摘要：全雙工異步串行通信在TMS320C55xDSP上的通常實(shí)現(xiàn)方式是利用DSP的McBSP接口加外接芯片實(shí)現(xiàn)，這種設(shè)計(jì)方法增加了實(shí)現(xiàn)UART的硬件成本和電路設(shè)計(jì)復(fù)雜度。提出了一種直接利用DSP的MCBSP接口和DMA通道實(shí)現(xiàn)UART的方法，給出了使用C語(yǔ)言和CSL的編程方法。與傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法相比，具有實(shí)現(xiàn)成本低，硬件電路簡(jiǎn)單，移植性強(qiáng)等特點(diǎn)，稍加修改可應(yīng)用于C5000和C6000各系列芯片中。
關(guān)鍵詞：DSP；全雙工異步串行通信；多通道緩沖串口；DMA ；過(guò)采樣

1 引言：
MS320C55x數(shù)字信號(hào)處理器通過(guò)多通道緩沖串口（McBSP）提供了與外設(shè)的多種同步串行通信方式。然而，由于DSP中串行通信由數(shù)據(jù)信號(hào)、幀同步信號(hào)和時(shí)鐘3種信號(hào)配合實(shí)現(xiàn)，其中幀同步信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)由不同的數(shù)據(jù)線傳輸。而異步串行通信則在一根傳輸線上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送或接收，且不需要專門的時(shí)鐘信號(hào)線。因此DSP與異步設(shè)備的接口，如UART通信實(shí)現(xiàn)相對(duì)復(fù)雜，需要對(duì)McBSP的相關(guān)寄存器進(jìn)行正確初始化。DSP中實(shí)現(xiàn)全雙工異步通信的通常做法是使用專用的串行接口芯片，如TL16C550，這種設(shè)計(jì)方法編程相對(duì)簡(jiǎn)單，但增加了設(shè)計(jì)成本和電路復(fù)雜度。本文介紹了一種TMS320C55x DSP芯片利用McBSP和DMA直接實(shí)現(xiàn)UART的方法，基于該方法實(shí)現(xiàn)的DSP異步串行通信模塊已成功應(yīng)用于控制偏振圖像采集處理的DSP硬件設(shè)備中。 www.51kaifa.com/
2 UART在DSP上的實(shí)現(xiàn)
異步串行通信要求DSP能夠模擬和檢測(cè)到UART的幀信號(hào)。由于DSP串口是同步串口，而且DSP時(shí)鐘為高速時(shí)鐘，經(jīng)分頻或倍頻后無(wú)法保證與UART的異步串行時(shí)鐘精確同步。DSP的幀同步信號(hào)無(wú)法與UART的幀信號(hào)同步，造成串行通信信號(hào)中信號(hào)位的偏移。最好的解決方法是減小偏移和對(duì)接收的數(shù)據(jù)流進(jìn)行過(guò)采樣，本文采用了對(duì)UART信號(hào)的16倍過(guò)采樣。www.51kaifa.com/
2．1 McBSP設(shè)置
    DSP的McBSP通過(guò)3種信號(hào)實(shí)現(xiàn)同步通信：數(shù)據(jù)、幀同步和時(shí)鐘。異步通信發(fā)送和接收各在一條線上進(jìn)行，具有自己的幀時(shí)序。
    UART的通信時(shí)鐘由使用的通信波特率（每秒傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位個(gè)數(shù)）決定，通常為2400，9600，19200等。DSP與UART異步通信時(shí)，由于DSP的內(nèi)部時(shí)鐘頻率通常都不是UART時(shí)鐘頻率的整數(shù)位，因而會(huì)造成雙方通信時(shí)數(shù)據(jù)位的偏移，為了盡量減小這種偏移，McBSP的串口時(shí)鐘需要正確的設(shè)置時(shí)鐘頻率以達(dá)到與UART波特率相匹配。
數(shù)據(jù)包（PKTBITS）由起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位和停止位組成，起始位為1位，停止位通常為1，1.5，2位，數(shù)據(jù)數(shù)通常為8位，如何使用校驗(yàn)，那么數(shù)據(jù)包還包括1位校驗(yàn)位。以上數(shù)據(jù)位中，每1位都被DSP以16倍波特率的時(shí)鐘頻率過(guò)采樣。
發(fā)送時(shí)，為保證UART能收到半個(gè)停止位，需要將DSP的McBSP發(fā)送端口設(shè)置為2相的數(shù)據(jù)幀。第1相為16位的數(shù)據(jù)字，第2相為8位的數(shù)據(jù)字。那么第1相數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為（起始位+數(shù)據(jù)位+校驗(yàn)位）個(gè)字，第2相長(zhǎng)度為停止位的字長(zhǎng)。發(fā)送時(shí)的總幀長(zhǎng)（TxPKTBITS）為這兩相的總字長(zhǎng)。接收數(shù)據(jù)包格式與發(fā)送相似，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。DSP的串口發(fā)送引腳與外部串口設(shè)備的接收引腳相連，不使用FSX引腳和CLKX引腳。
接收時(shí)，McBSP通過(guò)接收幀同步信號(hào)引腳（FSR）檢測(cè)數(shù)據(jù)的到來(lái)，根據(jù)幀同步信號(hào)的不同，幀同步信號(hào)可配置成上升沿觸發(fā)或下降沿觸發(fā)，由于UART的起始位為低電平，因此使用下降沿觸發(fā)。將UART發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)與McBSP的數(shù)據(jù)接收引腳DR和FSR相連，實(shí)現(xiàn)用UART的發(fā)送信號(hào)觸發(fā)McBSP的接收幀同步信號(hào)。在McBSP接收一幀數(shù)據(jù)期間，為了防止下降沿再次觸發(fā)一幀數(shù)據(jù)接收，McBSP應(yīng)該設(shè)置為接收數(shù)據(jù)包期間忽略幀同步信號(hào)。

