基于MAX3111的串行通信设计Word文档格式.docx
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sTMS320VC5402devices,theuseofDSPchipMCBSPinterfacewiththeMAX3111interfacedesign,completedbetweenthePCandtheDSPserialdataexchange.InthisarticlefocusesonthefunctionofeachpintheMAX3111andcontrolmode,theMAX3111completeinitialization,aswellasthecommunicationprotocolandtheMcBSPregistersaredescribed,completedtheMcBSPinitializationandresettheDSPcircuit,JTAG,clockcircuitthekeypinhasadetaileddescription.
Keyword：
SerialCommunications，MAX3111，TMS320VC5402,McBSP
第1章绪论
1.1本课题的研究背景及意义
在如今的生产生活中，我们对系统的可靠性有了很大的要求，所以我们采用了大量自动化设备来进行日常生产、管理和设备维修保养，这样既可以监控系统运转性能和进行故障预测，又可以为维修保养提供原始资料。
随着自动化技术的发展和逐渐普及的自动化生产，越来越多的生产设备配备了与计算机进行数据交换的接口，利用计算机的强大处理能力对检测到的数据进行处理。
串行通信因为其诞生时间早，使用简单方便，成本低廉，可以适应大规模长距离传输等多种特点，一直得到各个领域的广泛应用，尤其在工业自动化领域，大量的设备采用各种串行通信的方式进行连接。
1.1.1关于串行通信
串行通信是指使用一条数据线，将数据一位一位地依次传输，每一位数据占据一个固定的时间长度。
其只需要少数几条线就可以在系统间交换信息，特别适用于计算机与计算机、计算机与外设之间的远距离通信。
串行通信分为同步通信和异步通信。
同步通信方式，如图1-1所示，是把许多字符组成一个信息组，这样，字符可以一个接一个地传输，但是，在每组信息（通常称为信息帧）的开始要加上同步字符，在没有信息要传输时，要填上空字符，因为同步传输不允许有间隙。
同步方式下，发送方除了发送数据，还要传输同步时钟信号，信息传输的双方用同一个时钟信号确定传输过程中每1位的位置。
同步时钟
数据信号
同步时钟：
010101010101
数据信号：
001111001111
图1-1同步通信示意图
异步通信方式，如图1-2所示，两个数据字符之间的传输间隔是任意的，所以，每个数据字符的前后都要用一些数位来作为分隔位。
图1-2异步通信示意图
1.1.2串行通信的应用
EIA-232、EIA-422与EIA-485标准等串行通信技术应用很广，如录像机、计算机以及许多工业控制设备上都配备有EIA－232串行通信接口。
USB接口应用较为广泛。
人们在市场上可以看到，每一款计算机主板都带有不少于2个USB接口，USB打印机、USB调制解调器、USB鼠标、USB音箱、USB存储器等产品越来越多，USB接口已经占据了串行通信技术的垄断地位。
目前支持IEEE1394的产品有台式计算机、笔记本电脑、高精度扫描仪、数字视频（DV）摄影机、数码音箱（SA2.5）、数码相机等。
1.2课题主要任务
（1）比较DSP芯片比其他一般芯片的优点，熟悉其软硬件开发装载过程的方法和步骤；
了解MAX3111芯片工作原理，使用方法。
（2）通过比较、选择TITMS320VC5402芯片作为主控制器,给出系统方案完成DSP芯片MCBSP与MAX3111的连接。
（3）详细说明实现过程，包括硬件电路和系统软件，进行系统软硬件调试，写出调试结论。
1.3本论文结构
第二章主要简单的介绍了DSP芯片；
对DSP芯片的选择；
对McBSP有了一个大概的描述。
第三章主要是硬件的详细设计，介绍了DSP的最小系统；
JTAG电路的介绍；
