基于DSP实现异步串行数据通讯系统的应用设计

作者：韩开亮,张涛

TMS320C6711是TI公司TMS320C6000系列32位浮点DSP，它具有专用硬件逻辑的CPU、片内存储器、片内外设，支持汇编和C语言的单独或混合编程。该系列DSP最主要的特点是采用了VLIW体系结构，因此可以单周期发射多条指令，实现很高的指令级并行效率。其计算和处理速度非常快，系统单指令周期可达到6.67ns，被广泛用于DSL、无线基站、雷达声纳、数字图像处理等方面。在TMS320C6711中有2个多通道缓冲串行接口McBSP，McBSP不仅可以配制成串行接口，还可以独立配制成通用的输入（GPI）、输出（GPO）和输入输出端口（GPIO）。其优点是数据处理能力强大，但控制接口少，片内集成外部设备少，控制能力较弱。

TI公司的TMS320LF2407为16位定点DSP微控制器，内嵌有看门狗定时器（WDT）、CAN总线控制器、模数转换器（ADC）、串行外设接口（SPI）、异步串行口（SCI）等多种外设模块，并有大量输入输出引脚（GPIO），可以满足控制系统多方面的控制需求。但由于TMS320LF2407的指令周期最短为25ns（40MHz主频），对于数据处理运算量特别大的系统，其运算速度略显不足。

多数数字图像处理应用系统既要求系统有强大的数据处理能力，以满足对图像处理的实时性要求，又要求系统有强大的控制能力，以便实现对外部众多设备的控制。在实际应用系统中，将TMS320C6711作为处理器完成数字图像的实时处理，TMS320LF2407作为控制器完成系统的控制功能，便可兼顾系统的数据处理能力与外部设备控制能力。这样的系统要求在TMS320C6711和TMS320LF2407之间建立有效的数据交换通道，本文所介绍的设计思想就是基于以上工程需要提出的。

1 系统结构

本系统为嵌入式数字图像处理系统，数字图像数据由下位机TMS320C6711处理，处理结果采用异步串口通讯的方式传送给上位机TMS320LF2407，TMS320LF2407将采集到的模拟量、开关量等参数，与通过异步串口接收到的图像处理结果一起通过CAN总线向远程监控终端发送。

TMS320C6711的多通道缓冲串行接口McBSP与TMS320LF2407的SCI模块，通过特定的软硬件设计可以支持使用标准格式的异步数字通讯。通讯数据的格式为：一个起始位、数据（长度可通过编程在16位～8位内可选）位、可供选择的奇/偶/非极性位、一个或两个停止位。

1.1 McBSP接口

McBSP可以分为数据通道和控制通道两部分。数据发送引脚（DX）和数据接收引脚（DR）分别负责数据的发送和接收，发送时钟引脚（CLKX）、接收时钟引脚（CLKR）、发送帧同步引脚（FSX）和接收帧同步引脚（FSR）提供串行时钟和控制信号。CPU和DMA控制器通过外设总线与McBSP进行通讯。当发送数据时，CPU和DMA将数据写入数据发送寄存器（DXR1，DXR2），接着复制到发送移位寄存器（XSR1，XSR2），通过发送移位寄存器输出至DX引脚。同样，当接收数据时，DR引脚上接收到的数据先移位到接收移位寄存器（RSR1，RSR2），接着复制到接收缓冲寄存器（RBR1，RBR2），RBR再将数据复制到数据接收寄存器（DRR1，DRR2）中，并通过串口事件通知CPU或DMA读取数据。这种多极缓冲方式使得片内数据通讯和串行数据通讯能够同时进行。

1.2 SCI接口

2 硬件实现

当TMS320C6711D与TMS320LF2407A进行标准异步串行通讯时，TMS320LF2407A的SCI接口可直接支持该通讯，只需将SCI接口通过内部特殊功能寄存器配置为串行接口模式即可。而TMS320C6711D的McBSP除通过内部特殊功能寄存器配置成串行接口外，在硬件设计上还应将DR和FSR短接，并与SCI的串行数据发送引脚（SCITXD）相连。这是由于标准异步串行通讯中数据线上既包含了帧同步信息，也包含了数据信息。SCI的串行数据接收引脚（SCIRXD）与McBSP的DX相连。

由于TMS320C6711D与TMS320LF2407A的接口电压均为3.3V，二者引脚可直接相连，不需要电平转换。

3 软件参数的配置与计算

3.1 针对TMS320C6711D

（1）波特率的计算

TMS320C6711D内部生成的串行时钟由系统时钟频率SYSCLK和采样率发生寄存器决定。MCBSP的内部数据时钟频率即异步波特率由以下公式确定：

MCBSP异步波特率=采样率发生寄存器输入时钟频率/（CLKGDV+1）

其中：CLKGDV=采样率发生寄存器输入时钟频率/McBSP异步波特率-1。

当采样率发生寄存器的CLKSM=1时，采样率发生寄存器输入时钟频率=CPU内核输入时钟/2；

当采样率发生寄存器的CLKSM=0时，采样率发生寄存器输入时钟频率=CPU内核输入时钟。

在本系统中，TMS320C6711D的内核输入时钟为150MHz，采样率发生寄存器的CLKSM位设置为1。若使McBSP异步通讯波特率为312.5kb/s，则依据以上公式，采样率发生寄存器的CLKGDV段参数应配置为239，即十六进制的0xEF。