圖1 UART接收數(shù)據(jù)包的幀格式

接收完一幀數(shù)據(jù)后，需要對(duì)數(shù)據(jù)解碼，收于DSP發(fā)送和接收時(shí)鐘是UART串口時(shí)鐘頻率的16位，因此每個(gè)UART數(shù)據(jù)位對(duì)應(yīng)于DSP中1個(gè)16位字（停止位對(duì)應(yīng)8位字）。在McBSP接收寄存器中將接收幀設(shè)置為2相，第1相16位字，字長(zhǎng)為RxPKTBITS（起始位+數(shù)據(jù)位+校驗(yàn)位），第2相為8位字，對(duì)應(yīng)于停止位字?jǐn)?shù)。此外，接收幀延時(shí)值應(yīng)該設(shè)置為1位。
3．2 McBSP時(shí)鐘采樣率設(shè)置
McBSP與UART通信時(shí)，McBSP接收到一幀的幀同步信號(hào)后，該幀期間之后出現(xiàn)的幀同步信號(hào)將被忽略。為了獲得最大數(shù)據(jù)流量，一幀數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束時(shí)，其停止位后緊接著為起始位，幀同步信號(hào)的檢測(cè)依賴于停止位到起始位的下降沿。為了正確檢測(cè)到幀同步信號(hào)，高電平應(yīng)該至少保持一個(gè)時(shí)鐘周期以上時(shí)間。
理想情況下，串口時(shí)鐘信號(hào)邊沿與數(shù)據(jù)位邊沿精確對(duì)應(yīng)，此時(shí)，每個(gè)數(shù)據(jù)位對(duì)應(yīng)16倍時(shí)鐘周期。起始位和串口時(shí)鐘的下降沿偏最小，如圖3所示。

圖2  McBSP串口時(shí)鐘與UART時(shí)鐘精確同步時(shí)的時(shí)序

    正常通信時(shí)，McBSP的幀同步信號(hào)與UART串口的時(shí)鐘之間會(huì)有一定的偏差，如圖所示。

圖3 McbSP串口時(shí)鐘與UART時(shí)鐘存在偏差時(shí)的時(shí)序

存在偏差時(shí)，為保證McBSP能檢測(cè)到接收到信號(hào)的下降沿，McBSP的串口采樣時(shí)鐘頻率必須準(zhǔn)確設(shè)置。其設(shè)置方法如公式1、2所示。其中，DIV是McBSP寄存中串口采樣時(shí)鐘分頻值，DSPCLK是DSP的CPU時(shí)鐘頻率，baudrate為通信波特率。 
         （1） 
         （2）
通信波特率為19200，DSP時(shí)鐘頻率為75MHz，接收數(shù)據(jù)包為10位（1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，無(wú)校驗(yàn)，1位停止位：PKTBITS=10，RxPKTBITS=9.5），根據(jù)公式1計(jì)算得DIV ，由于分頻值DIV為整數(shù)，因此取DIV 。根據(jù)公式2計(jì)算得DIV ，取整后得DIV 。取DIV最佳值為244。TMS320VC55x DSP以常用波特率通信時(shí)的分頻值如表1所示。
表1 常用波特率下TMS320VC55x的McBSP串口DIV值 

