利用ST16C554D實現DSP多路串行通訊

2004年11月A版

摘  要：    給出了DSP多路串行通信系統的構成及相關程序代碼。
關鍵詞：    DSP；串行通訊；ST16C554D；TMS320VC33
引言
    DSP是數字信號處理理論與超大規模集成電路技術融合的結晶。目前，DSP技術正廣泛地應用于通信、語音、圖像、航空航天、儀器儀表等領域，在推動信息處理數字化方面發揮著越來越大的作用。隨著應用領域越來越廣，應用環境也越來越復雜，如何實現DSP與外設的可靠數據交換就變得至關重要。串行通訊成本低，結構簡單，控制方便，DSP和外設的通訊通常都采用這種方式。
    TMS320VC33是TI公司一種浮點DSP芯片，性價比高，指令執行速度可達150 MFLOPS。但是為了不使其強大的計算能力受到影響，TMS320VC33僅提供了一個串口，要實現多路串行通訊，就必須通過外部器件來擴展。

ST16C554D
    ST16C554D是EXAR公司生產的通用異步通信芯片，可支持4路獨立的串行通訊。芯片的每路傳輸和接收單元都提供了獨立的串并轉換和并串轉換，以實現串行異步數據接收同步。串行數據流的同步通過添加起始位和停止位實現，而數據的完整性通過校驗位來確認，在同一塊芯片上要集成這種多路串行通訊是較為復雜的，ST16C554D采用了先進的CMOS處理技術，達到了低損耗和高速率的要求。
    與普通處理器相比，ST16C554D提供了16字節的接收和發送FIFO，這就允許外部CPU在給定的時間內處理更多的在線任務，并減少了全局的UART中斷服務時間。
另外，ST16C554D將16C554D和68C554D的兩種封裝集成在同一個芯片上，使用方便。16模式用于與INTEL系列芯片接口，而68模式用于與MOTOROLA和其他通用接口。
ST16C554D特性有：

TMS320VC33多路通訊系統的實現
    圖1是某捷聯慣性導航系統的部分原理框圖，通過ST16C554D實現了DSP芯片TMS320VC33的多路串行通訊。圖中三個陀螺為光纖陀螺，陀螺數據采用RS-422串行輸出，輸出周期為1ms。
    圖中，ST16C554D的讀寫信號和通道片選由DSP的選通信號STRB、地址信號A3-A6及讀寫信號R/W產生。為了使整個系統成為完全可編程系統，采用了一片可編程邏輯器件GAL20V8B來實現邏輯控制，從而增加了系統的靈活性。GAL芯片采用ABEL語言編程。ST16C554D譯碼電路的邏輯方程如下：
EQUATIONS
      !CSA=!PAGE3&!AR6&!AR5&!AR4!&!AR3;
      !CSB=!PAGE3&!AR6&!AR5&!AR4&AR3;

      !CSC=!PAGE3&!AR6&!AR5&AR4&!AR3;
      !CSD=!PAGE3&!AR6&!AR5&AR4&AR3;
      !IOR=!PAGE3&RW&!STRB;
      !IOW=!PAGE3&!RW&!STRB;
    本系統中，ST16C554D的通道D用作監控口和PC機接連，通道A、B、C的接收端用于接收陀螺數據，通道C的發送端也與PC機相連，可在通道D的監控下高速發送各陀螺的原始數據。例如，PC機向通道D發送指令“$A＃”，DSP接收到該指令后將X陀螺的原始采樣數據從通道C高速發送至PC機。
    通道D采用RS-232方式，波特率為19.2Kbps，用MAX232實現電平轉換后可直接和PC機串口連接。通道A、B、C采用RS-422方式，波特率為460.8Kbps，可用MAX3095芯片做接收電平轉換，用MAX3045芯片做發送電平驅動。考慮通道C發送端要和PC機相連，而PC機串口僅支持RS-232協議，故系統使用了PCI1601轉換卡。PCI1601帶有兩個9針的RS-422串口，采用PCI總線和PC機相連，安裝驅動后使用方法和普通PC機串口一致，波特率可達921.6Kbps。
    在串行通訊中，為了保證傳輸可靠性和數據實時性，發送常采用查詢方式，接收常采用中斷方式。但在本系統中，TMS320VC33要執行導航解算程序，若4路接收均采用中斷方式會嚴重影響它的計算能力。考慮A、B、C口陀螺數據爆發周期固定為1ms，且D口由PC機發來的監控指令數據量不大，接收可采用定時查詢方式。
    系統中三個陀螺通過1KHz時鐘實現同步。陀螺數據每幀包含7個字節，傳輸波特率460.8Kbps，采用偶校驗，8位數據位，1位停止位，故可以算出每次傳輸時間需要為(8+3)*7/460.8=0.167ms。所以系統將1KHz時鐘經SN54HC174J芯片延時0.2ms后作為TMS320VC33外接的定時時鐘。這樣，TMS320VC33在INT0產生1ms中斷時，數據已傳輸完成，可以在中斷服務函數中將所有通道的寄存器查詢一遍并讀空數據。由于ST16C554D的每路串口有16字長的接收FIFO，該方法不會產生數據丟失，并且延遲很小。