电源模块的简介；
第四章主要介绍了软件的设计思路，其中有CCS开发环境的简介；
MAX3111的初始化；
McBSP的初始化；
数据收发程序的设计。
第五章结束语，对本课题的研究作一个总结，并对相关的问题进行分析和改进，同时对本系统的应用前景进行展望。
第二章系统总体设计
2.1设计思路
DSP5402和PC机的UART实现的硬件方法如下:
基于MAX3111的同步转异步实现和利用DSP5402I/O模拟时序法。
MAX3111内部集成了全功能UART和内置电泵电容以及土15kVESD保护的RS-232收发器。
其中，UART部分采用兼容SPITM/QSPITM/MICROWIRETM的串行接口，因而可节省线路板空间和微控制器的I／0引脚。
由于RS-232部分使用了特有的低压差输出级，从而使双接收/发送接口能够在高速通信、正常电源下提供真正的RS-232特性，而功耗仅600μA。
通过MAX3111可实现同步串行数据接口到异步串行通信口（RS-232）的转换，它可直接与PC机的串行口（COM）相连。
MAX3111具有尺寸小，价格低，功耗少，通信速率高等特点，因此有着较好的应用前景。
MAX3111包括UART与RS-232两个独立的部分。
其中，UART部分包括兼容于SPI的串行接口、可编程波特率发生器、发送缓冲器及发送移位寄存器、接收缓冲器及接收移位寄存器、8字节接收FIFO以及有四种可屏蔽中断源的中断产生器。
而RS-232部分包括自带电容的电泵，以及可由SHDN对其进行硬件关断的。
MAX3111通过SPI接口与DSP5402进行16位数据的全双工通信。
DSP5402通过DX线向MAX3111发送的16位串行数据序列中包括传输格式控制字，如波特率设置、中断屏蔽、奇偶校验位等。
DSP5402的McBSP串行接口工作于SPI模式时可直接与MAX3111进行连接。
DSP5402的DX与MAX3111的DIN连接作为发送数据线，DR与DOUT连接作为接收数据线，发送同步脉冲信号FSX作为片选信号，发送时钟信号CLKX作为MAX3111的串行时钟输入。
图2-1McBSP为SPI的主设备的接口
当McBSP为SPI的主设备时，由McBSP内部的采样发生器产生时钟CLKX和从设备使能信号FSX。
图2-2McBSP为SPI的从设备的接口
当McBSP作为SPI从设备时，由外部的主设备产生所需要的主控时钟信号和从设备使能信号。
2.2DSP芯片介绍
DSP（DigitalSignalProcessor）也称数字信号处理器，是一种具有特殊结构的微处理器。
DSP芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的DSP指令，可以用来快速地实现各种数字信号处理算法。
2.2.1DSP芯片的基本结构
根据数字信号处理的要求，DSP芯片一般具有如下的一些主要特点：
（1）在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法。
（2）程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据。
（3）片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问。
（4）具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。
（5）快速的中断处理和硬件I/O支持。
（6）具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器。
（7）可以并行执行多个操作。
（8）支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。
DSP芯片的基本结构包括：
（1）哈佛结构；
（2）流水线操作；
（3）专用的硬件乘法器；
（4）特殊的DSP指令；
（5）快速的指令周期。
哈佛结构的主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址，独立访问。
