一种定点数字信号处理器与单片机的接口设计方案

TMS320VC5402(VC5402)增强外设由软件等待状态发生器、锁相环时钟发生器、6通道直接存储器访问(DMA)控制器、增强型8位并行主机接口(HPI)等组成。两个可编程的多通道缓冲串口(McBSP)能够全双工、快速地与其他同步串口进行数据交换，硬件连接简单，串口的工作模式和传送数据的格式可通过编程实现。DSP和单片机之间的通信一般利用双口RAM，通过串口或DSP的HPI接口实现。
   　　利用双口RAM实现
   　　CY7C026是CYPRESS公司生产的16k×16B高速双口静态RAM，存取速度小于25ns。他具有真正的双端口，可以同时进行数据存取，两个端口具有独立的控制信号线、地址线和数据线，另外通过主?从选择可以方便地扩存储容量和数据宽度。通过芯片的信号量标志器，左、右两端口可以实现芯片资源的共享。
   　　由于DSP的数据是16位，而单片机的数据是8位，所以TMS320VC5402与双口RAM的接口并无特别之处，但是89C51与双口RAM之间的接口电路中就需要对89C51进行总线扩展了。具体做法是利用锁存器74HC373的锁存功能，通过对其使能信号的控制，进行分时读写，实现数据总线的扩展，即利用锁存器作为虚拟总线。DSP，单片机与双口RAM之间的接口电路如图1所示。
   　　
   
   　　图1　通过双口RAM实现的接口电路
   　　双口RAM必须采用一定的机制来协调左右两边CPU对他的读写操作，否则会出现读写数据的错误。通常可以用中断、硬件、令牌和软件这4种方式来协调双方。在接口电路中利用89C51的最低地址位A0把双口RAM的存储空间分为奇、偶地址两个空间。其中，奇地址空间专供89C51写，偶地址空间专供89C51读。那么只需对VC5402的软件做相应处理即可，即VC5402对双口RAM的奇地址空间只读，对偶地址空间只写。这样就避免了DSP和单片机对双口RAM同一地址单元的写入操作。另外，在对双口RAM进行访问之前，单片机和DSP首先对本端的BUSY信号进行查询，只有本端/BUSY信号无效时才进行读写操作，进一步保证了数据读写的可靠性。
   　　通过串口实现
   　　VC5402多通道缓冲串行口(McBSP)主要特点：双缓冲区发送，三缓冲区接收以便数据的连续性;接收与发送的帧同步、时钟信号独立;多通道发送和接收，最多可以到达128个通道;数据大小可为8，12，16，20，24和32b;μ率和A率压缩;帧同步、数据时钟极性可编程;内部时钟和帧同步可自行设定。
   　　VC5402串口通过16b宽度的控制寄存器与内部总线通信。
   　　数据接收过程：数据从输入引脚(DR)移位到接收移位寄存器(RSR)，然后拷贝数据到接收缓冲寄存器(RBR)，接着把数据拷贝到数据接收寄存器(DRR)，CPU或者DMA控制器读取DRR。
   　　数据输出过程：CPU或者DMA把数据写到数据传输寄存器(DXR)，再通过寄存器(XSR)移位到数据输出引脚DX6。
   　　对串口寄存器的访问是间接寻址方式，例如要对McBSP数据寄存器进行访问，首先写串口控制寄存器SPCR子地址到子地址寄存器SPSA，然后对数据寄存器进行访问。硬件连接如图2所示。
   　　
   
   　　图2　通过McBSP实现的硬件连接
   　　McBSP的位时钟由内部采样率发生器产生，为UART波特率×16。
   　　在软件的设计中McBSP的16位代表UART的1位。发送时，软件将UART的每一位扩展为16位，再由McBSP发送。接收时，软件将McBSP接收的16位压缩为UART的1位，并进行合并。软件还应负责处理UART的起始位、奇偶校验位和停止位。
   　　通过HPI和电平转换器件实现
   　　DSP芯片中的HPI(主机接口)是为了满足DSP与其他的微处理器接口而专门设计的。他分为HPI-8和HPI1-6，分别针对具有8位和16位数据线的单片机。每一种又分为标准型和增强型，区别在于标准型只可以访问固定的地址空间，而增强型可以访问整个DSP的片内存储器。利用C5402的增强型8位并行主机接口(HPI)与单片机通信。
   　　VC5402DSP的外部I/P引脚用的是3.3V的逻辑电平，而大部分51单片机用的是5V的逻辑电平。前者输出高电平，最小值为2.4V;后者输入高电平，最小值为2.0V。所以前者的输出可以直接接到后者的输入。但是前者允许输入高电平最大值为3.6V，而后者的输出高电平一般都在4.6V以上。所以前者的输入和后者的输出不能直接连接，需要做电平转换。如果引脚数量少，可以直接用三极管电阻来转换。这里由于引脚较多，所以选用TI74LVC16245A芯片来进行电平转换。硬件电路如图3所示。
   　　
   
   　　图3　通过电平转换芯片实现HPI的数据传输分为2部分：外部传输和内部传输。外部传输是指主机和HPI寄存器之间的传输，由主机发出指令完成。内部传输是指HPI寄存器和DSP内部RAM之间的传输，由DSP内部的DMA控制器自动完成。主机在进行外部传输时，要先检查内部传输是否完成，这是通过检测HRDY信号实现的。外部传输操作的一般步骤是：检查HRDY信号的电平。为高，表示可以进行传输;为低，表示DSP正在进行内部传输，此时不能进行外部传输。主机发出指令，设置HCNTL0，HCNTL1，BHIL，HR?W信号的状态，以确定读或写的寄存器以及字节的选择。主机发出时序控制信号，按时序进行操作，从而完成一次外部传输。
   
   　　结语
   　　双口RAM实现VC5402和89C51之间的数据通信，极大地提高了数据传输速度和可靠性，能满足控制系统的实时、高速的控制要求。
   　　利用McBSP的方法，硬件结构简单所用芯片少，但是将占用片上系统中为数不多的同步串行口资源，而且也要占用DSP的处理时间，他是用于传输数据较少，传输速率慢而又希望DSP与单片机之间是紧耦合的场合。
   　　HPI方案比较简单，附加硬件少、成本低、数据吞吐量非常大，但不适合于实时控制的场合，因为工作中可能将DSP挂起，影响实时工作。而一般应用在对成本比较敏感而数据量又比较大的场合。读者可以根据系统要求选取合适的方案。