單片機共享片外存儲器及其與微機通信的方法

1 板間共享存儲器的硬件接口電路和軟件控制流程 

1.1 信號處理板硬件接口電路

基于DSP的信號處理板可以根據(jù)應(yīng)用要求運行許多信號處理算法，如信號預(yù)處理、目標(biāo)識別與跟蹤定位、Kalman濾波等。待處理的原始信號數(shù)據(jù)通過板間通信從數(shù)據(jù)采集板獲得。這里采用板間共享存儲器的方法來完成數(shù)據(jù)交換，DSP既可以從共享存儲器讀取采集數(shù)據(jù)，也可以把處理結(jié)果(如新的程控放大倍數(shù)值，跟蹤定位結(jié)果等)寫到共享存儲器中供MCU讀取。

TMS320C32有一個雙向串行口，可以設(shè)置每幀同時收發(fā)8/16/24/32位數(shù)據(jù)，同步時鐘可以由內(nèi)部串口定時器產(chǎn)生或由外部輸入。通過設(shè)置串口全局控制寄存器來控制串口的總體功能和工作模式；通過設(shè)置FSX/DX/CLKX端口控制寄存器和FSR/DR/CLKR端口控制寄存器來控制串口6個引腳的功能，可以軟件設(shè)置每個引腳為通用的I/O引腳或串口通信引腳。TMS320C32有兩根通用的I/O引腳為XF0和XF1，由于共享存儲器接口電路需要4根控制線來進(jìn)行DSP與MCU間的握手通信，這里把串口的2個引腳FSR0和FSX0設(shè)置為通用的I/O引腳用作控制線。接口電路原理圖如圖1所示。

 

圖中RAM0～RAM3是四片容量為512K的8位高速RAM(芯片型號為CY7C1049－17VC)，組成32位數(shù)據(jù)寬度的存儲器，DSP運行時的程序和數(shù)據(jù)都在這四片RAM中。FLASH(芯片型號為Am29F016)用于存儲程序和初始化數(shù)據(jù)，即使掉電內(nèi)容也不丟失，DSP上電時由自帶的BOOT LOADER程序從FLASH中取出程序到四片RAM中運行。從共享存儲器讀取的采集數(shù)據(jù)也暫存到這四片RAM中。 

1.2 數(shù)據(jù)采集板硬件接口電路 

基于單片機AT89C51的數(shù)據(jù)采集板在單片機的全局控制下，通過對多路聲傳感器輸出的微弱信號進(jìn)行程控放大、低通濾波、同步采樣保持、A/D變換，實時同步采集多路信號，并把采集到的信號數(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù)采集板上的128K共享存儲器(芯片型號為CY7C109－12VC)中。

共享存儲器及其總線隔離電路設(shè)計在數(shù)據(jù)采集板上。在某一時刻，共享存儲器只能被某一方訪問，否則會產(chǎn)生總線沖突。這里由MCU切換選通DSP總線或單片機總線，分時訪問共享存儲器。總線隔離芯片選用常見的雙向總線隔離/驅(qū)動芯片74HC245，它有一個輸出使能引腳(E)和一個數(shù)據(jù)傳輸方向(DIR)引腳，MCU通過控制這兩個引腳來完成總線隔離與數(shù)據(jù)傳輸方向控制功能。接口電路原理圖如圖2所示。圖中，MCU端的總線隔離由一片74HC373和兩片74HC245完成，DSP端由三片74HC245完成數(shù)據(jù)總線和地址總線的隔離。由P1.2控制選通哪組總線，當(dāng)P1.2為低電平時，共享存儲器只能被MCU訪問；當(dāng)P1.2為高電平時，只有當(dāng)P1.3也為高電平時(表示MCU同意讓出共享存儲器)，共享存儲器才能被DSP訪問。由于DSP需要讀或?qū)懝蚕泶鎯ζ?，所以需要軟件設(shè)置數(shù)據(jù)總線隔離芯片74HC245的數(shù)據(jù)傳輸方向，這里通過設(shè)置DSPDIR信號線的電平狀態(tài)來完成(高電平時為讀，低電平時為寫)。由于地址總線的數(shù)據(jù)傳輸方向始終是單向的，所以其隔離芯片的DIR端可以固定接低電平或高電平，視74HC245的實際接線而定。

 

