低通濾波、同步采樣保持、A/D變換，實時同步采集多路信號，并把采集到的信號數(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù)采集板上的128K共享存儲器(芯片型號為CY7C109-12VC)中。
共享存儲器及其總線隔離電路設(shè)計在數(shù)據(jù)采集板上。在某一時刻，共享存儲器只能被某一方訪問，否則會產(chǎn)生總線沖突。這里由MCU切換選通DSP總線或單片機總線，分時訪問共享存儲器?？偩€隔離芯片選用常見的雙向總線隔離/驅(qū)動芯片74HC245，它有一個輸出使能引腳(E)和一個數(shù)據(jù)傳輸方向(DIR)引腳，MCU通過控制這兩個引腳來完成總線隔離與數(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P1.2為低電平時，共享存儲器只能被MCU訪問;當P1.2為高電平時，只有當P1.3也為高電平時(表示MCU同意讓出共享存儲器)，共享存儲器才能被DSP訪問。由于DSP需要讀或?qū)懝蚕泶鎯ζ?，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，這里通過設(shè)置DSPDIR信號線的電平狀態(tài)來完成(高電平時為讀，低電平時為寫)。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的實際接線而定。
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1.3? 軟件控制流程
信號處理板上的DSP需要采集信號數(shù)據(jù)時就向數(shù)據(jù)采集板上的MCU發(fā)出請求信號，單片機接收到請求信號后，如果同意讓出共享存儲器，則向DSP發(fā)出應答信號，同時隔離MCU端的總線，暫停數(shù)據(jù)采集。DSP接收到應答信號后就可以訪問共享存儲器，DSP快速讀、寫完數(shù)據(jù)后，向單片機發(fā)結(jié)束信號，單片機接收到結(jié)束信號后，收回共享存儲器，同時隔離DSP端總線，繼續(xù)采集。這樣數(shù)據(jù)采集與信號處理就可以同時進行，不同于一般的采集一段處理一段的串行工作模式，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集零等待，增加了系統(tǒng)的吞吐能力。參見圖3的接線圖，一次完整的通信過程詳述如下，注意在DSP程序初始化時應把XF0、XF1、FSR0設(shè)置為相應的無效狀態(tài)。
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(1)DSP需要采集信號數(shù)據(jù)時向MCU發(fā)請求信號(置XF0為低電平)，觸發(fā)MCU的INT0中斷，等待MCU應答(DSP循環(huán)檢測XF1的狀態(tài))。
????(2)如果MCU同意讓出共享存儲器，則響應中斷，否則等待。在中斷服務(wù)程序中，置P1.3(即DSPACK)為高電平，表示應答。同時置P1.2為高電平，選通DSP總線。MCU接著循環(huán)檢測P1.4(即DSPEOR)的狀態(tài)。
??? (3)DSP收到應答信號(即檢測到XF1為高電平)，立即快速讀寫共享存儲器，在讀操作前，置FSX0為高電平，在寫操作前，置FSX0為低電平。讀寫完后，向MCU發(fā)結(jié)束信號(置FSR0為高電平)，DSP緊接著進行其它處理操作。
??? (4)MCU收到結(jié)束信號后(即檢測到P1.4為高電平)，置P1.2為高電平，隔離DSP總線，收回共享存儲器，繼續(xù)采集。
2 信號處理板與控制系統(tǒng)的通信
信號處理板從數(shù)據(jù)采集板獲取采集數(shù)據(jù)后，經(jīng)過對其進行一系列信號處理算法的運算處理，得到的處理結(jié)果需要傳送給基于單片機或微機的控制系統(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行數(shù)據(jù)傳輸最為簡單。我們可以直接對信號處理板上DSP的串口編程來與控制系統(tǒng)進行通信。但由于DSP的串口為同步串口，而單片機或微機的串口通常都為異步串口，這樣就需要用軟件來模擬DSP串口的異步通信時序，軟件工作量大而且通信不可靠。這里通過擴展單片機與共享存儲器的方法很好地解決了這個問題。DSP把處理結(jié)果寫到共享存儲器中，立即進行下一輪處理，由單片機從共享存儲器中取出處理結(jié)果并傳送給控制系統(tǒng)。這就省去了DSP進行串口通信所需的時間，最大限度地利用了DSP的高速數(shù)據(jù)處理的能力。在實時性要求很高的場合，這顯得尤為重要。通過擴展少量的硬件，不但提高了系統(tǒng)的速度，優(yōu)化了整體性能，而且軟件實現(xiàn)也簡單了許多。
