一种基于TMS320C55x DSP的UART通信设计

摘要：全双工异步串行通信在TMS320C55xDSP上的通常实现方式是利用DSP的McBSP接口加外接芯片实现，这种设计方法增加了实现UART的硬件成本和电路设计复杂度。提出了一种直接利用DSP的MCBSP接口和DMA通道实现UART的方法，给出了使用C语言和CSL的编程方法。与传统实现方法相比，具有实现成本低，硬件电路简单，移植性强等特点，稍加修改可应用于C5000和C6000各系列芯片中。
关键词：DSP；全双工异步串行通信；多通道缓冲串口；DMA ；过采样

1 引言：
MS320C55x数字信号处理器通过多通道缓冲串口（McBSP）提供了与外设的多种同步串行通信方式。然而，由于DSP中串行通信由数据信号、帧同步信号和时钟3种信号配合实现，其中帧同步信号和数据信号由不同的数据线传输。而异步串行通信则在一根传输线上实现数据发送或接收，且不需要专门的时钟信号线。因此DSP与异步设备的接口，如UART通信实现相对复杂，需要对McBSP的相关寄存器进行正确初始化。DSP中实现全双工异步通信的通常做法是使用专用的串行接口芯片，如TL16C550，这种设计方法编程相对简单，但增加了设计成本和电路复杂度。本文介绍了一种TMS320C55x DSP芯片利用McBSP和DMA直接实现UART的方法，基于该方法实现的DSP异步串行通信模块已成功应用于控制偏振图像采集处理的DSP硬件设备中。 www.51kaifa.com/
2 UART在DSP上的实现
异步串行通信要求DSP能够模拟和检测到UART的帧信号。由于DSP串口是同步串口，而且DSP时钟为高速时钟，经分频或倍频后无法保证与UART的异步串行时钟精确同步。DSP的帧同步信号无法与UART的帧信号同步，造成串行通信信号中信号位的偏移。最好的解决方法是减小偏移和对接收的数据流进行过采样，本文采用了对UART信号的16倍过采样。www.51kaifa.com/
2．1 McBSP设置
    DSP的McBSP通过3种信号实现同步通信：数据、帧同步和时钟。异步通信发送和接收各在一条线上进行，具有自己的帧时序。
    UART的通信时钟由使用的通信波特率（每秒传输的数据位个数）决定，通常为2400，9600，19200等。DSP与UART异步通信时，由于DSP的内部时钟频率通常都不是UART时钟频率的整数位，因而会造成双方通信时数据位的偏移，为了尽量减小这种偏移，McBSP的串口时钟需要正确的设置时钟频率以达到与UART波特率相匹配。
数据包（PKTBITS）由起始位、数据位、奇偶校验位和停止位组成，起始位为1位，停止位通常为1，1.5，2位，数据数通常为8位，如何使用校验，那么数据包还包括1位校验位。以上数据位中，每1位都被DSP以16倍波特率的时钟频率过采样。
发送时，为保证UART能收到半个停止位，需要将DSP的McBSP发送端口设置为2相的数据帧。第1相为16位的数据字，第2相为8位的数据字。那么第1相数据长度为（起始位+数据位+校验位）个字，第2相长度为停止位的字长。发送时的总帧长（TxPKTBITS）为这两相的总字长。接收数据包格式与发送相似，其结构如图2所示。DSP的串口发送引脚与外部串口设备的接收引脚相连，不使用FSX引脚和CLKX引脚。
接收时，McBSP通过接收帧同步信号引脚（FSR）检测数据的到来，根据帧同步信号的不同，帧同步信号可配置成上升沿触发或下降沿触发，由于UART的起始位为低电平，因此使用下降沿触发。将UART发送数据信号与McBSP的数据接收引脚DR和FSR相连，实现用UART的发送信号触发McBSP的接收帧同步信号。在McBSP接收一帧数据期间，为了防止下降沿再次触发一帧数据接收，McBSP应该设置为接收数据包期间忽略帧同步信号。

图1 UART接收数据包的帧格式

接收完一帧数据后，需要对数据解码，收于DSP发送和接收时钟是UART串口时钟频率的16位，因此每个UART数据位对应于DSP中1个16位字（停止位对应8位字）。在McBSP接收寄存器中将接收帧设置为2相，第1相16位字，字长为RxPKTBITS（起始位+数据位+校验位），第2相为8位字，对应于停止位字数。此外，接收帧延时值应该设置为1位。
3．2 McBSP时钟采样率设置
McBSP与UART通信时，McBSP接收到一帧的帧同步信号后，该帧期间之后出现的帧同步信号将被忽略。为了获得最大数据流量，一帧数据发送结束时，其停止位后紧接着为起始位，帧同步信号的检测依赖于停止位到起始位的下降沿。为了正确检测到帧同步信号，高电平应该至少保持一个时钟周期以上时间。
理想情况下，串口时钟信号边沿与数据位边沿精确对应，此时，每个数据位对应16倍时钟周期。起始位和串口时钟的下降沿偏最小，如图3所示。