与两个存储器相对应的是系统中设置了程序总线和数据总线，从而使数据的吞吐率提高了一倍。
由于程序和存储器在两个分开的空间中，因此取指和执行能完全重叠。
流水线与哈佛结构相关，DSP芯片广泛采用流水线以减少指令执行的时间，从而增强了处理器的处理能力。
处理器可以并行处理二到四条指令，每条指令处于流水线的不同阶段。
由于具有专用的硬件乘法器，乘法可在一个指令周期内完成。
特殊的DSP指令DSP芯片是采用特殊的指令。
快速的指令周期、哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的DSP指令再加上集成电路的优化设计可使DSP芯片的指令周期在200ns以下。
2.2.2DSP芯片的选择
在目前的解决方案中，首先涉及一个主芯片的选择问题，即是选择单片机还是DSP作为主芯片。
要做出正确的选择，了解这两者之间的差异是必要的，下面给出了两者之间主要的区别：
（1）单片机里的程序在Flash或者ROM里面运行，有一些RAM也只是变量以及数据载体，所以速度就比较缓慢，DSP的程序也是存储在ROM或者Flash里面，跟ARM一样，有一个程序来搬迁程序，使之运行在RAM里，这个搬迁程序我们一般称之为Bootloader，这是固化在ROM里面。
（2）DSP的内核比单片机复杂，尤其是现在的SOC系统，集成多个DSP或者是DSP+ARM，而单片机的内核很简单，最多就是添加一些外设，资源丰富一点，但是DSP不同，尤其是多个内核的系统，外设较单片机更加全，有一些硬件支持是单片机所无法比拟的，如FIR、MAC等。
（3）在两者的编程语言上，由于DSP支持用C/C++语言编程，C/C++高级语言是近年来编程技术发展的主流，其所编写的程序具有移植性强，简捷易懂，应用广泛等特点，但是执行效率比汇编语言要低一点。
所以现在比较常用的方法是混合编程，即用汇编语言编写实时性要求较高的核心子程序，而用高级语言编写人机接口等辅助子程序。
综上所述，如果采用单片机，势必会存在功耗很高，耗电量大；
且编程方面不方便等缺陷，而DSP除了价格较高这个不足以外，在别的方面都有很优秀的表现，所以本系统选用DSP为主芯片来进行接口设计。
设计DSP应用系统时，选择DSP芯片是非常重要的一个环节。
只有选定了合适的DSP芯片才能进一步设计外围电路及系统的其它电路。
总的来说，DSP芯片的选择应根据实际的应用系统需要而确定。
一般来说，选择DSP芯片时考虑如下诸多因素。
（1）DSP芯片的运算速度。
（2）DSP芯片的价格。
（3）DSP芯片的硬件资源。
（4）DSP芯片的运算速度。
（5）DSP芯片的开发工具。
（6）DSP芯片的功耗。
（7）其它的因素，如封装的形式、质量标准、生命周期等。
2.3McBSP综述
C54x具有高速、全双工串行口，可用来与系统中的其他C5402器件、编解码器、串行模/数变换器以及其他串行器件直接接口。
C5402中的串行口有三种形式：
标准同步串行口，缓冲串行口和时分多路串行口。
缓冲串行口只是在标准同步串行口基础上增加了一个自动缓冲单元，可以将其理解为一种增强型标准串行口。
而McBSP（Multi-channelBufferedSerialPort）就是多通道缓冲串行口。
其中，当缓冲串行口和时分多路串行口工作在标准方式时，它们的功能与标准串行口相同。
2.3.1McBSP工作原理
C5402提供了二个高速、全双工、多通道缓冲串行口：
McBSP0和McBSP1。
McBSP具有以下一些主要特点：
●双缓冲发送与三缓冲接收数据寄存器，可保证数据流的连续
●接收与发送的帧信号（Framing）和时钟（Clocking）相互独立
●可给CPU发送中断且可以给DMA控制器发送DMA事件
●全双工通信功能
●可直接与工业标准的CODEC、模拟接口芯片（AIC）和其它串行ADC和DAC连接
●外部输入移位时钟，或内部可程控的移位时钟两种时钟控制方式
●可以将McBSP用作GPI/O引脚
●多通道选择模式可以实现任一信道内传输的使能或禁止
●可接收和发送最多128通道的数据
●串行字长可有多种选择：
8位、12位、16位、20位、24位和32位
●帧同步和数据时钟的极性可程控
