DSP芯片主要完成數(shù)字信號的采集、存儲、處理與傳輸?shù)娜蝿?wù)。多通道緩沖串口(McBSP)是最重要的數(shù)據(jù)采集和傳輸設(shè)備之一，是一種典型的可配置外設(shè)，通過對其接口參數(shù)和數(shù)據(jù)格式的編程設(shè)定，可以實現(xiàn)對具有同步串行口的編碼器等外部IC芯片的無縫連接。這里將以TMS32 0VC5502DSP和TLV1572模數(shù)轉(zhuǎn)換器為例介紹DSP的多通道緩沖串口(McBSP)在數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用。

1 硬件構(gòu)成

1．1 TMSC320VC5502

DSP芯片采用TI公司的TMS 320 VC5502，它是一種高性能、低功耗、定點數(shù)字信號處理器，它主要有以下特點：

1)最高主頻能夠達(dá)到300 MHz，指令周期3．33ns。

2)包括1條32位的程序數(shù)據(jù)總線，5條16位的數(shù)據(jù)總線，6條24位的程序地址總線。這種并行的多總線結(jié)構(gòu)，使CPU能夠在一個CPU周期內(nèi)完成一個32程序代碼的讀、3個16位數(shù)據(jù)的讀和2個16位數(shù)據(jù)的寫。5502還擁有2個乘法累加器，每個累加器都能夠在一個周期內(nèi)執(zhí)行一個17x17 bit的乘法運算。

3)包含28kx16bit的片上ROM，包括64kBytes的DARAM(8塊，每塊4 kx16 bit)，192 kBytes的SARAM(24塊，每塊4 kx16 bit)、64 kBytes的一等待片上ROM(32 kx16 bit)和最大可尋址8 Mx16 bit的外部存儲空間。16位的外部存儲器擴展接口可實現(xiàn)與異步存儲器件(SRAM、EPROM)和同步存儲器件(SDRAM)的無縫連接。

4)片上外設(shè)包含1個六通道的直接存儲器訪問控制器(DMA)、3個多通道緩沖串行口(McBSP)、1個可編程的數(shù)字鎖相環(huán)時鐘發(fā)生器、2個64 bit通用定時器、1個64 bit看門狗定時器、1個64 bit DSP／BIOS計數(shù)器、8 bit／16 bit主機接口(HPI)、7個通用輸入輸出口(GPIO)和1個外部標(biāo)志輸出引腳(XF)、1個內(nèi)部集成電路模塊(I2C)、1個通用異步接收／發(fā)送器(UART)、1個符合IEEEl941．1標(biāo)準(zhǔn)(JTAG)邊界掃描邏輯的JTAG仿真接口。

1．2 McBSP(多通道緩沖串口)

TMS320VC5502 DSP提供了3個高速多通道同步緩沖串口(McBSP)，使得TMS320VC5502DSP可以直接和其它C55xDSP、多媒體數(shù)字信號編解碼器以及系統(tǒng)中的其它設(shè)備接口。該串口提供了全雙工通信；雙緩沖數(shù)據(jù)寄存器，允許傳送連續(xù)的數(shù)據(jù)流；獨立的收發(fā)時鐘和幀信號：可與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的編解碼器、模擬接口芯片及其它串行A／D、D／A芯片直接連接；可用128個通道進(jìn)行收發(fā)；具有可編程的采樣率發(fā)生器；能夠向CPU發(fā)送中斷，向DMA控制器發(fā)送DMA事件；可設(shè)置幀同步脈沖和時鐘信號的極性；傳輸?shù)淖珠L可以是8位、12位、16位、20位、24位或32位；可將McBSP引腳配置為通用輸入輸出引腳。McBSP結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，可以分為數(shù)據(jù)通道和控制通道2部分。

數(shù)據(jù)發(fā)送引腳DX負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的發(fā)送，數(shù)據(jù)接收引腳DR負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收，發(fā)送時鐘引腳CLKX、接收時鐘引腳CLKR、發(fā)送幀同步引腳FSX和接收幀同步引腳FSR提供串行時鐘和控制信號。CPU和DMA控制器通過外設(shè)總線與McBSP進(jìn)行通信。當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)時，CPU和DMA將數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)發(fā)送寄存器(DXR1，DXR2)，接著復(fù)制到發(fā)送移位寄存器(XSR1，XSR2)，通過發(fā)送移位寄存器輸出至DX引腳。同樣當(dāng)接收數(shù)據(jù)時，DR引腳上接收到的數(shù)據(jù)先移位到接收移位寄存器(RSR1，RSR2)，接著復(fù)制到接收緩沖寄存器(RBR1，RBR2)，RBR再將數(shù)據(jù)復(fù)制到數(shù)據(jù)接收寄存器(DRR1，DRR2)中，并通知串口事件通知CPU或DMA讀取數(shù)據(jù)。這種多級緩沖方式使得片內(nèi)數(shù)據(jù)通信和串行數(shù)據(jù)通信能夠同時進(jìn)行。

