0 引言

    微處理器DSP是一種為實現數字信號處理算法而生的器件^[1]，其硬件結構上的特殊性表現在內部存儲器采用程序總線和數據總線分開的哈佛結構，具有專門的硬件乘法器^[2]。但在嵌入式DSP系統應用領域中，一般需要它同時與多個外部設備進行數據交互和通信^[3]，其中串行通信接口因其簡單可靠，仍是目前廣泛采用的技術^[4]，而當前的DSP的串口較少，滿足不了多路串行通信接口能力。

    本文采用高速浮點處理器DSP作為嵌入式飛行控制系統的核心處理芯片，可實時地完成系統運算和控制，充分發揮DSP在數字信號處理方面的技術優勢^[5]。設計了一種基于TMS320C6748的多路串行通信接口電路，采用異步通信協議芯片TL16C754和3-8譯碼器74LS138實現多路串行通信接口的集成與擴展，底層驅動基于TI的實時操作系統內核SYS/BIOS進行開發。不但減小了軟件開發難度，而且可以保障系統的穩定性，使得開發周期大大縮短。

1 硬件電路設計

1.1 系統架構設計

    基于DSP處理器的多路串行通信接口系統（以下簡稱接口系統）主要由控制電路和接口電路組成，系統架構如圖1所示。其中，控制電路是系統的核心處理模塊，主要包括DSP處理器、存儲器、復位電路、時鐘電路、電源電路和JTAG等輔助電路；接口電路是實現多路串行通信的模塊，主要包括協議處理器、譯碼器、隔離電路和電平轉換電路等。

1.2 控制電路設計

    核心處理器DSP選用TI的浮點運算低功耗芯片TMS320C6748，其主頻為456 MHz，具有高達3 648 MIPS和2 756 MFLOPS的運算能力。

    時鐘電路采用時鐘信號為24 MHz OSC外部時鐘晶體輸出。

    電源電路采用集成電源供電方式，即內核電壓和I/O電壓通過同一塊電源模塊供電，內核電壓為1.2 V，I/O電壓為1.8 V和3.3 V，本系統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。

    復位電路采用基于IPM811復位芯片進行設計，該芯片不僅具有上電復位和手動復位功能，而且還具有電源電壓監控功能，可輸出最小持續時間為140 ms的低電平有效復位信號。

    RAM存儲器采用TI的低功耗高速RAMMT47H64M16芯片，可為DSP提供更大的程序執行/數據存儲空間。Flash存儲器采用SPANSION公司的S29GL128N芯片，用于系統軟件的固化存儲。

1.3 接口電路設計

    協議處理器采用TL16C754芯片，它是一款通用異步串行通信控制器，具有自動軟件/硬件流控制能力，具有可以儲存、緩沖兩個異步時鐘之間數據傳輸^[6]的64字節FIFO，并且通過可編程實現不同觸發水平來中斷；可編制數據為5 bit、6 bit、7 bit或8 bit，用于UART并行數據和串行數據的格式轉換。譯碼器采用3-8譯碼器74LS138芯片，可進行8 bit數據轉換。

    系統通過TMS320C6748的EMIF數據總線與16C754A的8 bit數據總線連接，將TL16C754的地址配置在EMIF映射空間內，TMS320C6748的EMIF地址總線通過3-8譯碼器74LS138用于擴展8 bit片選信號，實現對8路RS422接口信號的選通。

    隔離電路采用ADI公司的六通道數字隔離器ADuM7643，實現接口電路的數字隔離。

    電平轉換電路采用驅動總線收發器MAX490，實現RS422信號收發功能。它是一款低功耗收發器，用于RS422等串行數據接口標準系統中^[7]，內部有驅動和接收兩個模塊，最大傳輸速率為2.5 Mb/s。

    在硬件設計中，采用EMIF接口8位數據線與TL16C754端口一一對應，保證DSP與外部設備的正常通信，當外部數據發送過來，會觸發DSP的外部中斷。在譯碼器電路中，通過3個地址信號產生8路不同的片選信號，當譯碼器產生一路選通，對應的并行數據就會傳輸到總線上，等待接收，接口電路原理圖如圖2所示。

2 驅動軟件實現

    DSP驅動軟件是基于TI的SYS/BIOS操作系統進行設計開發，開發環境選擇CCS5.5(Code Composer Studio)。系統的軟件分為：系統初始化模塊、UART驅動模塊、系統中斷模塊。利用SYS/BIOS的多線程中斷控制來實現多路串行通信接口的功能，系統上電后硬件系統自動將Flash存儲器中的程序加載到256 KB的片內存儲器中開始運行。

