摘 要：針對(duì)TI公司的TMS320LF2407，在詳細(xì)描述其串行通信接口和模塊的基礎(chǔ)上，結(jié)合減搖水艙試驗(yàn)臺(tái)架控制系統(tǒng)，介紹了實(shí)現(xiàn)DSP與PC機(jī)串行通信的設(shè)計(jì)方法，并給出了相關(guān)的框圖和程序。

1 引言

TMS320LF2407是美國(guó)TI（Texas Instruments）公司專為數(shù)字伺服控制和嵌入式控制系統(tǒng)而推出的一種低功耗、高性能16位定點(diǎn)DSP芯片。通過(guò)把高速的數(shù)字信號(hào)處理器內(nèi)核和功能強(qiáng)大的片內(nèi)外設(shè)集成在一起， DSP成為傳統(tǒng)的微控制單元和多片設(shè)計(jì)系統(tǒng)的一種理想替代品。

在減搖水艙試驗(yàn)臺(tái)架控制系統(tǒng)工作過(guò)程中，需要實(shí)時(shí)修改DSP中控制器參數(shù)等變量，因此如何實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與DSP的可靠通信成為一個(gè)重要問(wèn)題。串行通信具有連接簡(jiǎn)單、使用靈活方便、數(shù)據(jù)傳遞可靠等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。因而，本系統(tǒng)中采用了串行通信進(jìn)行參數(shù)傳送。

本文基于減搖水艙試驗(yàn)臺(tái)架控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種實(shí)現(xiàn)DSP與PC機(jī)串行通信的方案。

2 減搖水艙試驗(yàn)臺(tái)架控制系統(tǒng)

減搖水艙是減小船舶橫向搖擺的重要減搖裝置之一，對(duì)減搖水艙除了進(jìn)行理論研究外，建立減搖水艙的試驗(yàn)裝置是對(duì)減搖水艙進(jìn)行研究的重要手段。減搖水艙試驗(yàn)臺(tái)架是研究和設(shè)計(jì)減搖水艙的重要試驗(yàn)設(shè)備，它可以模擬實(shí)際艦船在海浪中的運(yùn)動(dòng)，研究水艙的運(yùn)動(dòng)、控制規(guī)律，并可測(cè)得其減搖效果。

為了使水艙試驗(yàn)臺(tái)架能夠模擬實(shí)船在海浪中的運(yùn)動(dòng)并研究水艙的實(shí)際作用效果，必須有一套能夠模擬海浪橫搖力矩的力矩伺服系統(tǒng)。由于海浪橫搖力矩幅值和頻率變化很快，對(duì)力矩伺服系統(tǒng)的要求較高，所以試驗(yàn)臺(tái)架采用電液力矩伺服系統(tǒng)。減搖水艙試驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)如圖1所示。


圖1 減搖水艙試驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)框圖

在減搖水艙試驗(yàn)臺(tái)架控制系統(tǒng)中，采用PC機(jī)和DSP的主從式結(jié)構(gòu)。PC機(jī)作為上位機(jī)，提供海浪橫搖力矩信號(hào)、對(duì)一些傳感器采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，而DSP作為下位機(jī)，完成對(duì)減搖水艙試驗(yàn)臺(tái)架電液伺服系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。其輸出電壓信號(hào)經(jīng)伺服放大器控制流量電液伺服閥，由伺服閥控制擺動(dòng)油缸，由液壓油缸驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)，擺動(dòng)油缸輸出的海浪橫搖力矩由傳感器檢測(cè)送至DSP構(gòu)成閉環(huán)控制回路。

3 TMS320LF2407及串行通信接口（SCI）

3.1 TMS320LF2407簡(jiǎn)介

TMS320LF2407除了具有TMS320系列DSP的基本功能，還具有一些適合應(yīng)用于數(shù)字伺服控制的特點(diǎn)。采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，使得供電電壓為3.3V，降低了控制器的功耗，而且高達(dá)40MIPS的執(zhí)行速度使指令周期縮短到25ns，提高了控制器的實(shí)時(shí)控制能力。TMS320LF2407片內(nèi)有高達(dá)32K 16位的Flash程序存儲(chǔ)器，544字的雙端口RAM（DARAM）和2K字的單口RAM（SARAM）。TMS320LF2407的片內(nèi)外設(shè)非常豐富，包括兩個(gè)事件管理器模塊、10位A/D轉(zhuǎn)換模塊、看門狗定時(shí)器、CAN現(xiàn)場(chǎng)總線接口、基于鎖相環(huán)（PLL）的時(shí)鐘發(fā)生器、PWM信號(hào)通道、串行外設(shè)接口（SPI）、串行通信接口（SCI）。TMS320LF2407提供的片內(nèi)外設(shè)資源使得數(shù)字伺服控制應(yīng)用中所需使用的外圍芯片大大減少了，為應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了方便

