基于单片机的TMS320VC5402的HPI通信设计

    摘要:DSP在与多个外设进行通信时，通常需要对DSP的串口进行扩展。本文详细介绍了利用AT89C2051单片机对TMS320VC5402 DSP芯片进行串口扩展，并且采用一种基于C语言的中断编程方法实现异步串行通信。本文给出了具体的设计方案，并给出了硬件接口和软件编程实例，并且利用PC机进行通信。本文给出了硬件连接电路和用FPGA作为总线仲裁器的设计思路，介绍HPI口的操作过程，单片机与微机串口之间通信的硬件设计方法。 

    本文所介绍的是我所正在研制的卫星CDMA接收机末端DSP与微机串口通信的接口电路。由于CDMA接收机支持两个独立CDMA信道的接收,并将两路解调后的数据分别经串口送至不同的计算机做后续的处理,故接收机需要带两个RS232接口。 

    微机的异步串口与DSP处理器通信的方法通常有三种,种方法是采用异步通信芯片扩展串口,如用TI公司的TL16C550完成数据的串/并、并/串变换。由于TL16C550提供了丰富的控制管脚和应答信号,对其只需设置一些寄存器就可进行灵活的控制,故编程比较简单,但对其数据的读取或写入则需要用到DSP的数据总线。第二种方法是将DSP的I/O口XF和,或者将DSP的McBSP口用软件模拟成异步串口。用这种方法,虽然DSP与微机串口之间无需串/并变换器件,硬件构成十分简单,但DSP的编程比较复杂,用I/O口线模拟串口需要占用两个定时器资源,并且只有在DSP操作不繁忙的情况下这种方法才可行。第三种方法是用单片机实现数据的串/并、并/串转换。与种方法相比较,这种方法增加了对单片机的编程,但单片机可以作为控制器操作DSP的HPI口,对DSP存储器的数据收发可完全由单片机发起,DSP几乎无需作任何操作,也无需用到数据总线。在DSP处理过程复杂、运算量大的情况下,这种方法特别有用。 

    在本系统中,我们采用的DSP处理器是高性能、低功耗的TMS320VC5402,用以实现系统的MAC层控制和数据的编、解码工作,处理器的工作量很大。另外DSP数据总线需要与作为基带处理器的FPGA芯片(APEXEP20K600E)交换数据,为避免引入额外的控制逻辑实现与数据总线复用,采用单片机控制HPI口的方法实现DSP与双串口的通信。考虑到FPGA芯片的存在及节省成本,没有采用价格贵且需用仿真器开发的双串口单片机(如DS80C320),而是采用两片AT89C2051,并借用物理层FPGA的冗余资源作为总线仲裁器来实现同样的功能。 

1 TMS320VC5402 简介

　　TMS320VC5402是TI公司C54x系列定点DSP芯片中的新产品它集中了此系列早期产品的优点，并提供了许多新的功能，开发和使用更加方便。C5402具有灵活的指令系统和操作性能，它可选择助记符指令或算术指令作为编程指令，同时支持汇编语言和C语言的单独或混合编程。C5402采用改进的Harvanl处理结构，指令流水线操作。计算和处理速度很高，系统单指令周期可达到10ns。在片内提供16k的RAM用作程序和数据存储，其可扩展寻址空间为1M字节。C5402提供的McBSP串口和DAM数据传送方式极大地方便它在通信领域的应用和开发。C5402由于其高性能价格而成为当前语言和静态图象处理和主流产品。

2 TMS320VC5402 HPI口结构

    HPI（主机接口）是主机与TMS320VC5402进行数据交换的8 bit并行数据口。该接口在TMS320VC5402芯片上，内部有数据寄存器（HPID），控制寄存器（HPIC）及地址寄存器（HPIA）。HPI口可用8 bit数据线传输16 bit的数据，并可通过设置控制寄存器的相关位来控制高8位和低8位传输。HPI有两种工作方式：一种是主机独占模式 （HOM）； 另一种是主机和TMS320VC5402共享模式（SAM）。其中SAM是通用方式，二者都可寻址HPI存储器（DARAM）。当二者产生冲突时，主机具有较高的优先权，而在TMS320VC5402插人一个等周期。通过HPI传输的数据率是每5个CLKOUT时钟周期传输1字节。

