摘要：全雙工異步串行通信在TMS320C55xDSP上的通常實現方式是利用DSP的McBSP接口加外接芯片實現，這種設計方法增加了實現UART的硬件成本和電路設計復雜度。提出了一種直接利用DSP的MCBSP接口和DMA通道實現UART的方法，給出了使用C語言和CSL的編程方法。與傳統實現方法相比，具有實現成本低，硬件電路簡單，移植性強等特點，稍加修改可應用于C5000和C6000各系列芯片中。
關鍵詞：DSP；全雙工異步串行通信；多通道緩沖串口；DMA ；過采樣
1 引言：
MS320C55x數字信號處理器通過多通道緩沖串口（McBSP）提供了與外設的多種同步串行通信方式。然而，由于DSP中串行通信由數據信號、幀同步信號和時鐘3種信號配合實現，其中幀同步信號和數據信號由不同的數據線傳輸。而異步串行通信則在一根傳輸線上實現數據發送或接收，且不需要專門的時鐘信號線。因此DSP與異步設備的接口，如UART通信實現相對復雜，需要對McBSP的相關寄存器進行正確初始化。DSP中實現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，這種設計方法編程相對簡單，但增加了設計成本和電路復雜度。本文介紹了一種TMS320C55x DSP芯片利用McBSP和DMA直接實現UART的方法，基于該方法實現的DSP異步串行通信模塊已成功應用于控制偏振圖像采集處理的DSP硬件設備中。 www.51kaifa.com/
2 UART在DSP上的實現
異步串行通信要求DSP能夠模擬和檢測到UART的幀信號。由于DSP串口是同步串口，而且DSP時鐘為高速時鐘，經分頻或倍頻后無法保證與UART的異步串行時鐘精確同步。DSP的幀同步信號無法與UART的幀信號同步，造成串行通信信號中信號位的偏移。最好的解決方法是減小偏移和對接收的數據流進行過采樣，本文采用了對UART信號的16倍過采樣。www.51kaifa.com/
2．1 McBSP設置
DSP的McBSP通過3種信號實現同步通信：數據、幀同步和時鐘。異步通信發送和接收各在一條線上進行，具有自己的幀時序。
UART的通信時鐘由使用的通信波特率（每秒傳輸的數據位個數）決定，通常為2400，9600，19200等。DSP與UART異步通信時，由于DSP的內部時鐘頻率通常都不是UART時鐘頻率的整數位，因而會造成雙方通信時數據位的偏移，為了盡量減小這種偏移，McBSP的串口時鐘需要正確的設置時鐘頻率以達到與UART波特率相匹配。
數據包（PKTBITS）由起始位、數據位、奇偶校驗位和停止位組成，起始位為1位，停止位通常為1，1.5，2位，數據數通常為8位，如何使用校驗，那么數據包還包括1位校驗位。以上數據位中，每1位都被DSP以16倍波特率的時鐘頻率過采樣。
發送時，為保證UART能收到半個停止位，需要將DSP的McBSP發送端口設置為2相的數據幀。第1相為16位的數據字，第2相為8位的數據字。那么第1相數據長度為（起始位+數據位+校驗位）個字，第2相長度為停止位的字長。發送時的總幀長（TxPKTBITS）為這兩相的總字長。接收數據包格式與發送相似，其結構如圖2所示。DSP的串口發送引腳與外部串口設備的接收引腳相連，不使用FSX引腳和CLKX引腳。
接收時，McBSP通過接收幀同步信號引腳（FSR）檢測數據的到來，根據幀同步信號的不同，幀同步信號可配置成上升沿觸發或下降沿觸發，由于UART的起始位為低電平，因此使用下降沿觸發。將UART發送數據信號與McBSP的數據接收引腳DR和FSR相連，實現用UART的發送信號觸發McBSP的接收幀同步信號。在McBSP接收一幀數據期間，為了防止下降沿再次觸發一幀數據接收，McBSP應該設置為接收數據包期間忽略幀同步信號。
圖1 UART接收數據包的幀格式
接收完一幀數據后，需要對數據解碼，收于DSP發送和接收時鐘是UART串口時鐘頻率的16位，因此每個UART數據位對應于DSP中1個16位字（停止位對應8位字）。在McBSP接收寄存器中將接收幀設置為2相，第1相16位字，字長為RxPKTBITS（起始位+數據位+校驗位），第2相為8位字，對應于停止位字數。此外，接收幀延時值應該設置為1位。
3．2 McBSP時鐘采樣率設置
McBSP與UART通信時，McBSP接收到一幀的幀同步信號后，該幀期間之后出現的幀同步信號將被忽略。為了獲得最大數據流量，一幀數據發送結束時，其停止位后緊接著為起始位，幀同步信號的檢測依賴于停止位到起始位的下降沿。為了正確檢測到幀同步信號，高電平應該至少保持一個時鐘周期以上時間。
理想情況下，串口時鐘信號邊沿與數據位邊沿精確對應，此時，每個數據位對應16倍時鐘周期。起始位和串口時鐘的下降沿偏最小，如圖3所示。
圖2 McBSP串口時鐘與UART時鐘精確同步時的時序
正常通信時，McBSP的幀同步信號與UART串口的時鐘之間會有一定的偏差，如圖所示。
圖3 McbSP串口時鐘與UART時鐘存在偏差時的時序