●μ律和A律压缩扩展
C5402的McBSP为外部设备提供了数据通道和控制通道，其内部结构如图2-1所示:
图2-3McBSP内部结构
McBSP通过DX和DR实现DSP与外部设备的通信和数据交换。
其中，DX完成数据的发送，DR实现数据的接收。
控制信息通过CLKX，CLKR，FSX和FSR以时钟和帧同步的形式进行通信。
C5402是通过内部16位并行总线与McBSP的16位控制寄存器进行通信的。
表2-1是有关McBSP管脚的说明：
通过McBSP发送数据时，CPU或DMA控制器将发送数据写入数据发送寄存器DXR（1,2）。
若传输移位寄存器XSR（l,2）中没有数据，则DXR（l,2）中的值先拷贝到XSR（1,2），再由XSR（1,2）将数据移到DX上发送，若XSR（1,2）不为空，则等待将XSR（l,2）中的数据全部移出到DX脚发送后才将DXR（1,2）中的值复制到XSR（l,2），再由DX脚将数据发送出去。
表2-1C5402有关McBSP管脚的说明
管脚
工作状态
功能说明
DR
输入
数据输入端
DX
输出高阻
数据输出端
CLKR
输入/输出/高阻
接收数据时钟
CLKX
发送数据时钟
FSR
接收数据帧时钟
FSX
发送数据帧时钟
CLKS
外部提供的采样率发送器时钟源
McBSP的接收缓冲寄存器包括三个：
接收移位寄存器RSR（1,2）、接收缓冲寄存器RBR（1,2）和接收数据寄存器DRR（1,2）。
DR脚上的接收数据首先移入接收移位寄存器RSR（1,2），一旦接收到一个字（可以是8,12,16,24或32位），检查RBR（1,2）是否为空，若为空，则将RSR（1,2）中的数据复制到RBR（1,2），接着，数据被复制到接收数据寄存器DRR（1,2），CPU或DMA控制器通过读取DRR（1,2）中的数据完成数据的接收。
但对于DRR2,RBR2,RSR2,DXR2和XSR寄存器，只有当接收/发送的字长（R/XWDLEN（1,2））超过16位（20位、24位和32位）时，才会用上。
2.3.2McBSP通信协议及其寄存器配置
McBSP为一同步串行通信接口，同步串行通信协议包含：
●串行数据流起始时刻称为帧同步事件。
帧同步事件由位－时钟采样帧同步信号给出。
●串行数据流长度：
串行传输的数据流位数达到设定的长度后，结束本次传输，等下一个帧同步信号到达，再发起另一次串行传输。
●串行数据流传输速度：
即每一个串行位的持续时间，由位－时钟决定
●FSR（FSR）CLKR（CLKX）DR（DX）三者之间的关系即如何取得帧同步事件、何时采样串行数据位流、或何时输出串行数据位流，是可以通过McBSP的寄存器进行配置的。
每个McBSP接口包括23个寄存器与之相关，除RBR[1,2]、RSR[1,2]、XSR[1,2]之外，其中15个寄存器是可寻址寄存器。
由于C5402的数据存储器第0页长度有限（80h个字），因此，对于像DMA控制器和McBSP这样拥有很多寄存器的片内外设采用了子地址寻址技术，即McBSP通过复接器将一组子地址寄存器复接到存储器映射寄存器的同一个位置上。
复接器由子块地址寄存器SPSA控制。
子块数据寄存器SPSD用于指定对应子地址寄存器中数据的读写。
这种方法的好处是可以将多个寄存器映射到一个较小的存储空间。
为访问某个指定的子地址寄存器，首先要将相应的子地址写入SPSAX，再由SPSAX驱动复接器，使其与SPSDX相联，接入相应子地址寄存器所在的实际物理存储位置。
当访问SPSDX写入数据时，数据送入前面子地址存储器中所指定的内嵌数据存储器。
当从SPSDX读取数据时，也接入前面子地址寄存器中所指定的内嵌数据寄存器。
这样，就可以通过SPSDX与实际的控制寄存器交换数据了。
表2-2列出了McBSP子地址寄存器：
表2-2McBSP子地址寄存器
例如要对McBSP1的发送控制寄存器2（XCR2_1）进行设置。
首先，将子地址0x0005写入子地址寄存器（SPSA_1），与此同时，存储单元0049就映射为发送控制寄存器2（XCR2_1）。
然后，对存储单元0049的读写操作，就相当于对发送控制寄存器2（XCR2_1）进行操作。
第三章硬件详细设计
3.1DSP最小系统