　　HPI通信主要是通过对HPIA、HPIC和HPID3个寄存器赋值来实现的。简单地说，HOST通过外部引脚HCNTL0和HCNTLl选中不同的寄存器后，就将当前8位数据发送到该寄存器中了。由于HPIC是16位寄存器，而HPI口总是传送8位数据宽度，所以用HOST向HPIC写数据时，需要发送两个一样的8位数据。对TMS320VC5402来说，仅低8位有意义。当地址寄存器HPIA选择后，直接向它写数据就可以了，但是要注意MSB和LSB的顺序。另外，HPIA具有自动增长的特性，即在每写入一个数据前和每读一个数据后HPIA都会自动加1。这样，如果使用了该功能，只需设定HPIA即可实现连续数据块的写入和读出，只是在实现时，数据应首先从主机发到HPID中，然后再根据HPIA指定的地址把HPID中的数据再写到片内RAM的地址中。

    HPI接口还提供了中断逻辑同主机进行软件握手。主机可通过对控制寄存器HPIC的第二位(DSPINT)置1中断DSP芯片;DSP芯片可通过对HPIC的第三位(HINT)置1中断主机,此时HPI的引脚被置为低电平,从而向主机发出中断请求;主机还可设置HPIC的位HINT为1使脚回到高电平,从而清除中断信号。 

    下面给出HPI口相关管脚说明: 

    HD0～HD7是8位双向数据线,与单片机P1口相连,用于交换数据。 

    HCNTL1/0的组合用于选择主机所访问的HPI寄存器,00表明主机访问HPIC;10表明访问HPIA;01和11均表明访问HPID,但01还表明同时启用HPIA自动增长的功能。 

    16bit数据传送时,HBIL为0表示传送的是字节,为1表明传送的是第二字节,其中高8位在第几个字节由HPIC中的BOB位决定。 

    

    HPI提供两种锁存方式,一种是由(主机地址锁存信号)的下降沿锁存各控制信号;另一种是由后三者共同完成,任何一个的下降沿锁存各控制信号。我们采用第二种方式,控制信号的锁存由的低跳变来完成。该锁存信号还指示了HPI口操作过程的开始。 

    HRDY为HPI准备好指示。 

    为DSP向主机发出中断的引脚。 

    HPIENA为HPI使能控制信号,高电平使能HPI操作。 

3 单片机的I/O口分配、连线和程序设计 

3.1 单片机I/O口分配

    在本系统中,考虑到板子的面积,选择了体积小的AT89C2051单片机,并省去了P0和P2口,增加了一个精密的模拟比较器,P1.0和P1.1除了作为I/O口(需外部电阻上拉)外,还同时作为比较器的正负极输入,而P3.6则专门用作比较器输出。因此AT89C2051提供了15根双向I/O口线,除去P3.0和P3.1用作异步串口和P1.0～P1.7用作与HPI口数据总线通信外,还有5根I/O口线可用。由于还需要控制HPI口的各控制信号和与DSP的握手信号,剩下的5根I/O口线显然不够,所以还在FPGA里设计一锁存器,把P1口用作控制/数据复用口。具体的I/O口信号分配如下: 

    P1.0～P1.7接HPI口的数据线HD0～HD7。当作控制信号复用时, 

    P1.0接FPGA内锁存器的锁存信号; 

    P1.1经FPGA锁存,控制HCNTL0; 

    P1.2经FPGA锁存,控制HCNTL1; 

    P1.3经FPGA锁存,控制HBIL; 

    P1.4经FPGA锁存,控制

    P3.2接HPI的; 

    P3.3接HPI的XF; 

    P3.4接HPI的HRDY; 

    P3.5为单片机请求发送信号,接FPGA的P3.5; 

    P3.7经FPGA控制锁存HPI的各控制信号

 

       图1给出了HPI接口与两片AT89C2051之间的连接图。 

 

 

3.2 单片机程序设计要点

    上面讲到,P3.5作为单片机的发送请求信号,当无数据发送时为高电平,当为低电平时则表示单片机想要发送数据,向总线仲裁器申请使用总线,总线仲裁器判断当前谁可以使用总线,然后通过外中断0中断DSP处理器,同时通过口告知DSP当前可以使用总线的单片机,终由DSP通过XF管脚集中控制单片机的总线使用权。单片机在获取总线使用权并发送完数据后,向HPI的控制寄存器的DSPINT位写1,用中断通知DSP。在单片机需接收数据时,DSP首先设置XF脚,选择由哪个单片机接收,然后设置脚为低,通过中断告知单片机进行接收。单片机从HPI口接收时也应置P3.5为低,以便保持总线仲裁器的单片机选择信号与XF脚一致。 

