详解TMS320VC5410的McBSP串行接口技术与程序设计

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一、DSP的串行接口技术

　　DSP是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号。再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。
　　如今，嵌入式系统正迅速向低功耗、低成本、小体积、高性能、高速率方向发展。随着串行接口技术的不断成熟，逐步达到了以上设计要求，成为重要的接口方案。尤其在数字信号处理器方面，串行口的重要性体现得更加突出，几乎所有的数字信号处理器都提供了一个或多个串行接口，并且随着数字信号处理器的更新换代，其相应的串行接口，在功能上不断强化，性能上不断提升。
　　与并行接口相比，串行接口的最大优点就是减少了DSP的引脚数目，降低了接口设计的复杂性。通常，串行接口提供全双工同步操作，输入和输出数据以位为单位的串行方式进行处理。目前，世界各主要半导体制造商提交了许多不同的串行协议，其中一些已经成为工业标准。典型的串行协议包括：MOTOROLA（Austin,TX）的串行外围设备接口SPI和队列SPI（QSPI）、PHILIPS（Sunnyvale，CA）、National Semiconductor的微总线（microwire）。



　　图1是典型的SPI协议。SPI协议采用主从设置，相互连接的设备中一个作为主设备，其他的设备作为从设备。接口连线主要包括以下4条信号线：
　　（1）串行数据输入信号线，即MISO（Master InSlave Out）；
　　（2）串行数据输出信号线，即MOSI（Master Out-Slave In）；
　　（3）移位时钟信号线，即SCK；
　　（4）从设备片选信号线，即SS。
　　二、TMS320VC5410的多通道缓存串行口——McBSP
　　1.McBSP的功能特点
　　TMS320V5410是TI生产的第二代低功耗TMS320C5000系列定点数字信号处理器，提供了3个高速、全双工、多通道缓存串行口McBSP，每个串行口可以支持128通道，速度达100Mbit/s。McBSP是在标准串行接口的基础之上对功能进行扩展，因此，具有与标准串行接口相同的基本功能：
　　（1）全双工通信；
　　（2）拥有两级缓冲发送和三级缓冲接收数据寄存器，允许连续数据流传输；
　　（3）为数据发送和接收提供独立的帧同步脉冲和时钟信号；
　　（4）能够与工业标准的解码器、模拟接口芯片（AICs）和其他串行A/D和D/A设备直接连接；
　　（5）支持外部移位时钟或内部频率可编程移位时钟。
　　此外，McBSP还具有以下特殊功能：
　　（1）可以与IOM-2、SPI、AC97等兼容设备直接连接；
　　（2）支持多通道发送和接收，每个串行口最多支持128通道；
　　（3）串行字长度可选，包括8、12、16、20、24和32位；
　　（4）支持μ-Law和A-Law数据压缩扩展；
　　（5）进行8位数据传输时，可以选择LSB或MSB为起始位；
　　（6）帧同步脉冲和时钟信号的极性可编程；
　　（7）内部时钟和帧同步脉冲的产生可编程，具有相当大的灵活性。
　　2.McBSP寄存器的访问
　　TMS320VC5410包含3组多通道缓存串行口，每组多通道缓存串行口有23个寄存器与之相关，除RBR[1,2]、RSR[1,2]、XSR[1,2]之外，其中15个寄存器是可寻址寄存器。由于数据页0的存储空间限制，有些寄存器必须通过子地址寻址方式来访问。SPSA_x是子地址寄存器，欲访问指定的寄存器，只要把相应的子地址写入SPSA_x就可以了。表1列出了McBSP的子地址寄存器。
　　表1 McBSP子地址寄存器





　　
　　假如要对McBSP1的发送控制寄存器2（XCR2_1）进行设置。首先，将子地址0x0005写入子地址寄存器（SPSA_1），与此同时，存储单元0x0049就映射为发送控制寄存器2（XCR2_1）。然后，对存储单元0x0049的读写操作，就相当于对发送控制寄存器2（XCR2_1）进行操作。
　　例：设置McBSP1的发送控制寄存器2（XCR2_1）。



