文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.190261
中文引用格式： 楊慶國(guó)，陳軍，肖貴林. 基于TMS320C6748的多路串行通信接口設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2019，45(7)：59-62.
英文引用格式： Yang Qingguo，Chen Jun，Xiao Guilin. Design and implementation of multi-channel serial communication interface based on TMS320C6748[J]. Application of Electronic Technique，2019，45(7)：59-62.
0 引言
微處理器DSP是一種為實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理算法而生的器件[1]，其硬件結(jié)構(gòu)上的特殊性表現(xiàn)在內(nèi)部存儲(chǔ)器采用程序總線和數(shù)據(jù)總線分開的哈佛結(jié)構(gòu)，具有專門的硬件乘法器[2]。但在嵌入式DSP系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域中，一般需要它同時(shí)與多個(gè)外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和通信[3]，其中串行通信接口因其簡(jiǎn)單可靠，仍是目前廣泛采用的技術(shù)[4]，而當(dāng)前的DSP的串口較少，滿足不了多路串行通信接口能力。
本文采用高速浮點(diǎn)處理器DSP作為嵌入式飛行控制系統(tǒng)的核心處理芯片，可實(shí)時(shí)地完成系統(tǒng)運(yùn)算和控制，充分發(fā)揮DSP在數(shù)字信號(hào)處理方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)[5]。設(shè)計(jì)了一種基于TMS320C6748的多路串行通信接口電路，采用異步通信協(xié)議芯片TL16C754和3-8譯碼器74LS138實(shí)現(xiàn)多路串行通信接口的集成與擴(kuò)展，底層驅(qū)動(dòng)基于TI的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核SYS/BIOS進(jìn)行開發(fā)。不但減小了軟件開發(fā)難度，而且可以保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使得開發(fā)周期大大縮短。
1 硬件電路設(shè)計(jì)
1.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)
基于DSP處理器的多路串行通信接口系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱接口系統(tǒng)）主要由控制電路和接口電路組成，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。其中，控制電路是系統(tǒng)的核心處理模塊，主要包括DSP處理器、存儲(chǔ)器、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、電源電路和JTAG等輔助電路；接口電路是實(shí)現(xiàn)多路串行通信的模塊，主要包括協(xié)議處理器、譯碼器、隔離電路和電平轉(zhuǎn)換電路等。
1.2 控制電路設(shè)計(jì)
核心處理器DSP選用TI的浮點(diǎn)運(yùn)算低功耗芯片TMS320C6748，其主頻為456 MHz，具有高達(dá)3 648 MIPS和2 756 MFLOPS的運(yùn)算能力。
時(shí)鐘電路采用時(shí)鐘信號(hào)為24 MHz OSC外部時(shí)鐘晶體輸出。
電源電路采用集成電源供電方式，即內(nèi)核電壓和I/O電壓通過(guò)同一塊電源模塊供電，內(nèi)核電壓為1.2 V，I/O電壓為1.8 V和3.3 V，本系統(tǒng)采用了效率較高的電源管理芯片TPS650061RUK，其效率可以到90％，而且要求的壓降小。
復(fù)位電路采用基于IPM811復(fù)位芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，該芯片不僅具有上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位功能，而且還具有電源電壓監(jiān)控功能，可輸出最小持續(xù)時(shí)間為140 ms的低電平有效復(fù)位信號(hào)。
RAM存儲(chǔ)器采用TI的低功耗高速RAMMT47H64M16芯片，可為DSP提供更大的程序執(zhí)行/數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。Flash存儲(chǔ)器采用SPANSION公司的S29GL128N芯片，用于系統(tǒng)軟件的固化存儲(chǔ)。
1.3 接口電路設(shè)計(jì)