    在对单片机编程时需要注意以下几点:(1)由于两个单片机共享总线,为保证相互之间不会干扰,没有使用总线的单片机P1口必须处于高阻态。根据P1口的内部结构,单片机不使用总线时,往P1口写入0xFF即可达到这一目的。(2)由于P1口作为控制/数据信号复用口,故编程时,对每次HPI口操作,先在P1口送出控制信号,接着设置P1.0产生低→高的跳变,把控制HPI口的P1.1～P1.4信号锁存到FPGA内部的锁存器,这时P1口才能作为数据端口,在P3.7产生一低跳变后,发起数据传递。(3)编程时,应防止单片机被同时要求对HPI口进行收、发操作。这可以依据实际情况,灵活地进行处理,限于篇幅,不再赘述。 

4 总线仲裁器的设计

    总线仲裁器的功能主要是根据单片机P3.5的总线请求信号,选择当前可以使用总线的单片机,仲裁器的设计需做到单片机能够公平竞争总线使用权。在两个单片机竞争总线的情况下,用一个简单的状态机即可达到目的。状态机state仅有两个状态S0和S1,P3.5为高电平时,不申请总线,状态机保持原状态;P3.5为低电平时,则根据当前请求总线的单片机,状态机转换到相应的状态。如单片机同时申请使用总线,则保持当前的状态不变。下面给出状态转换表(S0表示选择单片机1,S1表示选择单片机2): 

    state,   MCU1_P3.5,   MCU2_P3.5     => state; 

     S0,        0,           x          =>  S0; 

     S0,        1,           0          =>  S1; 

     S0,        1,           1          =>  S0; 

     S1,        x,           0          =>  S1; 

     S1,        0,           1          =>  S0; 

     S1,        1,           1          =>  S1; 

    当状态机有状态变换时,用FPGA产生一个脉宽约为1μs的低电平脉冲。这一信号接DSP外中断脚,用于中断DSP,并且将状态机的当前状态通过脚告知DSP,指明正在请求使用总线的单片机。 

    此外,如前所述,FPGA内部还设置一锁存器,由P1.0的高跳变将P1口送出的HPI口控制信号锁存。至于控制的两个P3.7信号,在FPGA内部只需将两信号相与即可。 

4 单片机与微机串口的硬件连线

    在IBM PC/XT微机系统中,其串口符合RS-232C接口标准。为提高抗干扰能力,RS-232C标准采用负逻辑,低电平在-5V～-15V之间(通常用-12V表示)为逻辑“1”,高电平在+5V～+15V之间(通常用+12V表示)为逻辑“0”。上述电平称为EIA电平,它与TTL电平和CMOS电平不同。为了使AT89C2051能与微机进行串行通信,可以利用MAX232完成RS-232C电平与TTL电平的相互转换。图2给出了硬件连线图。 

 

 

    单片机程序在完成对串口的工作模式和波特率设置等初始化过程后,即可开始与串口通信。通信方式有查询方式和中断方式两种。由于查询方式需CPU不断查询标志位,程序效率不高,故在单片机操作比较繁忙时通常采用中断方式,具体的编程应用这里不再介绍。

    介绍了通过FPGA芯片作为总线仲裁器,实现微机双串口各自通过AT89C2051与DSP HPI口通信的设计方法。该电路与采用专用芯片的电路相比,并不显得复杂,比较实用。由于与DSP存储器之间的数据交换完全由单片机发起,DSP就可以从数据的传递中解脱出来,去完成更复杂的控制和运算。实践证明,这一电路能很好地达到我们的设计要求,在异步数据传输速率为9600bps情况下,可以可靠地实现微机双串口与DSP之间的通信。 

  

参考文献:

[1]. AT89C2051 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/AT89C2051_810086.html.
[2]. RS232 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/RS232_585128.html.
[3]. TL16C550 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TL16C550_650881.html.
[4]. TTL datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TTL_1174409.html.
[5]. MAX232 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/MAX232_1074207.html.