DSP电路主要有晶振电路、复位电路、JTAG接口电路（用于程序的载入与调试）。
图3-1中J3跳帽用于DSP模式选择，接高与接低分别对应微处理器模式和微控制器模式。
J2跳帽用于时钟控制，三个跳帽CLK1~CLK3的连接对应于不同的初始化时钟频率。
DSP的XF脚可由程序控制置高或置低，在CPLD译码部分利用这一位可实现灵活控制。
图3-1整体连接图
3.1.1JTAG仿真接口
JTAG（JointTestActionGroup）是一种国际标准测试协议（IEEE1149.1兼容），主要用于芯片内部测试。
现在多数的高级器件都支持JTAG协议，如DSP、FPGA器件等。
标准的JTAG接口是4线：
TMS、TCK、TDI、TDO，分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出线。
JTAG最初是用来对芯片进行测试的，基本原理是在器件内部定义一个TAP（TestAccessPort;
测试访问口）通过专用的JTAG测试工具对进行内部节点进行测试。
JTAG测试允许多个器件通过JTAG接口串联在一起，形成一个JTAG链，能实现对各个器件分别测试。
现在，JTAG接口还常用于实现ISP（In-Systemprogrammable;
在线编程），对FLASH等器件进行编程。
JTAG编程方式是在线编程，传统生产流程中先对芯片进行预编程实现再装到板上因此而改变，简化的流程为先固定器件到电路板上，再用JTAG编程，从而大大加快工程进度。
JTAG接口可对PSD芯片内部的所有部件进行编程。
JTAG接口引脚定义如图3-2所示：
图3-2JTAG接口的引脚图
3.1.2时钟电路
X2/CLKIN是振荡器输入信号，如果内部振荡器没有被使用，X2/CLKIN被用作时钟输入，然后可以被外部时钟源驱动。
YE1是一个20MHZ的晶振，一端连接地，一端通过开关连接着高电平，在开关按下的时候，给予X2/CLKIN一个时钟。
图3-3时钟电路图
3.1.3关键引脚的说明
图3-4关键引脚图
EMU1仿真1引脚，当
为高电平时，EMU1被用为一个中断或来自仿真器的中断。
EMU0仿真0引脚，当
为低电平时，为启动
条件EMU0必须为高电平。
当
被驱动为高电平时，EMU0被用为一个中断或来自仿真器的中断，是输出还是输入由IEEE1149.1标准扫描系统定义。
READY是数据准备。
READY表示外部设备准备为总线执行完成。
是非屏蔽中断。
是一个不可以被INTM或IMR屏蔽的外部中断。
有效时，处理机被限制到合适的中断向量位置。
，
，外部用户中断。
-
是分优先级的，并被中断屏蔽寄存器IMR和中断方式位屏蔽。
可以通过中断标志寄存器IFR进行查询和复位。
是保持。
被声明为请求控制地址，数据和控制总线。
当被C5416响应时，这些总线变成高阻态。
是分支控制。
有效时，有条件的执行分支转移。
如果为低电平，处理机执行条件指令。
执行XC指令，是在流水线的译码阶段采取
条件；
执行其他条件指令时，是在流水线的读操作数阶段采取
。
3.1.4复位电路
图3-5复位电路
如图3-5所示，
是复位信号。
有效时，DSP结束当前正在执行的操作，强迫程序计数器变成0FF80h。
变成高电平时，处理器从程序存储器的0FF08h单元开始执行程序。
3.2电源部分
实验板采用5V开关电源供电，提供了一个5V电源插孔，由于DSP需要3.3V和1.8V电压，故需要用DC-DC芯片进行电压转换。
图3-6中采用CJT1117-3.3和CJT1117-1.8芯片分别产生所需电压。
J7为电源连接开关，需要通电时，用跳帽连接。
图3-6中电容用于滤除交流噪声，获得稳定的直流电压，发光二极管为电源指示。
图3-6电源电路图
3.3Max3111与McBsp接口电路设计
MAX3111通用异步收发器是MAXIM公司为微处理系统设计的通用异步收发器UART，包括振荡器、可编程波特率发生器、可屏蔽的中断源、ST节的接收FIFO缓冲器各一个和两个RS--232电平转换器。
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