3.2 串行通信接口（SCI）

串行通信模塊的寄存器是8位的，并且可編程。串行通信接口（SCI）支持DSP和其他使用標(biāo)準(zhǔn)NRZ（非歸零）格式的異步外設(shè)之間的異步串行數(shù)字通信。SCI模塊會(huì)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，如間斷測(cè)試、奇偶性、超時(shí)以及幀錯(cuò)誤測(cè)試等，以確保數(shù)據(jù)的完整性。可編程1—8位數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和1—2位停止位。SCI模塊有雙緩沖的發(fā)送器和接收器，每個(gè)都有獨(dú)立的使能位和中斷位，兩者可獨(dú)立工作，也可同時(shí)在全雙工模式下工作，并且發(fā)送和接收操作均可通過(guò)中斷和查詢兩種方式來(lái)進(jìn)行。在該模塊中，通過(guò)對(duì)一個(gè)16位波特率選擇寄存器編程，可獲得超過(guò)65000種不同的波特率。

在TMS320LF2407與其他異步外設(shè)的串行通信中，對(duì)SCI模塊的控制、波特率和字符格式的選擇、操作方式和通信協(xié)議的選擇、中斷優(yōu)先級(jí)的選擇和使能等都是通過(guò)對(duì)相關(guān)寄存器編程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

4 本系統(tǒng)中串行通信設(shè)計(jì)方法及協(xié)議

SCI有兩種多處理器協(xié)議，即空閑線多處理器模式和地址線多處理器模式。這些協(xié)議允許在多個(gè)處理器之間進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)傳輸。在本系統(tǒng)中，采用空閑線模式。在此模式下，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)塊起始信號(hào)后，串行通信接口被喚醒。處理器識(shí)別下一個(gè)串行通信接口中斷。中斷服務(wù)程序?qū)⒔邮盏降牡刂放c自己的地址進(jìn)行比較。如果該CPU正在被尋址，則中斷服務(wù)程序清除SLEEP位，并接收數(shù)據(jù)塊中剩余的數(shù)據(jù)。如果該CPU不被尋址，則SLEEP位仍保持置位。這樣就允許CPU繼續(xù)執(zhí)行它的主程序而不被SCI所中斷，直到檢測(cè)到下一個(gè)塊的起始信號(hào)。

DSP接收和發(fā)送數(shù)據(jù)可以采用查詢或中斷兩種模式來(lái)實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)中采用中斷方式來(lái)接收PC機(jī)所傳來(lái)的參數(shù)，這里主要介紹該模式下數(shù)據(jù)接收和發(fā)送的具體方法。TMS320LF2407串行通信接口模塊的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送均有其獨(dú)立的外設(shè)中斷向量，并可使用高優(yōu)先級(jí)或低優(yōu)先級(jí)，中斷服務(wù)程序可通過(guò)檢查外設(shè)中斷向量寄存器的值來(lái)轉(zhuǎn)入相應(yīng)的接收或發(fā)送中斷處理程序。

在串行通信中，雙方必須使用相同的波特率。SCI使用一個(gè)16位波特率選擇寄存器可獲得65000種不同的可編程波特率，波特率由系統(tǒng)時(shí)鐘SYSCLK頻率和波特率選擇寄存器決定，不同通信模式下的串行通信接口波特率計(jì)算方法如下：

BRR=1到65535時(shí)

SCI異步波特率=

BRR=0時(shí)

SCI異步波特率=

（BRR為波特率選擇寄存器的十六位值）

在本系統(tǒng)的串行通信過(guò)程中，波特率設(shè)為9600bit/s，八位數(shù)據(jù)位，一個(gè)停止位，奇校驗(yàn)。為了實(shí)現(xiàn)通訊，PC機(jī)與TMS320LF2407之間必須采用相同的通信協(xié)議。

5 串行通信硬件接口電路及軟件編程

5.1 硬件接口電路

PC機(jī)串行口使用的是標(biāo)準(zhǔn)RS-232-C電平，低電平“0”在+5V～+15V之間，高電平“1”在-5V～-15V之間。而TMS320LF2407的電源為3.3V，低電平“0”在+0.4V～+0.8V之間，高電平“1”在+2.4V～+2.8V之間。為了使二者電平匹配，在DSP與PC機(jī)之間必須進(jìn)行電平邏輯轉(zhuǎn)換，本系統(tǒng)中采用的是MAXIM公司的MAX232集成芯片。具體硬件接口電路如圖所示。


圖2 DSP與PC機(jī)串行通信硬件接口圖