1.3 軟件控制流程

信號處理板上的DSP需要采集信號數(shù)據(jù)時就向數(shù)據(jù)采集板上的MCU發(fā)出請求信號，單片機接收到請求信號后，如果同意讓出共享存儲器，則向DSP發(fā)出應(yīng)答信號，同時隔離MCU端的總線，暫停數(shù)據(jù)采集。DSP接收到應(yīng)答信號后就可以訪問共享存儲器，DSP快速讀、寫完數(shù)據(jù)后，向單片機發(fā)結(jié)束信號，單片機接收到結(jié)束信號后，收回共享存儲器，同時隔離DSP端總線，繼續(xù)采集。這樣數(shù)據(jù)采集與信號處理就可以同時進(jìn)行，不同于一般的采集一段處理一段的串行工作模式，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集零等待，增加了系統(tǒng)的吞吐能力。參見圖3的接線圖，一次完整的通信過程詳述如下，注意在DSP程序初始化時應(yīng)把XF0、XF1、FSR0設(shè)置為相應(yīng)的無效狀態(tài)。

 

1DSP需要采集信號數(shù)據(jù)時向MCU發(fā)請求信號(置XF0為低電平)，觸發(fā)MCU的INT0中斷，等待MCU應(yīng)答(DSP循環(huán)檢測XF1的狀態(tài))。

2如果MCU同意讓出共享存儲器，則響應(yīng)中斷，否則等待。在中斷服務(wù)程序中，置P1.3(即DSPACK)為高電平，表示應(yīng)答。同時置P1.2為高電平，選通DSP總線。MCU接著循環(huán)檢測P1.4即DSPEOR)的狀態(tài)。

3DSP收到應(yīng)答信號(即檢測到XF1為高電平)，立即快速讀寫共享存儲器，在讀操作前，置FSX0為高電平，在寫操作前，置FSX0為低電平。讀寫完后，向MCU發(fā)結(jié)束信號(置FSR0為高電平)，DSP緊接著進(jìn)行其它處理操作。

4MCU收到結(jié)束信號后(即檢測到P1.4為高電平)，置P1.2為高電平，隔離DSP總線，收回共享存儲器，繼續(xù)采集。

2 信號處理板與控制>系統(tǒng)的通信

信號處理板從數(shù)據(jù)采集板獲取采集數(shù)據(jù)后，經(jīng)過對其進(jìn)行一系列信號處理算法的運算處理，得到的處理結(jié)果需要傳送給基于單片機或微機的控制系統(tǒng)。由于這里的處理結(jié)果數(shù)據(jù)量很小，所以利用串口通信的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸最為簡單。我們可以直接對信號處理板上DSP的串口編程來與控制系統(tǒng)進(jìn)行通信。但由于DSP的串口為同步串口，而單片機或微機的串口通常都為異步串口，這樣就需要用軟件來模擬DSP串口的異步通信時序，軟件工作量大而且通信不可靠。這里通過擴展單片機與共享存儲器的方法很好地解決了這個問題。DSP把處理結(jié)果寫到共享存儲器中，立即進(jìn)行下一輪處理，由單片機從共享存儲器中取出處理結(jié)果并傳送給控制系統(tǒng)。這就省去了DSP進(jìn)行串口通信所需的時間，最大限度地利用了DSP的高速數(shù)據(jù)處理的能力。在實時性要求很高的場合，這顯得尤為重要。通過擴展少量的硬件，不但提高了系統(tǒng)的速度，優(yōu)化了整體性能，而且軟件實現(xiàn)也簡單了許多。

2.1 信號處理板與控制系統(tǒng)的串口通信硬件電路

信號處理板利用擴展的單片機AT89C51與基于微機或MCU的控制系統(tǒng)進(jìn)行全雙工通信。圖4為AT89C51的串口通信電路，通過"串口選擇"撥碼開關(guān)選擇是與基于微機的控制系統(tǒng)通信，還是與基于MCU的控制系統(tǒng)通信。

在IBM PC/XT微機系統(tǒng)中，其串口符合RS－232C接口標(biāo)準(zhǔn)。為提高抗干擾能力，RS－232C標(biāo)準(zhǔn)采用負(fù)邏輯，低電平在-5Ｖ～-15V之間(通常用-12V表示)為邏輯"1"，高電平在＋5V～＋15V之間(通常用＋12V表示)為邏輯"0"，上述電平稱為EIA電平，它與TTL電平和CMOS電平不同。為了使AT89C51能與微機進(jìn)行串行通信，可以利用常見的MC1488和MC1489進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。MC1488把TTL電平轉(zhuǎn)換為RS－232C電平，MC1489把RS－232C電平轉(zhuǎn)換為TTL電平。但由于MC1488和MC1489需要