存在偏差時，為保證McBSP能檢測到接收到信號的下降沿，McBSP的串口采樣時鐘頻率必須準確設置。其設置方法如公式1、2所示。其中，DIV是McBSP寄存中串口采樣時鐘分頻值，DSPCLK是DSP的CPU時鐘頻率，baudrate為通信波特率。
（1）
（2）
通信波特率為19200，DSP時鐘頻率為75MHz，接收數據包為10位（1位起始位，8位數據位，無校驗，1位停止位：PKTBITS=10，RxPKTBITS=9.5），根據公式1計算得DIV ，由于分頻值DIV為整數，因此取DIV 。根據公式2計算得DIV ，取整后得DIV 。取DIV最佳值為244。TMS320VC55x DSP以常用波特率通信時的分頻值如表1所示。
表1 常用波特率下TMS320VC55x的McBSP串口DIV值
|
|
75-MHz DSP Clock |
100-MHz DSP Clock |
||||
|
Baud Rate |
Divisor Minimum |
Exact Divisor |
Divisor Maximum |
Divisor Minimum |
Exact Divisor |
Divisor Maximum |
|
19200 |
240 |
244.14 |
248 |
320 |
325.52 |
331 |
|
38400 |
120 |
122.07 |
124 |
160 |
162.76 |
165 |
|
57600 |
80 |
81.68 |
82 |
107 |
108.51 |
110 |
|
115200 |
40 |
40.69 |
41 |
54 |
54.25 |
55 |
3．2 DMA設置
UART通信時，DSP發送和接收到的數據存儲在數據存儲器中，為了實現DSP的高速處理，減少DSP響應McBSP數據寄存器中斷的次數。發送和接收數據與McBSP發送和接收寄存器DXR和DRR之間的數據傳輸通過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作為數據接收通道，DMA通道5做為數據發送通道。將通道4和通道5的同步事件分別設置為McBSP串口接收事件和串口發送事件，DMA通道4的源地址為McBSP的接收寄存器DRR地址，目的地址為數據存儲器中存放接收數據的變量地址；DMA通道5的源地址為數據存儲器中待發的數據，目的地址為McBSP的DXR寄存器地址。每當McBSP接收到數據時，會觸發DMA通道4將接收到的數據拷貝到DSP數據存儲器的相應置，同時目的地址指針自動加1；發送數據時，DMA通道5將待發送數據拷貝到DXR，將數據依次發出。
發送數據時，待發字符被打包成適于UART接收的數據格式，以發送16進制無符號數0xAA為例，首先發送起始位，然后是數據位最低位，最后發送停止位。該數值在數據存儲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。
接收到數據后，取過采樣到的每個16位二進制數據字的中間四位，若中間四位中1的個數不小于3，則表示收到當前的UART數據位值為1；若中間四位中0的個數不小于3，則表示收到當前的UART數據位值為0。否則認為數據傳輸出錯。
4 程序設計
在McBSP和DMA寄存器設置正確的基礎上，利用TI公司提供的Code Composer Studio集成開發環境編寫了UART串口通信軟件，軟件開發中使用了CSL（片上支持庫），使整個開發過程快速、直觀、具有很強的可讀性。程序流程如圖所示：
圖4 TMS320VC55x UART程序流程圖
5 實驗分析
硬件和軟件設計完成后，進行了測試實驗，實驗上位機為PC機，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時鐘頻率為100MHz，UART數據格式為1位起始位，8位數據位，1位停止位，無校驗。多次實驗結果表明數據發收準確，無誤碼現象發生。
6 結論
DSP系統直接與外部全雙工異步串行設備的通信時，通過正確的使用DSP上的McBSP和DMA通道，利用16倍過采樣原理準確的計算McBSP通信接口的采樣值和配置相關寄存器，能夠實現DSP與外部異步設備的可靠通信。與傳統的采用串并轉換芯片的實現方法相比，具有更低的成本更簡單的外部電路。本文中的程序針對TI公司的TMS320VC5509x DSP芯片編寫，通過對少數寄存器的修改，該程序可直接應用于TI公司的C5000和C6000系列DSP芯片上。
本文作者創新點：提出了一種直接利用DSP的McBSP接口和DMA通道實現UART的方法，具有實現成本低，硬件電路簡單，移植性強等特點。
參考文獻：
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 安穎，劉麗娜.基于DSP的高速信號采集與處理系統的設計【J】.微計算機信息，2005，1：57-58。