2.1?信號處理板與控制系統(tǒng)的串口通信硬件電路
信號處理板利用擴展的單片機AT89C51與基于微機或MCU的控制系統(tǒng)進行全雙工通信。圖4為AT89C51的串口通信電路，通過“串口選擇”撥碼開關(guān)選擇是與基于微機的控制系統(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微機系統(tǒng)中，其串口符合RS-232C接口標準。為提高抗干擾能力，RS-232C標準采用負邏輯，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AT89C51能與微機進行串行通信，可以利用常見的MC1488和MC1489進行電平轉(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TTL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雜性，如圖4所示，這里選用只需單一+5V電壓的MAX232來完成電平轉(zhuǎn)換，簡化了硬件電路。
????當信號處理板與基于MCU的控制系統(tǒng)通信時，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。當信號處理板與基于微機的控制系統(tǒng)通信時，利用微機的九針串口進行通信，它們的串口電纜連線如圖5所示。這里的發(fā)送線與接收線沒有交叉，是因為在進行電平轉(zhuǎn)換時已經(jīng)交叉過了(參見圖4)。
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2.2 信號處理板與控制系統(tǒng)的串口通信軟件編程
????單片機與單片機或微機進行串口通信的軟件編程有兩種：查詢方式和中斷方式。這里發(fā)送方(信號處理板)采用查詢方式，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) 信號處理板上電后，一直發(fā)送請求聯(lián)機信號‘R’，等待控制系統(tǒng)發(fā)應答信號‘A’，如果信號處理板收到應答，表示雙方硬件連接正確，聯(lián)機成功。
(2) 運行控制系統(tǒng)的串口通信程序。如果是與微機通信，則先自動檢測連接的是哪個串口(COM1或COM2)，檢測到后向信號處理板發(fā)應答信號‘A’;若沒檢測到則顯示錯誤信息，提示檢查接線是否有誤。若是與單片機通信，如果在規(guī)定的時間內(nèi)(如10s內(nèi))還沒有收到應答，則讓指示燈閃爍，認為出錯，需重新復位。
??? (3)信號處理板收到應答后，先向控制系統(tǒng)發(fā)送總共要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)個數(shù)，然后依次發(fā)送每個數(shù)據(jù)，直到發(fā)完為止。
??? (4)控制系統(tǒng)發(fā)完聯(lián)機應答信號后，就處于接收狀態(tài)。先接收總共的數(shù)據(jù)個數(shù)，然后依次接收每個數(shù)據(jù)?？刂葡到y(tǒng)每接收到一個數(shù)據(jù)都向信號處理板發(fā)確認信號，信號處理板只有收到確認信號后才發(fā)下一個數(shù)據(jù)。
??? 另外，在單片機與微機之間進行通信時，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波特率的準確度，即影響波特率的誤差范圍。因而在單片機波特率設(shè)置時，對SMOD的選取也要適當考慮。為了保證通信的可靠性，通常波特率相對誤差不要大于2.5%，當單片機與微機之間進行通信時，尤其要注意這一點。例如，單片機的時鐘fOSC=12MHz，串口模式為方式1，假設(shè)單片機與微機的波特率都選為9600bps。當SMOD=0時，波特率相對誤差為8.5%，當SMOD=1時，波特率相對誤差為6.99%。實驗表明，不論SMOD=0或1，單片機與微機在這種條件下均不能實現(xiàn)正常的發(fā)送與接收。若雙方的波特率都取4800bps，且SMOD=1時，波特率相對誤差為0.16%，實驗證明通信完全可靠。
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參考文獻
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2 Maxim Corporation.±15kV ESD-Protected，+5V RS-232?Transceivers. USA：Maxim Integrated Products，1996
3 王福瑞.單片微機測控系統(tǒng)設(shè)計大全.北京：北京航空航天大學出版社，1998
4 李華.MCS-51系列單片機實用接口技術(shù).北京：北京航空航天大學出版社，1993