McBSP技术在数据传输中的应用

摘要：在嵌入式数据传输系统中经常会遇到DSP芯片与模／数转换器接口的问题，为提高信号的采样、传输速度与精度，增强系统可靠性，给出了基于DSP芯片的多通道缓冲串口(McBSP)在数据传输中作为接收器的原理、硬件与软件设计方法。选用TI公司的C5000系列定点DSP TMS 320VC5502芯片与TI公司的10位高速串行逐次逼进型转换器模／数转换芯片TLV1572进行无缝连接，通过TLV1572对模拟数据进行采样，后经A／D转换为数字信号，DSP的McBSP串口进行接收，实现了不经任何转换的实时数据传输。该系统设计方案电路简单，可靠性好，易于实现，具有一定的通用性。
关键词：多通道缓冲串口；TMS320VC5502；模／数转换器；数据传输

    DSP芯片主要完成数字信号的采集、存储、处理与传输的任务。多通道缓冲串口(McBSP)是最重要的数据采集和传输设备之一，是一种典型的可配置外设，通过对其接口参数和数据格式的编程设定，可以实现对具有同步串行口的编码器等外部IC芯片的无缝连接。这里将以TMS32 0VC5502DSP和TLV1572模数转换器为例介绍DSP的多通道缓冲串口(McBSP)在数据传输中的应用。

1 硬件构成
1．1 TMSC320VC5502
    DSP芯片采用TI公司的TMS 320 VC5502，它是一种高性能、低功耗、定点数字信号处理器，它主要有以下特点：
    1)最高主频能够达到300 MHz，指令周期3．33ns。
    2)包括1条32位的程序数据总线，5条16位的数据总线，6条24位的程序地址总线。这种并行的多总线结构，使CPU能够在一个CPU周期内完成一个32程序代码的读、3个16位数据的读和2个16位数据的写。5502还拥有2个乘法累加器，每个累加器都能够在一个周期内执行一个17x17 bit的乘法运算。
    3)包含28kx16bit的片上ROM，包括64kBytes的DARAM(8块，每块4 kx16 bit)，192 kBytes的SARAM(24块，每块4 kx16 bit)、64 kBytes的一等待片上ROM(32 kx16 bit)和最大可寻址8 Mx16 bit的外部存储空间。16位的外部存储器扩展接口可实现与异步存储器件(SRAM、EPROM)和同步存储器件(SDRAM)的无缝连接。
    4)片上外设包含1个六通道的直接存储器访问控制器(DMA)、3个多通道缓冲串行口(McBSP)、1个可编程的数字锁相环时钟发生器、2个64 bit通用定时器、1个64 bit看门狗定时器、1个64 bit DSP／BIOS计数器、8 bit／16 bit主机接口(HPI)、7个通用输入输出口(GPIO)和1个外部标志输出引脚(XF)、1个内部集成电路模块(I2C)、1个通用异步接收／发送器(UART)、1个符合IEEEl941．1标准(JTAG)边界扫描逻辑的JTAG仿真接口。
1．2 McBSP(多通道缓冲串口)
    TMS320VC5502 DSP提供了3个高速多通道同步缓冲串口(McBSP)，使得TMS320VC5502DSP可以直接和其它C55xDSP、多媒体数字信号编解码器以及系统中的其它设备接口。该串口提供了全双工通信；双缓冲数据寄存器，允许传送连续的数据流；独立的收发时钟和帧信号：可与工业标准的编解码器、模拟接口芯片及其它串行A／D、D／A芯片直接连接；可用128个通道进行收发；具有可编程的采样率发生器；能够向CPU发送中断，向DMA控制器发送DMA事件；可设置帧同步脉冲和时钟信号的极性；传输的字长可以是8位、12位、16位、20位、24位或32位；可将McBSP引脚配置为通用输入输出引脚。McBSP结构框图如图1所示，可以分为数据通道和控制通道2部分。