图2  McBSP串口时钟与UART时钟精确同步时的时序

    正常通信时，McBSP的帧同步信号与UART串口的时钟之间会有一定的偏差，如图所示。

图3 McbSP串口时钟与UART时钟存在偏差时的时序

存在偏差时，为保证McBSP能检测到接收到信号的下降沿，McBSP的串口采样时钟频率必须准确设置。其设置方法如公式1、2所示。其中，DIV是McBSP寄存中串口采样时钟分频值，DSPCLK是DSP的CPU时钟频率，baudrate为通信波特率。 
         （1） 
         （2）
通信波特率为19200，DSP时钟频率为75MHz，接收数据包为10位（1位起始位，8位数据位，无校验，1位停止位：PKTBITS=10，RxPKTBITS=9.5），根据公式1计算得DIV ，由于分频值DIV为整数，因此取DIV 。根据公式2计算得DIV ，取整后得DIV 。取DIV最佳值为244。TMS320VC55x DSP以常用波特率通信时的分频值如表1所示。
表1 常用波特率下TMS320VC55x的McBSP串口DIV值 

3．2 DMA设置
UART通信时，DSP发送和接收到的数据存储在数据存储器中，为了实现DSP的高速处理，减少DSP响应McBSP数据寄存器中断的次数。发送和接收数据与McBSP发送和接收寄存器DXR和DRR之间的数据传输通过DMA通道完成。这里以使用DMA通道4和通道5为例，其中，DMA通道4作为数据接收通道，DMA通道5做为数据发送通道。将通道4和通道5的同步事件分别设置为McBSP串口接收事件和串口发送事件，DMA通道4的源地址为McBSP的接收寄存器DRR地址，目的地址为数据存储器中存放接收数据的变量地址；DMA通道5的源地址为数据存储器中待发的数据，目的地址为McBSP的DXR寄存器地址。每当McBSP接收到数据时，会触发DMA通道4将接收到的数据拷贝到DSP数据存储器的相应置，同时目的地址指针自动加1；发送数据时，DMA通道5将待发送数据拷贝到DXR，将数据依次发出。
发送数据时，待发字符被打包成适于UART接收的数据格式，以发送16进制无符号数0xAA为例，首先发送起始位，然后是数据位最低位，最后发送停止位。该数值在数据存储器中按地址由低到高的存放格式为：0x0000，0x0000，0xFFFF，0x0000，0xFFFF，0x0000，0xFFFF，0x0000，0xFFFF，0xFFFF。
接收到数据后，取过采样到的每个16位二进制数据字的中间四位，若中间四位中1的个数不小于3，则表示收到当前的UART数据位值为1；若中间四位中0的个数不小于3，则表示收到当前的UART数据位值为0。否则认为数据传输出错。
4 程序设计
    在McBSP和DMA寄存器设置正确的基础上，利用TI公司提供的Code Composer Studio集成开发环境编写了UART串口通信软件，软件开发中使用了CSL（片上支持库），使整个开发过程快速、直观、具有很强的可读性。程序流程如图所示：     





图4 TMS320VC55x UART程序流程图
5 实验分析
硬件和软件设计完成后，进行了测试实验，实验上位机为PC机，DSP处理器为TI公司的TMS320VC5509A，通信波特率为19200，DSP外部晶振频率为20MHz，CPU时钟频率为100MHz，UART数据格式为1位起始位，8位数据位，1位停止位，无校验。多次实验结果表明数据发收准确，无误码现象发生。
6 结论
    DSP系统直接与外部全双工异步串行设备的通信时，通过正确的使用DSP上的McBSP和DMA通道，利用16倍过采样原理准确的计算McBSP通信接口的采样值和配置相关寄存器，能够实现DSP与外部异步设备的可靠通信。与传统的采用串并转换芯片的实现方法相比，具有更低的成本更简单的外部电路。本文中的程序针对TI公司的TMS320VC5509x DSP芯片编写，通过对少数寄存器的修改，该程序可直接应用于TI公司的C5000和C6000系列DSP芯片上。
   本文作者创新点：提出了一种直接利用DSP的McBSP接口和DMA通道实现UART的方法，具有实现成本低，硬件电路简单，移植性强等特点。

参考文献：
1 TMS320VC5509A Fixed-Point Digital Signal Processor Data Manual. Texas Instruments
2 TMS320VC5501/5502/5503/5507/5509/5510 DSP Multichannel Buffered Serial Port (McBSP) Reference Guide. Texas Instruments
3 Implementing a Software UART on the TMS320C54x with the McBSP and DMA. Texas Instruments
4 TMS320VC5503/5507/5509/5510 DSP Direct Memory Access (DMA) Controller Reference Guide
5 TMS320C55x Chip Support Library API Reference Guide. Texas Instruments
6 TMS320C6000 McBSP: UART. Texas Instruments
7 安颖，刘丽娜.基于DSP的高速信号采集与处理系统的设计【J】.微计算机信息，2005，1：57-58。