1．3 TLV1572

A／D轉(zhuǎn)換器用TI公司的10位高速串行逐次逼進(jìn)型A／D轉(zhuǎn)換器，采用5 V單電壓供電，最高采樣速率可達(dá)1．25 Msps，可與TMS320系列DSP通過McBSP(Multi-channel Buffered Serial Ports，多通道緩沖串口)實現(xiàn)無縫連接。TLV1572的采樣速率最高可達(dá)1．25 Msps、10位分辨率、單電壓供電是3～5V、低功耗(3 V時8 mW、5 V時25 mW)、自動節(jié)電功能(最大電流為10μA)、具有內(nèi)部采樣保持功能。TLV1572的功能模塊圖如圖2所示。

TLV1572有2種工作模式，即DSP模式和微控制器模式，這2種工作模式是由它的P3(幀同步輸入信號)的電平?jīng)Q定的，F(xiàn)S引腳連接電源VCC，一直為高電平，則TLV1572工作在微控制器工作模式下；如果TLV1572在DSP工作模式下，則FS引腳或者由TMS320 DSP的MCBSP的幀同步信號(FSR)提供，或者由系統(tǒng)外部引入。

1．4 TLV1572與DSP的McBSP緩沖串口的連接

TLV1572與TMS320VC5502 DSP串口連接如圖3所示。

TLV1572工作在DSP模式下，其典型時序圖如圖4所示。

在DSP模式下工作時，當(dāng)TLV1572 A／D的片選信號／CS變低時，F(xiàn)S也必須為低，而且為了確保TLV1572的DSP模式的正確鎖定，F(xiàn)S信號電平要被檢測2次，一次是在／CS下降沿時檢測FS電平(也就是對于／CS下降沿的FS建立時間，最小6 ns)，一次是緊接其后的相對于／CS下降沿來說的一個內(nèi)部延遲檢測(也就是對于／CS下降沿的FS保持時間，最小為9 ns)。綜上所述，為了保證TLV1572能正確鎖定在DSP模式下，在／CS變低后FS要至少維持15ns的時間。

在確保TLV1572工作在DSP模式下后，也就是FS的低電平至少要維持15 ns的時間后，TLV1572 A／D要在每一個SCLK時鐘信號的下降沿檢測FS的電平狀態(tài)，一旦FS變高，說明A／D進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，之后當(dāng)FS變低時，TLV1572等待DSP鎖存第一個0。這里，F(xiàn)S的上升沿對于對SCLK的下降沿來說有一個FS的建立時間(至少10 ns)，然后相對應(yīng)這個SCLK的下降沿，F(xiàn)S有一個保持時間(至少要4 ns)。滿足至少上述的14 ns后，F(xiàn)S才能變低。

采樣從FS變低后的第一個SCLK的下降沿開始，一直到輸出第6個0時的那個SCLK的上升沿，在這個SCLK的上升沿，開始轉(zhuǎn)換并輸出相應(yīng)轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，這里有1 bit的延遲，而DSP對轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的采樣發(fā)生在SCLK的下降沿。經(jīng)TLV1572轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)前導(dǎo)有6個0，之后才是轉(zhuǎn)換的由高位到低位的10 bit數(shù)據(jù)輸出。也就是說TLV1572對一次的數(shù)據(jù)完整轉(zhuǎn)換需要16個SCLK。如果在第16個SCLK時鐘的下降沿檢測到FS變高了，則在即后的下一個SCLK，也就是第17個SCLK開始下一次的新的數(shù)據(jù)的采樣與轉(zhuǎn)換，這樣就實現(xiàn)了TLV1572的對數(shù)據(jù)的連續(xù)轉(zhuǎn)換。

2 軟件構(gòu)成

當(dāng)所傳輸?shù)男盘枏腡LV1572的模擬信號輸入端輸入后，TLV1572再對輸入的信號進(jìn)行采樣，并將采樣后的數(shù)據(jù)傳送到DSP。程序主要包括初始化DSP和緩沖串口McBSP，將McBSP配置為接收器，包括復(fù)位MeBSP的接收器，根據(jù)需要對McBSP的寄存器編程，使能接收器，啟動A／D，采集數(shù)據(jù)并存儲，其流程如圖5所示。

在對DSP的McBSP進(jìn)行操作時，McBSP的內(nèi)部采樣率發(fā)生器的輸出時鐘CLKG驅(qū)動給CLKR，CLKR同時提供給A／D的SCLK。而McBSP的采樣率發(fā)生器的時鐘源(CLKSRG)由CPU提供的，對CPU時鐘進(jìn)行分頻以產(chǎn)生CLKG。由于CPU的時鐘極性總為正，因此CPU時鐘信號的上升沿產(chǎn)生CLKG的上升沿。對采樣率發(fā)生器的寄存器編程后，要等待2個CLKSRG(時鐘源)周期以確保內(nèi)部同步。當(dāng)采樣率發(fā)生器使能后，要等待2個CLKC周期，以保證采樣率發(fā)生器穩(wěn)定工作。在CLKSRG的下一個上升沿，CLKRG變?yōu)?，啟動頻率如式(1)所示的時鐘。

