多路异步串行通信系统在光纤陀螺组合中的设计与实现_通信网络论
关键词：数字信号处理器 通用异步串行收发器 可编程逻辑器件 光纤陀螺
dsp与计算机通信的外部接口主要可划分为串行通信口和并行通信口。串口通信包括采用rs232、rs485／422、usb、ieee1394等协议的通信，并口通信包括采用ieee488、ieee1248等协议的通信。本文主要介绍dsp多路rs232、rs485／422通信系统的设计与实现，并将此系统应用于光纤陀螺三维角速率测量组合中。
1 系统方案设计
1．1 系统框图
图1为dsp多路异步串口通信系统的框图。计算机接收端为通用的数据采集卡，其与dsp之间采用rs485／422协议，通信速率可达921．6kbps。光纤陀螺与dsp之间采用rs232协议，通信速率可达115．2kbps。该系统可以实现dsp与三路rs232设备和一路rs485／rs422设备的通信。
1.2 tms320c6711简介
tms320c6000系列dsp芯片最初主要是为移动通信基站的信号处理而推出的超级处理芯片，200mhz时钟的tms320c6711完成1024点的fft算法的时间只要66μs，比传统的dsp芯片要快一个数量级，因此在民用和军用领域都有广阔的应用前景。在军事通信、电子对抗、雷达系统、精确制导武器等高智能化的应用领域，这种芯片的处理能力具有不可替代的优势［2］。tms320c67xx是tms320c6000中的浮点系列，tms320c6711是其中性价比较好的一款芯片。正如其它的tms320c6000系列芯片一样，该芯片提供了两个多通道同步缓冲串口，没有提供异步串口，因此需要进行异步串口扩展。
1．3 通信方案设计
目前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，然而，多数dsp芯片提供的是同步串口。在实际的应用中，也需要dsp能够与多个外设进行异步串行通信，如与pc机或光纤陀螺之间进行串行数据传输就要求dsp系统具有多路uart串行接口；当然也可以利用通用的i／o口构成串口，由软件设定波特率(在dsp不繁忙的情况下，往往采用这种方法)。但是当这两种i／o线被占用或对通信的实时性要求较高时，dsp应该通过扩展异步通信芯片来实现高速串行通信。
针对这种情况，本文研究并实现一种简单可靠的异步串口扩展方法，即在dsp的并行总线上扩展uart芯片，用硬件实现异步数据传输。该方法的优点是软件实现简单，代价是在总线上需扩展其它设备。由于本方案要实现dsp与四路外设的异步串口通信，综合考虑硬件连接和软件编程的方便性，采用四通道st16c554串行异步收发器与多路电子转换芯片max3245e来完成。这样，用最简单的硬件连接和软件编程就能实现四路异步的串行通信。
1．4 st16c554简介
st16c554是exar公司的异步通信芯片，其主要特点如下［3］：
·与st16c454、st68c454、st68c554、tl16c554兼容；
·16字节的发送与接收fifo；
·接收控制和发送控制相互独立的四通道选择；
·四个可选的接收fifo中断触发级；
·标准modem接口；
·最高可达1．5m的波特率，其波特率发生器可编程；
·数据位长度为5、6、7、8，停止位长度为1、1．5、2；
·具有偶校验、奇校验或无校验模式。
st16c554不仅能将dsp发送的数据进行并／串转换，还能将从外设或modem接收的数据进行串／并转换，能够同时完成四个独立通道的收发。同时，st16c554还具有四组独立的16字节的接收与发送fifo，可以通过使能fifo及设置fifo中断触发级有效地减少cpu的中断，提高系统效率及可靠性。
2 系统硬件设计
系统的硬件设计框图如图2所示。该硬件系统由电源转换电路、电源监控电路、dsp、sdram、flash rom、uart、电平转换芯片及可编程逻辑芯片等组成。电源转换电路完成5v至3．3v／1．8v的dc-dc转换，提供系统设计中所有低压芯片的电源。电源监控电路用来监控系统所有电源电压， 当电源电压低于额定值时，dsp及uart复位，对芯片起保护作用。st16c554 uart同时完成a、b、c、d四个通道的通信，其中a、b、c三个通道完成三路rs232的异步收发，波特率为115．2kbps，d通道完成rs485／422的通信，波特率为921．6kbps，且波特率可以在相应的控制寄存器中分别设置。当外接晶振为14．7456mhz时，可以方便地完成上述波特率的设置。多路uart-rs232电平转换器件max3245转换速率可达1mbps。可编程逻辑芯片为xilinx公司的cpld(xc9572xl)，用以完成系统中所有的逻辑控制。