3．2 DMA設(shè)置
UART通信時(shí)，DSP發(fā)送和接收到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，為了實(shí)現(xiàn)DSP的高速處理，減少DSP響應(yīng)McBSP數(shù)據(jù)寄存器中斷的次數(shù)。發(fā)送和接收數(shù)據(jù)與McBSP發(fā)送和接收寄存器DXR和DRR之間的數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)DMA通道完成。這里以使用DMA通道4和通道5為例，其中，DMA通道4作為數(shù)據(jù)接收通道，DMA通道5做為數(shù)據(jù)發(fā)送通道。將通道4和通道5的同步事件分別設(shè)置為McBSP串口接收事件和串口發(fā)送事件，DMA通道4的源地址為McBSP的接收寄存器DRR地址，目的地址為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中存放接收數(shù)據(jù)的變量地址；DMA通道5的源地址為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中待發(fā)的數(shù)據(jù)，目的地址為McBSP的DXR寄存器地址。每當(dāng)McBSP接收到數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)觸發(fā)DMA通道4將接收到的數(shù)據(jù)拷貝到DSP數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的相應(yīng)置，同時(shí)目的地址指針自動(dòng)加1；發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，DMA通道5將待發(fā)送數(shù)據(jù)拷貝到DXR，將數(shù)據(jù)依次發(fā)出。
發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，待發(fā)字符被打包成適于UART接收的數(shù)據(jù)格式，以發(fā)送16進(jìn)制無(wú)符號(hào)數(shù)0xAA為例，首先發(fā)送起始位，然后是數(shù)據(jù)位最低位，最后發(fā)送停止位。該數(shù)值在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中按地址由低到高的存放格式為：0x0000，0x0000，0xFFFF，0x0000，0xFFFF，0x0000，0xFFFF，0x0000，0xFFFF，0xFFFF。
接收到數(shù)據(jù)后，取過(guò)采樣到的每個(gè)16位二進(jìn)制數(shù)據(jù)字的中間四位，若中間四位中1的個(gè)數(shù)不小于3，則表示收到當(dāng)前的UART數(shù)據(jù)位值為1；若中間四位中0的個(gè)數(shù)不小于3，則表示收到當(dāng)前的UART數(shù)據(jù)位值為0。否則認(rèn)為數(shù)據(jù)傳輸出錯(cuò)。
4 程序設(shè)計(jì)
    在McBSP和DMA寄存器設(shè)置正確的基礎(chǔ)上，利用TI公司提供的Code Composer Studio集成開(kāi)發(fā)環(huán)境編寫了UART串口通信軟件，軟件開(kāi)發(fā)中使用了CSL（片上支持庫(kù)），使整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程快速、直觀、具有很強(qiáng)的可讀性。程序流程如圖所示：     





圖4 TMS320VC55x UART程序流程圖
5 實(shí)驗(yàn)分析
硬件和軟件設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)上位機(jī)為PC機(jī)，DSP處理器為TI公司的TMS320VC5509A，通信波特率為19200，DSP外部晶振頻率為20MHz，CPU時(shí)鐘頻率為100MHz，UART數(shù)據(jù)格式為1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無(wú)校驗(yàn)。多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明數(shù)據(jù)發(fā)收準(zhǔn)確，無(wú)誤碼現(xiàn)象發(fā)生。
6 結(jié)論
    DSP系統(tǒng)直接與外部全雙工異步串行設(shè)備的通信時(shí)，通過(guò)正確的使用DSP上的McBSP和DMA通道，利用16倍過(guò)采樣原理準(zhǔn)確的計(jì)算McBSP通信接口的采樣值和配置相關(guān)寄存器，能夠?qū)崿F(xiàn)DSP與外部異步設(shè)備的可靠通信。與傳統(tǒng)的采用串并轉(zhuǎn)換芯片的實(shí)現(xiàn)方法相比，具有更低的成本更簡(jiǎn)單的外部電路。本文中的程序針對(duì)TI公司的TMS320VC5509x DSP芯片編寫，通過(guò)對(duì)少數(shù)寄存器的修改，該程序可直接應(yīng)用于TI公司的C5000和C6000系列DSP芯片上。
   本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：提出了一種直接利用DSP的McBSP接口和DMA通道實(shí)現(xiàn)UART的方法，具有實(shí)現(xiàn)成本低，硬件電路簡(jiǎn)單，移植性強(qiáng)等特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：
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3 Implementing a Software UART on the TMS320C54x with the McBSP and DMA. Texas Instruments
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5 TMS320C55x Chip Support Library API Reference Guide. Texas Instruments
6 TMS320C6000 McBSP: UART. Texas Instruments
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