協(xié)議處理器采用TL16C754芯片，它是一款通用異步串行通信控制器，具有自動(dòng)軟件/硬件流控制能力，具有可以儲(chǔ)存、緩沖兩個(gè)異步時(shí)鐘之間數(shù)據(jù)傳輸[6]的64字節(jié)FIFO，并且通過(guò)可編程實(shí)現(xiàn)不同觸發(fā)水平來(lái)中斷；可編制數(shù)據(jù)為5 bit、6 bit、7 bit或8 bit，用于UART并行數(shù)據(jù)和串行數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換。譯碼器采用3-8譯碼器74LS138芯片，可進(jìn)行8 bit數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。
系統(tǒng)通過(guò)TMS320C6748的EMIF數(shù)據(jù)總線與16C754A的8 bit數(shù)據(jù)總線連接，將TL16C754的地址配置在EMIF映射空間內(nèi)，TMS320C6748的EMIF地址總線通過(guò)3-8譯碼器74LS138用于擴(kuò)展8 bit片選信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)8路RS422接口信號(hào)的選通。
隔離電路采用ADI公司的六通道數(shù)字隔離器ADuM7643，實(shí)現(xiàn)接口電路的數(shù)字隔離。
電平轉(zhuǎn)換電路采用驅(qū)動(dòng)總線收發(fā)器MAX490，實(shí)現(xiàn)RS422信號(hào)收發(fā)功能。它是一款低功耗收發(fā)器，用于RS422等串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)中[7]，內(nèi)部有驅(qū)動(dòng)和接收兩個(gè)模塊，最大傳輸速率為2.5 Mb/s。
在硬件設(shè)計(jì)中，采用EMIF接口8位數(shù)據(jù)線與TL16C754端口一一對(duì)應(yīng)，保證DSP與外部設(shè)備的正常通信，當(dāng)外部數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)來(lái)，會(huì)觸發(fā)DSP的外部中斷。在譯碼器電路中，通過(guò)3個(gè)地址信號(hào)產(chǎn)生8路不同的片選信號(hào)，當(dāng)譯碼器產(chǎn)生一路選通，對(duì)應(yīng)的并行數(shù)據(jù)就會(huì)傳輸?shù)娇偩€上，等待接收，接口電路原理圖如圖2所示。
2 驅(qū)動(dòng)軟件實(shí)現(xiàn)
DSP驅(qū)動(dòng)軟件是基于TI的SYS/BIOS操作系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，開發(fā)環(huán)境選擇CCS5.5(Code Composer Studio)。系統(tǒng)的軟件分為：系統(tǒng)初始化模塊、UART驅(qū)動(dòng)模塊、系統(tǒng)中斷模塊。利用SYS/BIOS的多線程中斷控制來(lái)實(shí)現(xiàn)多路串行通信接口的功能，系統(tǒng)上電后硬件系統(tǒng)自動(dòng)將Flash存儲(chǔ)器中的程序加載到256 KB的片內(nèi)存儲(chǔ)器中開始運(yùn)行。
首先，執(zhí)行對(duì)設(shè)備的CPU初始化，運(yùn)行cinit初始化運(yùn)行環(huán)境，調(diào)用SYS/BIOS系統(tǒng)函數(shù)初始化系統(tǒng)配置；然后調(diào)用main函數(shù)，完成EMIF總線與時(shí)鐘等的初始化，完成系統(tǒng)自檢、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)初始化、UART初始化等工作。在main函數(shù)結(jié)束返回后，調(diào)用BIOS_start，使能硬件中斷，開始按優(yōu)先級(jí)檢測(cè)并執(zhí)行串口硬件中斷服務(wù)子程序，軟件的功能在這些中斷任務(wù)的驅(qū)動(dòng)下完成，串口中斷主要完成數(shù)據(jù)的接收。
本系統(tǒng)的軟件主要由DSP完成EMIF總線的讀寫時(shí)序和TL16C754的寄存器控制信號(hào)。
(1)系統(tǒng)的初始化。初始化主要包括PLL配置，管腳復(fù)用控制寄存器（PINMUXReg）的配置，電源控制寄存器(PSC)的配置。因?yàn)門MS320C6748的管腳大多是復(fù)用的，所以需要根據(jù)應(yīng)用條件配置相應(yīng)的PINMUX寄存器。PSC是C67x的一大特色，通過(guò)配置PSC可獨(dú)立控制芯片某一部分的供電，可以最大限度地降低功耗。
(2)GPIO中斷配置。TMS320C6748沒有獨(dú)立的外部中斷引腳，是通過(guò)配置GPIO作為中斷源信號(hào)，在配置中斷時(shí)應(yīng)注意配置中斷的方向和觸發(fā)方式。
(3)時(shí)序控制。通過(guò)配置CE4CFG寄存器對(duì)CE4空間的讀寫操作進(jìn)行控制。CE4CFG可以控制建立、選通、保持時(shí)間和數(shù)據(jù)寬度。本文將UART擴(kuò)展在EMIFA的CE4空間商，CE4擴(kuò)展空間的基地址為0x64000000，對(duì)UART進(jìn)行讀寫操作時(shí)，對(duì)0x64000000地址進(jìn)行操作即可。DSP處理器通過(guò)WE、OE和CE4信號(hào)控制串口芯片，但需要3 bit地址線和CE4通過(guò)譯碼器片選8路UART信號(hào)。DSP對(duì)異步接口的讀取周期由建立時(shí)間、選通時(shí)間和保持時(shí)間組成。其關(guān)鍵程序設(shè)計(jì)如下：