    数据发送引脚DX负责数据的发送，数据接收引脚DR负责数据的接收，发送时钟引脚CLKX、接收时钟引脚CLKR、发送帧同步引脚FSX和接收帧同步引脚FSR提供串行时钟和控制信号。CPU和DMA控制器通过外设总线与McBSP进行通信。当发送数据时，CPU和DMA将数据写入数据发送寄存器(DXR1，DXR2)，接着复制到发送移位寄存器(XSR1，XSR2)，通过发送移位寄存器输出至DX引脚。同样当接收数据时，DR引脚上接收到的数据先移位到接收移位寄存器(RSR1，RSR2)，接着复制到接收缓冲寄存器(RBR1，RBR2)，RBR再将数据复制到数据接收寄存器(DRR1，DRR2)中，并通知串口事件通知CPU或DMA读取数据。这种多级缓冲方式使得片内数据通信和串行数据通信能够同时进行。[!--empirenews.page--]
1．3 TLV1572
    A／D转换器用TI公司的10位高速串行逐次逼进型A／D转换器，采用5 V单电压供电，最高采样速率可达1．25 Msps，可与TMS320系列DSP通过McBSP(Multi-channel Buffered Serial Ports，多通道缓冲串口)实现无缝连接。TLV1572的采样速率最高可达1．25 Msps、10位分辨率、单电压供电是3～5V、低功耗(3 V时8 mW、5 V时25 mW)、自动节电功能(最大电流为10μA)、具有内部采样保持功能。TLV1572的功能模块图如图2所示。

    TLV1572有2种工作模式，即DSP模式和微控制器模式，这2种工作模式是由它的P3(帧同步输入信号)的电平决定的，FS引脚连接电源VCC，一直为高电平，则TLV1572工作在微控制器工作模式下；如果TLV1572在DSP工作模式下，则FS引脚或者由TMS320 DSP的MCBSP的帧同步信号(FSR)提供，或者由系统外部引入。
1．4 TLV1572与DSP的McBSP缓冲串口的连接
    TLV1572与TMS320VC5502 DSP串口连接如图3所示。

    TLV1572工作在DSP模式下，其典型时序图如图4所示。

    在DSP模式下工作时，当TLV1572 A／D的片选信号／CS变低时，FS也必须为低，而且为了确保TLV1572的DSP模式的正确锁定，FS信号电平要被检测2次，一次是在／CS下降沿时检测FS电平(也就是对于／CS下降沿的FS建立时间，最小6 ns)，一次是紧接其后的相对于／CS下降沿来说的一个内部延迟检测(也就是对于／CS下降沿的FS保持时间，最小为9 ns)。综上所述，为了保证TLV1572能正确锁定在DSP模式下，在／CS变低后FS要至少维持15ns的时间。
    在确保TLV1572工作在DSP模式下后，也就是FS的低电平至少要维持15 ns的时间后，TLV1572 A／D要在每一个SCLK时钟信号的下降沿检测FS的电平状态，一旦FS变高，说明A／D进入复位状态，之后当FS变低时，TLV1572等待DSP锁存第一个0。这里，FS的上升沿对于对SCLK的下降沿来说有一个FS的建立时间(至少10 ns)，然后相对应这个SCLK的下降沿，FS有一个保持时间(至少要4 ns)。满足至少上述的14 ns后，FS才能变低。
    采样从FS变低后的第一个SCLK的下降沿开始，一直到输出第6个0时的那个SCLK的上升沿，在这个SCLK的上升沿，开始转换并输出相应转换的数据，这里有1 bit的延迟，而DSP对转换数据的采样发生在SCLK的下降沿。经TLV1572转换的数据前导有6个0，之后才是转换的由高位到低位的10 bit数据输出。也就是说TLV1572对一次的数据完整转换需要16个SCLK。如果在第16个SCLK时钟的下降沿检测到FS变高了，则在即后的下一个SCLK，也就是第17个SCLK开始下一次的新的数据的采样与转换，这样就实现了TLV1572的对数据的连续转换。

2 软件构成
    当所传输的信号从TLV1572的模拟信号输入端输入后，TLV1572再对输入的信号进行采样，并将采样后的数据传送到DSP。程序主要包括初始化DSP和缓冲串口McBSP，将McBSP配置为接收器，包括复位MeBSP的接收器，根据需要对McBSP的寄存器编程，使能接收器，启动A／D，采集数据并存储，其流程如图5所示。