    首先，執行對設備的CPU初始化，運行cinit初始化運行環境，調用SYS/BIOS系統函數初始化系統配置；然后調用main函數，完成EMIF總線與時鐘等的初始化，完成系統自檢、數據結構初始化、UART初始化等工作。在main函數結束返回后，調用BIOS_start，使能硬件中斷，開始按優先級檢測并執行串口硬件中斷服務子程序，軟件的功能在這些中斷任務的驅動下完成，串口中斷主要完成數據的接收。

    本系統的軟件主要由DSP完成EMIF總線的讀寫時序和TL16C754的寄存器控制信號。

    (1)系統的初始化。初始化主要包括PLL配置，管腳復用控制寄存器（PINMUXReg）的配置，電源控制寄存器(PSC)的配置。因為TMS320C6748的管腳大多是復用的，所以需要根據應用條件配置相應的PINMUX寄存器。PSC是C67x的一大特色，通過配置PSC可獨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沒有獨立的外部中斷引腳，是通過配置GPIO作為中斷源信號，在配置中斷時應注意配置中斷的方向和觸發方式。

    (3)時序控制。通過配置CE4CFG寄存器對CE4空間的讀寫操作進行控制。CE4CFG可以控制建立、選通、保持時間和數據寬度。本文將UART擴展在EMIFA的CE4空間商，CE4擴展空間的基地址為0x64000000，對UART進行讀寫操作時，對0x64000000地址進行操作即可。DSP處理器通過WE、OE和CE4信號控制串口芯片，但需要3 bit地址線和CE4通過譯碼器片選8路UART信號。DSP對異步接口的讀取周期由建立時間、選通時間和保持時間組成。其關鍵程序設計如下：

    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，所以采用8路UART共享一個中斷資源的方式，在SYS/BIOS中調用中斷4（INT4）并行處理8路UART數據，其中斷處理流程如圖3所示。

3 系統試驗驗證

3.1 單路串行接口測試

    隨機選取一路串口進行試驗測試。首先，將接口系統的通信接口與PC的RS232串口相連，PC按指定的配置參數啟動串口通信，利用上位機測試軟件，向接口系統發送數據。該接口系統采用中斷方式對串口數據進行接收，數據接收完整后，接口系統會將數據轉發出來，PC收到后將其與原始數據比較，檢驗是否一致，若一致，上位機測試軟件顯示串口測試成功，其測試結果如圖4所示。試驗結果表明，單路串行通信接口數據傳輸完整可靠。

3.2 雙路串行接口測試

    現場測試時，隨機選取接口系統的兩路RS422串口與外部的GPS接收機和IMU的串口連接，接口系統的通信接口與PC的RS232串口連接。利用兩個串口同時接收GPS接收機和IMU數據幀，存入相應的數據緩存單元。接口系統DSP內部驅動不斷檢測是否接收到一幀的GPS和IMU數據，若正確收到，則利用上位機測試軟件顯示出來，并以數據文件的格式存儲下來。試驗測試后，打開數據文件，所設計的多路串行通信接口能完整地接收GPS和IMU數據。其測試結果如圖5所示。試驗結果表明，雙路串行通信接口數據傳輸完整可靠。

4 結論

    本文對基于DSP的多路串行通信接口系統進行了設計，該系統硬件接口電路簡單，調試方便。采用DSP的EMIF控制方式完成數據的傳輸，通過異步通信協議芯片和譯碼器實現接口的集成與擴展，解決了DSP內部存儲器與外設之間數據傳輸的速度問題，減輕了DSP的運算負荷，提高了串行通行的實時性和可靠性。底層驅動基于SYS/BIOS實時操作系統設計開發，不但減小軟件開發難度，而且可以保障系統的穩定性，使得開發周期大大縮短。通過試驗測試，所設計的多路串行通信接口系統能夠接收多路數據，數據傳輸完整可靠，現已應用于某預研項目中，為其后續的開展提供了有力保障。

參考文獻

[1] 于鳳芹.TMS320C6000DSP結構原理與硬件設計[Ｍ].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[2] 張曉峰，李悅麗，黎向陽，等.一種基于FPGA和SC16C554實現多串口通信的方法[J].電子技術，2009，46(6)：34-36.

[3] 李海洋.基于DSP和FPGA的多功能嵌入式導航計算機系統設計[D].南京：南京航空航天大學，2003.

[4] 劉鳳新，趙堅固.基于FPGA的多路并行獨立串口的實現[J].儀表技術與傳感器，2010(11)：44-46.

[5] 史曉鋒，李錚，蔡志權.基于DSP的高速數據采集與處理系統[J].電子技術應用，2001，27(6)：78-80.

[6] 喻少林，韓波，李平.基于FPGA的飛控計算機多路串行通信設計[J].計算機工程，2011，37(20)：242-245.

[7] 蔣艷紅.基于FPGA的UART設計與應用[J].計算機工程，2008，34(21)：225-226.

作者信息:

楊慶國，陳  軍，肖貴林

(湖南云箭集團有限公司，湖南 長沙410100)