EMIFWaitTimingConfig(SOC_EMIFA_0_REGS，CHIP_
SELECT_4，EMIFA_ WAITTIME_CONFIG(1,2,1,1,2,1,0))；
(4)多路UART中斷控制。TL16C754芯片提供4路中斷信號(hào)，所以采用8路UART共享一個(gè)中斷資源的方式，在SYS/BIOS中調(diào)用中斷4（INT4）并行處理8路UART數(shù)據(jù)，其中斷處理流程如圖3所示。
3 系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證
3.1 單路串行接口測(cè)試
隨機(jī)選取一路串口進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。首先，將接口系統(tǒng)的通信接口與PC的RS232串口相連，PC按指定的配置參數(shù)啟動(dòng)串口通信，利用上位機(jī)測(cè)試軟件，向接口系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)。該接口系統(tǒng)采用中斷方式對(duì)串口數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，數(shù)據(jù)接收完整后，接口系統(tǒng)會(huì)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)出來(lái)，PC收到后將其與原始數(shù)據(jù)比較，檢驗(yàn)是否一致，若一致，上位機(jī)測(cè)試軟件顯示串口測(cè)試成功，其測(cè)試結(jié)果如圖4所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，單路串行通信接口數(shù)據(jù)傳輸完整可靠。
3.2 雙路串行接口測(cè)試
現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，隨機(jī)選取接口系統(tǒng)的兩路RS422串口與外部的GPS接收機(jī)和IMU的串口連接，接口系統(tǒng)的通信接口與PC的RS232串口連接。利用兩個(gè)串口同時(shí)接收GPS接收機(jī)和IMU數(shù)據(jù)幀，存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)緩存單元。接口系統(tǒng)DSP內(nèi)部驅(qū)動(dòng)不斷檢測(cè)是否接收到一幀的GPS和IMU數(shù)據(jù)，若正確收到，則利用上位機(jī)測(cè)試軟件顯示出來(lái)，并以數(shù)據(jù)文件的格式存儲(chǔ)下來(lái)。試驗(yàn)測(cè)試后，打開數(shù)據(jù)文件，所設(shè)計(jì)的多路串行通信接口能完整地接收GPS和IMU數(shù)據(jù)。其測(cè)試結(jié)果如圖5所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，雙路串行通信接口數(shù)據(jù)傳輸完整可靠。
4 結(jié)論
本文對(duì)基于DSP的多路串行通信接口系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)硬件接口電路簡(jiǎn)單，調(diào)試方便。采用DSP的EMIF控制方式完成數(shù)據(jù)的傳輸，通過(guò)異步通信協(xié)議芯片和譯碼器實(shí)現(xiàn)接口的集成與擴(kuò)展，解決了DSP內(nèi)部存儲(chǔ)器與外設(shè)之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣葐栴}，減輕了DSP的運(yùn)算負(fù)荷，提高了串行通行的實(shí)時(shí)性和可靠性。底層驅(qū)動(dòng)基于SYS/BIOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)，不但減小軟件開發(fā)難度，而且可以保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使得開發(fā)周期大大縮短。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，所設(shè)計(jì)的多路串行通信接口系統(tǒng)能夠接收多路數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸完整可靠，現(xiàn)已應(yīng)用于某預(yù)研項(xiàng)目中，為其后續(xù)的開展提供了有力保障。
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作者信息:
楊慶國(guó)，陳 軍，肖貴林
(湖南云箭集團(tuán)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙410100)