程序設計
    在異步串行通訊中，收發雙方必須事先規定兩件事：一是字符格式，即規定傳送中每個字符的具體格式；二是波特率。這些規定是通過設置相關寄存器來實現的。
    本系統中，ST16C554D外接晶振7.3728MHz，基地址為0xC00000，由TMS320VC33編程實現它的初始化設置。TMS320VC33的程序在Code Composer C3X 下用C語言編寫，下面僅給出通道C的初始化代碼及收發程序，其他通道與此類似。
#define C_rx_buf_size 100        //接收緩沖區大小
#define C_tx_buf_size 100        //發送緩沖區大小
unsigned char C_rx_buf[C_rx_buf_size];     //接收緩沖區
unsigned char C_tx_buf[C_tx_buf_size];     //發送緩沖區
unsigned int p_C_rx_w=0;         //接收緩沖區寫指針
unsigned int p_C_tx_w=0, p_C_tx_r=0;    //發送緩沖區讀寫指針
volatile int *Add_C_RHR = (volatile int *)0xC00010;     //C口基地址
volatile int *Add_C_THR = (volatile int *)0xC00010;
volatile int *Add_C_DLL = (volatile int *)0xC00010;
volatile int *Add_C_IER = (volatile int *)0xC00011;
volatile int *Add_C_DLM = (volatile int *)0xC00011;
volatile int *Add_C_ISR = (volatile int *)0xC00012;
volatile int *Add_C_FCR = (volatile int *)0xC00012;
volatile int *Add_C_LCR = (volatile int *)0xC00013;
volatile int *Add_C_MCR = (volatile int *)0xC00014;
volatile int *Add_C_LSR = (volatile int *)0xC00015;
volatile int *Add_C_MSR = (volatile int *)0xC00016;
void init_ST16C554D_C( )     //串口C口的初始化函數
{    *Add_C_LCR = 0x80;    //使能波特率因子寄存器
    *Add_C_DLM = 0x00;        
     *Add_C_DLL = 0x01;    //設置波特率為460800
                   (主頻7.3728M)
    *Add_C_LCR = 0x1b;    //選擇字長為8位，停止位為
                    1位，偶校驗
    *Add_C_FCR = 0x07;    //選擇FIFO MODE
    *Add_C_IER = 0x00;    //禁止中斷
    *Add_C_MCR = 0x08;    //選擇NORMAL MODE
}
void Read_ST16C554D_C( )//串口C口的接收函數，置于INT0中斷函數中
{    while( (*Add_C_LSR) & 0x01 )      //判C口線狀態寄存器
     {      *( C_rx_buf + p_C_rx_w) = (*Add_C_RHR) & 0x0ff;                        //接收數據送接收緩沖區
           p_C_rx_w ++;        //接收緩沖區指針加1
           if(p_C_rx_w == C_rx_buf_size)    p_C_rx_w = 0;                        //接收緩沖區指針回零
      }
}
void C_tx_handle()        //串口C口的發送函數
{    while(p_C_tx_r != p_C_tx_w)
    {    if( *Add_C_LSR & 0x20 )    //判C口線狀態寄存器
        {   *Add_C_THR = *(C_tx_buf + p_C_tx_r);                    //發送
        p_C_tx_r ++;                                 //發送緩沖區指針加1
        if( p_C_tx_r == C_tx_buf_size )    p_C_tx_r = 0;                    //發送緩沖區指針回零
        }
    }
}

結語
在筆者開發的光纖陀螺捷聯式慣性導航系統中，通過使用ST16C554D擴展了4路串口，電路簡單，傳輸速率高，延時小，并且極大地減輕了主控計算機TMS320VC33的負擔。本設計，在通訊中各通道長期工作正常，完全達到了預期目的。

參考文獻：
1.  ST16C554D data manual. EXAR Corporation
2.    TMS320VC33 Digital Signal Processor. Texas Instruments.2002

圖1 多路通訊原理框圖