幀同步信號(內(nèi)部FSR)，對于串口來說，都是內(nèi)部信號，都是高電平有效。如果將串口配置成外部幀同步(FSR輸入到McBSP)，且FSRP=1(接收幀同步信號低有效)，則外部低電平有效的信號在送給接收器(內(nèi)部FSR)之前要做轉(zhuǎn)換。當(dāng)McBSP的FSR為輸入時，McBSP在CLKR的下降沿檢測這個FSR信號。到達(dá)DR引腳的接收數(shù)據(jù)，也在內(nèi)部CLKR的下降沿采樣。這里的內(nèi)部時鐘CLKR是由采樣率發(fā)生器時鐘(CLKG)驅(qū)動，內(nèi)部送給McBSP。

接收器可以在時鐘的上升沿可靠的對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣。接收時鐘的極性(CLKRP)設(shè)置成采樣接受數(shù)據(jù)所用的沿。注意：McBSP總是在內(nèi)部CLKR的下降沿對數(shù)據(jù)采樣，因此如果CLKRP=1，且選擇內(nèi)部時鐘(CLKRM=1)，則內(nèi)部下降沿觸發(fā)的時鐘，在送給CLKR引腳輸出之前，要轉(zhuǎn)換成上升沿觸發(fā)的時鐘。

DSP的CPU或DMA控制器與McBSP的通信，是通過16 bit的寄存器訪問內(nèi)部的外設(shè)總線來實現(xiàn)的。McBSP的數(shù)據(jù)接收寄存器2個，DRR1和DRR 2，當(dāng)字長小于16 bit時使用DRR1。把McBSP要傳輸?shù)拇凶侄x成為16 bit(剛好是10 bit A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)出的6個0+10 bit二進(jìn)制數(shù))，并自行定義McBSP傳輸數(shù)據(jù)的一幀就是16 bit。這樣McBSP接收完一幀數(shù)據(jù)后，就觸發(fā)中斷，進(jìn)行這一幀數(shù)據(jù)的存儲，然后進(jìn)行下一幀數(shù)據(jù)的采樣轉(zhuǎn)換與傳輸，直到數(shù)據(jù)傳輸采集完畢。

下面是MeBSP配置成接收器要做的操作。

1)全局設(shè)置包括設(shè)置接收器的引腳為McBSP的引腳、使能或者禁止數(shù)字回環(huán)模式、使能或者禁止時鐘停止模式、使能或者禁止多通道選擇模式。

2)設(shè)置數(shù)據(jù)即選擇每個接收幀是單段還是雙段、設(shè)置接收字長、設(shè)置幀長度、使用或者禁止忽略接收幀同步功能、設(shè)置接收壓縮擴展模式、設(shè)置接收數(shù)據(jù)延遲、設(shè)置接收數(shù)據(jù)擴展和校驗?zāi)Ｊ?、設(shè)置接收中斷模式。

3)幀同步設(shè)置 即設(shè)置接收幀同步模式、設(shè)置接收幀同步極性、設(shè)置采樣率發(fā)生器幀同步周期和脈沖寬度。

4)時鐘設(shè)置即設(shè)置接收時鐘模式、設(shè)置接收時鐘極性、設(shè)置采樣率發(fā)生器的時鐘分頻值、設(shè)置采樣率發(fā)生器的時鐘同步方式、設(shè)置采樣率發(fā)生器的時鐘模式(選擇輸入時鐘)、設(shè)置采樣率發(fā)生器輸入時鐘的極性。

調(diào)試程序所用的軟件是TI公司的Code Composer Studio(CCStudio)，它是TI公司開發(fā)的專用于進(jìn)行TMS320系列DSP軟件設(shè)計的集成軟件開發(fā)環(huán)境。McBSP初始化程序如下：

3 結(jié)束語

本文以TMS320VC5502 DSP芯片與TLV1572模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片為例，詳細(xì)討論了TLV1572與DSP的多通道緩沖串口(MeBSP)通信的硬件接口和軟件設(shè)計。其設(shè)計方案簡單易行，具有一定的通用性，根據(jù)需要可以在中斷服務(wù)子程序中嵌入適合的數(shù)據(jù)處理程序代碼，就可以構(gòu)成一個完整的數(shù)據(jù)采集與傳輸程序。本文中采集的數(shù)據(jù)是存放在TMS320VC5502芯片內(nèi)部的RAM中，由于TMS320VC55x DSP的外部存儲器接口(EMIF)支持8bi-t、16 bit、32 bit數(shù)據(jù)的訪問，并為異步存儲器、同步突發(fā)SRAM、同步DRAM提供了無縫接口，所以如果系統(tǒng)所要采集的數(shù)據(jù)量很大，也可以通過EMIF接口外擴存儲器。