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    在对DSP的McBSP进行操作时，McBSP的内部采样率发生器的输出时钟CLKG驱动给CLKR，CLKR同时提供给A／D的SCLK。而McBSP的采样率发生器的时钟源(CLKSRG)由CPU提供的，对CPU时钟进行分频以产生CLKG。由于CPU的时钟极性总为正，因此CPU时钟信号的上升沿产生CLKG的上升沿。对采样率发生器的寄存器编程后，要等待2个CLKSRG(时钟源)周期以确保内部同步。当采样率发生器使能后，要等待2个CLKC周期，以保证采样率发生器稳定工作。在CLKSRG的下一个上升沿，CLKRG变为1，启动频率如式(1)所示的时钟。
   
    帧同步信号(内部FSR)，对于串口来说，都是内部信号，都是高电平有效。如果将串口配置成外部帧同步(FSR输入到McBSP)，且FSRP=1(接收帧同步信号低有效)，则外部低电平有效的信号在送给接收器(内部FSR)之前要做转换。当McBSP的FSR为输入时，McBSP在CLKR的下降沿检测这个FSR信号。到达DR引脚的接收数据，也在内部CLKR的下降沿采样。这里的内部时钟CLKR是由采样率发生器时钟(CLKG)驱动，内部送给McBSP。
    接收器可以在时钟的上升沿可靠的对输入数据进行采样。接收时钟的极性(CLKRP)设置成采样接受数据所用的沿。注意：McBSP总是在内部CLKR的下降沿对数据采样，因此如果CLKRP=1，且选择内部时钟(CLKRM=1)，则内部下降沿触发的时钟，在送给CLKR引脚输出之前，要转换成上升沿触发的时钟。
    DSP的CPU或DMA控制器与McBSP的通信，是通过16 bit的寄存器访问内部的外设总线来实现的。McBSP的数据接收寄存器2个，DRR1和DRR 2，当字长小于16 bit时使用DRR1。把McBSP要传输的串行字定义成为16 bit(刚好是10 bit A／D转换数据出的6个0+10 bit二进制数)，并自行定义McBSP传输数据的一帧就是16 bit。这样McBSP接收完一帧数据后，就触发中断，进行这一帧数据的存储，然后进行下一帧数据的采样转换与传输，直到数据传输采集完毕。
    下面是MeBSP配置成接收器要做的操作。
    1)全局设置包括设置接收器的引脚为McBSP的引脚、使能或者禁止数字回环模式、使能或者禁止时钟停止模式、使能或者禁止多通道选择模式。
    2)设置数据 即选择每个接收帧是单段还是双段、设置接收字长、设置帧长度、使用或者禁止忽略接收帧同步功能、设置接收压缩扩展模式、设置接收数据延迟、设置接收数据扩展和校验模式、设置接收中断模式。
    3)帧同步设置 即设置接收帧同步模式、设置接收帧同步极性、设置采样率发生器帧同步周期和脉冲宽度。
    4)时钟设置 即设置接收时钟模式、设置接收时钟极性、设置采样率发生器的时钟分频值、设置采样率发生器的时钟同步方式、设置采样率发生器的时钟模式(选择输入时钟)、设置采样率发生器输入时钟的极性。
    调试程序所用的软件是TI公司的Code Composer Studio(CCStudio)，它是TI公司开发的专用于进行TMS320系列DSP软件设计的集成软件开发环境。McBSP初始化程序如下：
   
   

3 结束语
    本文以TMS320VC5502 DSP芯片与TLV1572模数转换芯片为例，详细讨论了TLV1572与DSP的多通道缓冲串口(MeBSP)通信的硬件接口和软件设计。其设计方案简单易行，具有一定的通用性，根据需要可以在中断服务子程序中嵌入适合的数据处理程序代码，就可以构成一个完整的数据采集与传输程序。本文中采集的数据是存放在TMS320VC5502芯片内部的RAM中，由于TMS320VC55x DSP的外部存储器接口(EMIF)支持8bi-t、16 bit、32 bit数据的访问，并为异步存储器、同步突发SRAM、同步DRAM提供了无缝接口，所以如果系统所要采集的数据量很大，也可以通过EMIF接口外扩存储器。