（2）特殊功能寄存器的初始化

TMS320C6711D内部与McBSP配置相关的特殊功能寄存器主要有：串口控制寄存器（SPCR）、接收控制寄存器（RCR）、发送控制寄存器（XCR）、采样率发生器寄存器（SRGR）、多通道控制寄存器（MCR）、接收通道使能寄存器（RCER）、发送通道使能寄存器（XCER）、管脚控制寄存器（PCR）。

TMS320C6711的McBSP与TMS320LF2407的SCI模块通讯时，系统对McBSP的配置要求为：数据为单项帧；每帧一个数据单元；数据单元字长为8bit；时钟下降沿处接收数据；在上升沿处发送数据；帧同步信号高有效；帧同步有效后，在其后的第一个时钟周期启动该帧的传输，即数据延迟为0；异步通信波特率为312.5kb/s。

3.2 针对TMS320LF2407A

（1）波特率的计算

TMS320LF2407A内部生成的串行时钟由系统时钟SYSCLK频率和波特率选择寄存器决定。串行通信接口使用16bit波特率选择寄存器，数据传输速度可以被编程为65000多种不同的方式。

不同通信模式下的串行通信接口异步波特率由下列方法决定：



在本系统中，TMS320LF2407A的系统输入时钟为25MHz，若使SCI异步通信波特率为312.5kb/s，则依据以上公式，波特率选择寄存器参数应配置为9，即十六进制的0x0009。

（2）特殊功能寄存器的初始化

TMS320LF2407的SCI模块的异步串行通讯配置包括管脚配置、通讯模式配置和中断配置三方面，相关的特殊功能寄存器包括复用控制寄存器（MCRA）、端口数据和方向控制寄存器（PADATDIR）、串行通讯接口控制寄存器1和2（SCICTL1和SCICTL2）、通讯控制寄存器（SCICCR）、波特率选择高字节寄存器和低字节寄存器（SCIHBAUD和SCILBAUD）、优先级控制寄存器（SCIPRI）、接收状态寄存器（SCIRXST）等。

4 软件设计

系统中TMS320C6711通过McBSP将图像处理结果采用主动发送的方式发送给TMS320LF2407，后者通过响应SCI中断的方式接收数据信息。

5 串行通讯初始化程序

TMS320C6711与TMS320LF2407进行串行通讯的软件设计难点是McBSP与SCI的初始化程序设计。初始化程序包括对芯片的管脚配置、通讯模式配置和中断配置等方面。以下分别给出TMS320C6711的McBSP模块和TMS320LF2407的SCI模块的初始化程序模块。

（1）TMS320C6711的McBSP模块初始化程序

void init_mcbsp0_master（void）
{
MCBSP_Config mcbspCfg0=
{
0x00010001，//配置spcr寄存器
0x000D0000，//配置rcr寄存器
0x00040020，//配置xcr寄存器
0x200000ef，//配置srgr寄存器，
//波特率设定为312.5kb/s
0x00000000，//配置mcr寄存器
0x00000000，//配置rcer寄存器
0x00000000，//配置xcer寄存器
0x00000b0c//配置pcr寄存器
}；
hMcbsp0=MCBSP_open（MCBSP_DEV0， MCBSP_OPEN_RESET）；
//选用port 0
MCBSP_config（hMcbsp0，&mcbspCfg0）；
IRQ_map（IRQ_EVT_RINT0，13）；//映射接收中断0为
//13号中断
IRQ_reset（IRQ_EVT_RINT0）；
IRQ_enable（IRQ_EVT_RINT0）；//开中断
MCBSP_enableRcv（hMcbsp0）；
MCBSP_enableSrgr（hMcbsp0）；//Handle to SRGR
MCBSP_enableFsync（hMcbsp0）；
}

（2）TMS320LF2407的SCI模块初始化程序

void sci_INIT（void）
{
MCRA=MCRA|0x0003； //设置引脚SCITXD/IOPA0和
//SCIRXD/IOPA1为串行通讯功能
PADATDIR=0X0100； //设PA口为输入口
SCICTL1=0x13； //使能接收和发送
SCICTL2=0x02； //禁止发送中断，使能接收中断
SCICCR=0X07； //8位字长，1个停止位，空闲线多处
//理器模式，无奇偶校验
SCIHBAUD=0x00； //波特率设为312.5kb/s
SCILBAUD=0x09；
SCIPRI=0x00； //接收为高优先级中断
SCIRXST=SCIRXST&0xbf；//清除SCI接收中断标志
SCICTL1=0x33； //保存设置
}

利用TMS320C6711的McBSP和TMS320LF2407的SCI可以实现异步串行数据通讯，具有电路简单、设置灵活、数据传输速度快、性能可靠稳定等特点。在此基础上可成功构建主从式双DSP数据处理系统，有效解决单一DSP系统数据处理能力与控制能力难以兼顾的问题。本文所介绍的设计方案已在实际应用系统中采用，并经长时间运行检验。实践证明，此设计方案是一种有效的多DSP数据交换手段。