一种基于TMS320C55x DSP的UART通信设计

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    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

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75-MHz DSP Clock[/td]

100-MHz DSP Clock[/td][/tr]
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Baud Rate[/td]


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