当dsp对uart进行读写操作时，必然涉及到uart的实际地址在dsp中的转换。本方案中dsp的ce3空间设为8位异步模式，相应的地址范围为0xb0000000～0xbfffffff。而对应于uart的读写操作地址以及四个独立通道的选通地址，就要加上相应的偏移量。相应的读写及片选逻辑由cpld完成。cpld相应的内部逻辑如下：
——ce3 communication space addr=b0000000—bfffffff
d3： csf3<=ce3 or(not ea5)；--通道c fog3addr=b0000008
csf2<=ce3 or(not ea4)；--通道b fog2addr=b0000004
csfl<=ce3 or(not ea3)；--通道a fog1addr=b0000002
csf4<=ce30r(not ea2)；--通道d rs422addr=b0000001
其中，csf1~csf4为通道选择信号，低电平有效；ea2~ea5为dsp的地址线。
3 软件设计
该系统软件设计包括pc机、tms320c711及st16c554的初始化和通信协议等。下面将结合本系统的硬件给出tms320c711初始化st16c554的程序。初始化的主要任务是设置操作每个通道所需要的参数，这些参数包括串行通信时数据串的数据位数、停止位数、奇偶校验等。另外，还需要设置发送和接收的波特率及中断方式。
其中rhr为接收保持寄存器，thr为发送保持寄存器。fcr为fifo控制寄存器，设置为fifo使能。ier为中断使能寄存器，与fcr配合使用，设置为fifo中断方式，也可以设置为dma方式。lsr为线性状态寄存器，通过查询最低位检测fifo或rhr中是否有数据。dll及dlm为波特率设置寄存器，通过对晶振分频完成波特率的设置。当lcr的最高位为1时，才能改变dll及dlm的设置。
以通道a为例，dsp对st16c554初始化的c语言程序如下：
／*fog1*／
*(char*)0xb0000032=0x80；/*lcr=80*／
*(char*)0xb0000002=0x08；/*dll=08*／
*(char*)0xb0000012=0x00；/*dlh=00*／
*(char*)0xb0000032=0xlb；/*lcr=1b*／
*(char*)0xb0000022=0x01；/*fcr=01*／
*(char*)0xb0000012=0x01；/*ier=01*／
*(char*)0xb0000022=0x03；/*fcr=01*／
*(char*)0xb0000022=0x01；/*fcr=01*／
四个通道都设置为fifo方式及中断使能。通道a、通道b、通道c分别设置给rs232，波特率为115．2kbps；通道d设置给rs485／422，波特率为921．6kbps。
dsp对通道a的数据读取程序如下：
while((readtp & 0x01)!=0)
{readdata=*(char*)0xb0000002；/*read rhr *／
readtp=*(char*)0xb0000052；/*read 1sr*／
｝
4 与光纤陀螺的对接测试
将该系统与光纤陀螺对接，测试表明该系统完全满足设计要求。
图3为陀螺仪的标度因数测试结果，图中横坐标为输入角速率，纵坐标为dsp输出的数据经d／a转换后的电压输出值，图中曲线是根据输入输出数据用最小二乘法拟合求得的。
该系统的软件及硬件已调试通过，并成功地应用于航天光纤陀螺角速度测量系统中。该方案能够灵活高效地完成dsp与多个pc机或传感器(即多个光纤陀螺)之间的异步串口通信，还可以实现与modem之间的标准接口。另外，若利用dsp的edma功能完成收发，还可以进一步提高系统性能，实现高速串行通信［4］。