電源：大功率UPS中DSP與單片機的串行通訊設計
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1 引 言
隨著計算機系統(tǒng)、通訊設備的迅猛發(fā)展，不間斷電源UPS(uninterruptible power supply)的應用范圍越來越廣。銀行、證券、通信基站等等對于UPS的需求量也是與日俱增。本文主要介紹200KVAUPS中的DSP[1]與單片機的兩種串行通訊方式，實驗證明：兩種通訊方式均可以使DSP和單片機順利通訊，并且使得算法控制和監(jiān)控順利實現(xiàn)，均是行之有效的DSP與單片機的通訊方式。
目前，高速數(shù)字信號處理器(DSP，digital signal processor)
已經(jīng)廣泛應用于工業(yè)控制，電機控制，航天宇航控制等諸多復雜控制系統(tǒng)中。在電力電子領域，由于各種開關功率器件開關頻率越來越高，開關損耗越來越小，所以普通的8位單片機并不能滿足要求，TI公司的TMS320F240系列單片機因其具有快速的處理能力在大功率開關管控制方面已經(jīng)得到實踐認可，并在諸多復雜控制檢測系統(tǒng)中起到核心作用[4]。由于本系統(tǒng)中PFC整流電路以及逆變電路算法復雜，加之比較繁瑣的邏輯順序，所以分別需要一塊DSP對其進行控制。如果將監(jiān)控程序加入DSP中，鍵盤顯示以及數(shù)據(jù)存儲速度勢必要加入等待周期，同時會影響CPU的處理速度。所以，現(xiàn)大都采用另加一塊單片機對其進行監(jiān)控、鍵盤顯示、以及一些重要數(shù)據(jù)的備份。因此，在數(shù)字化UPS中串行通訊也顯得猶為重要。
2 MCS51單片機和TMS320F240的串行通訊
MCS51系列單片機內(nèi)部具有一個全雙工串行口，該串行口有四種工作方式，可以利用軟件進行設置，由片內(nèi)定時/計數(shù)器產(chǎn)生。串行口的接收發(fā)送數(shù)據(jù)均可以觸發(fā)中斷，并含有接收、發(fā)送緩沖器SBUF,兩個緩沖器共用一個字節(jié)地址。串行口是可編程的接口，對它的初始化只用兩個控制字分別寫入特殊功能寄存器SCON和電源控制寄存器PCON中即可。
TMS320F240中的串行外設接口(SPI)模塊，是一個高速、同步串行I/O口，它允許長度可編程的串行位流(1~8)位以可編程的位傳輸速度移入或移出器件。數(shù)據(jù)的傳輸需要三條線，即時鐘、發(fā)送和接收。串行通訊接口(SCI)模塊支持CPU和使用NRZ(Nonreturn-to-zero)的異步通訊設備之間的通訊，跟SPI不同的是SCI僅僅需要兩個I/O口進行數(shù)據(jù)傳輸，即發(fā)送端和接收端，所以在外圍硬件電路設計方面更容易實現(xiàn)。雖然外圍電路設計簡單可行，但是SCI數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣容^SPI要差很多，因為SPI具有的時鐘線可以使得兩塊芯片達到真正意義上的同步，而通過SCI連接的兩塊芯片各自有自己的時鐘，這就使得傳輸速度受到影響(最高可達64kb/s),有些應用場所在傳輸距離很短(15m以內(nèi))的情況下通常使用較為容易實現(xiàn)的SCI異步串行通訊。但對傳輸速率要求較高，或傳輸距離要求較長的情況下通常使用SPI(1.2km,10Mb/s) 同步串行通訊。故雖本系統(tǒng)才用SCI進行通訊，同時給出SPI設計方法，通過對照比較達到靈活運用DSP串行通訊接口的效果。
3 SCI接口實現(xiàn)DSP與單片機的串行通訊
在利用SCI連接外圍芯片的時候通常需要外加接口芯片，常用的有MAXIUM公司的MAX232A和MAX485[3]等等。本文給出SCI經(jīng)由MAX232A與單片機相連的，如圖1所示：
圖1 利用SCI實現(xiàn)的單片機與DSP通訊原理圖
MAX232A由監(jiān)控板上的普通+5V電壓供電，內(nèi)部有一個電子槳電壓變換器，可以把輸入的+5V電源電壓變換成RS232C通訊的 10V電壓。這種芯片內(nèi)部含有兩個發(fā)送器和兩個接收器，能夠滿足雙工發(fā)送器/接收器的電氣規(guī)范。并且此芯片可以完成RS232C電平到TTL/CMOS電平的轉換。
3.1 初始化設置
在異步通訊中必須先規(guī)定兩件事：一是字符格式，即規(guī)定每一陣數(shù)據(jù)的格式，二是采用波特率及時鐘頻率和波特率的關系。這些規(guī)定是通過初始化設置與串行通訊有關的寄存器來實現(xiàn)的。在TMS320F240中本系統(tǒng)中SYSCLK=24MHz，現(xiàn)選擇波特率為9600bps進行RS-232通信，確定波特率選擇寄存器的值BRR方法如下：
當BRR=1到65535時的串行通信接口異步波特率為：SCI異步波特率=SYSCLK/[(BRR+1) 8]其中BRR=SYSCLK/(SCI異步波特率 8)-1
當 BRR=0時的串行通信接口異步波特率為：SCI異步波特率=SYSCLK/16這里的BRR等于波特率選擇寄存器的16位值
根據(jù)上面公式計算得BRR=24 10 /(9600 8)-1=311.5 138H所以波特率選擇寄存器設置為SCIHBAUD=01H，SCILBAUD=38H
TMS320F240初始化程序如下：
LDP #00E0H 頁地址指針設置
SPLK #0017H,SCICCR;設定通訊格式每幀10數(shù)據(jù)
SPLK #0013H,SCICTL1;使能TX,RX
SPLK #0000H,SCICTL2;禁止RXINT,TXINT中斷
SPLK #0001H,SCIHBAUD;波特率設定為9600bit/s
SPLK #0038H,SCILBAUD;
SPLK #0033H,SCICTL1;使能SCI
MCS51單片機的特殊功能寄存器SCON定義了串行通信的方式選擇、接收和發(fā)送控制以及串行口的狀態(tài)標志等。初始化中將其設置成串口方式1，接收允許狀態(tài)。串口方式1收發(fā)的數(shù)據(jù)格式為1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位。SCON中的TI，RI位在初始化中置0，在發(fā)送、接收完一幀數(shù)據(jù)，硬件自動將其置1，中斷被響應后，TI、Ri不會自動清0，必須由軟件清0。其串行通信波特率由定時器T1溢出率獲得，
波特率的計算公式為：
上式中N是初值，SMOD是PCON中的位，
是時鐘頻率，則初始值
本系統(tǒng)中設定SMOD=1，
波特率為9600bit/s則計算
設定初始值為：(TH1)=(TL1)=0FCH。則MCS51單片機初始化程序如下：
MOV TMOD，#20H;T1工作于模式2
MOV TH1,#FCH;
MOV TL1,#FCH;賦計數(shù)初值，波特率為9600bit/s
MOV SCON,#50H;置串口方式1，每幀10數(shù)據(jù)，允許接收
MOV PCON，#80H;設SMOD=1
SETB TR1啟動定時器
3.2 TMS320F240利用SCI與MCS51單片機通信的軟件流程圖
圖2 TMS320F240利用SCI與MCS51單片機通信的軟件流程圖
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