　　3.McBST的SPI接口设计
　　McBSP的时钟停止模式与SPI协议兼容。当设置McBSP为主设备时，发送端输出信号（BDX）就作为SPI协议的MOSI信号，接收端输入信号（BDR）就作为SPI协议的MISO信号。发送帧同步脉冲信号（BFSX）作为从设备片选信号（SS），而发送时钟信号（BCLKX）就与SPI协议的串行时钟信号（SCK）相对应。由于接收时钟信号（BCLKR）和接收帧同步脉冲信号（BFSR）与发送端的相应部分在内部相互连接，因此这些信号不用于时钟停止模式。McBSP设置为主设备时，SPI协议连接如图2所示。



　　三、McBSP接口举例
　　1.高精度数模转换器MAX541
　　MAX541是16位串行输入、电压输出数模转换器，+5V单电源供电。DAC输出非缓冲，因此只有0.3mA的低供电电流和1LSB的低漂移误差。DAC输出范围为0V至VREF。MAX541采用3线串行接口，兼容于SPITM/QSPITM/MICROWIRETM等串行通信协议。MAX541最高可以获得500×10 3采样点/秒的通过率，满足大多数应用的要求。MAX541采用8引脚DIP或SO封装。MAX541各引脚描述如表2所列。
　　表2 MAX541引脚说明



　　2.McBSP与MAX541的接口电路
　　TMS320VC5410与MAX541的接口电路如图3所示。



　　为使MAX541获得高分辨率和高精度，可以由MAX873提供高精度的+2.5V低阻抗基准电压源。为了消除高频和低频干扰，必须在REF引脚与模拟地之间接入退耦电容。由于AX541的数字输入DIN与TTL/CMOS逻辑电平兼容，因此，可以与TMS320VC5410的串行输出BDX直接连接。此外，必须严格隔离模拟地AGND和数字地DGND,最后在MAX541的AGND引脚上将模拟地和数字地连接在国起，构成星形的地线系统。在MAX541的输出端接入电压跟随型运算放大器MAX495。表3是数字输入代码与模拟输出电压之间的对应关系。
　　表3 MAX541单极性接口



　　DSP的发送帧同步脉冲信号（BFSX）作为MAX541的片选信号（CS），而发送时钟信号（BCLKX）作为MAX541的串行时钟输入。MAX541的三线接口电路时序如图4所示。



　　图4所示，在片选信号CS由高电平转变为低电平的同时，串行数据按照从最高有效位到最低有效位的顺序，在串行时钟的每个上升沿逐位移入片内的输入寄存器。
　　3.软件设计
　　下面通过产生国个锯齿波的例子来说明TMS320VC5410与MAX541之间的软件设计。
　　当McBSP作为SPI通信的主设备，由它为从设备提供时钟信号，并控制数据的传输过程。CLKX引脚上的时钟信号必须在数据包传输期间使能，当没有数据包传输时，时钟信号根据所采用的极性保持高电平或者低电平。通常，通过McBSP的采样率发生器产生10MHz时钟信号，由BCLKX引脚输出，作为MAX541的串行时钟输入信号。McBSP利用BFSX引脚为MAX541提供片选信号，因此必须正确设置帧脉冲发生器，使之在每个数据包传输期间产生帧同步脉冲，即在数据包传输的第一位转变为有效状态（在本例中为低电平有效，取决于MAX541的片选信号CS），然后维持有效状态直到数据包发送完毕。此外，根据SPI传输协议，必须正确设置数据发送延迟时间（XDATDLY=01b），由图4可知，在帧同步脉冲有效之后，大约延迟了一个时钟周期才进行串行数据的发送。根据图4所示的时序图，为McBSP选择一种合适的时钟方案，即设置McBSP的时钟停止模式。在本例中采用时钟停止模式3（CLKSTP=10b、CLKXP=1），其时钟方案如图5所示。



　　表4列出了一些与SPI设置相关的寄存器位。
　　表4 与SPI设置相关的些寄存器位



　　4.程序清单
　　程序首次初始化TMS320VC5410，使数据页指针（DP）为0，并且禁止中断。TMS320VC5410外接10Hz的时钟频率发生器，通过锁相环电路倍频至100MHz。接着初始化TMS320VC5410的多通道缓存串行口McBSP。最后，响应XRDY中断发送数据。












　　结束语
　　本文介绍了TMS320VC5410的多通道缓存串行口（McBSP）的功能特点，并结合实例子着重讨论了如何利用SPI接口协议实现McBSP与其他串行器件之间相互通信。