帶自舉功能的DSP外設擴展模塊設計

摘要：TMS320VC54x系列DSP(Digital Signal processor)沒有AD、DA等常用外設且缺少程序存儲器，故其應用系統(tǒng)通常需進行外設擴展模塊與自舉模塊設計，針對傳統(tǒng)解決方案將兩個模塊分別實現(xiàn)存在擴展器件多、系統(tǒng)集成度不高等問題，本文提出了一種帶自舉功能的DSP外設擴展模塊。該模塊通過將C8051F330單片機作為唯一的外擴芯片，利用其片F(xiàn)LASH存儲DSP自單程序代碼，并采用其片上AD、DA實現(xiàn)DSP的外設擴展。實驗表明本文提出的DSP外設擴展模塊合理可行。

TMS320VC54x系列DSP由于具有快速運算能力，其指令執(zhí)行速度最高可達160 MIPS，因此在消費電子、通信等領域應用廣泛。但此系列DSP片上沒有AD、DA等工業(yè)常用外設，常需要對其進行外設擴展模塊設計，另外，此系列DSP也沒有FLASH、EEPROM等便于改寫的片內(nèi)程序存儲器，掉電后不能保存用戶程序代碼，因此還需要對其擴展自舉模塊。文獻給出了不同的DSP外設擴展模塊設計方案，而文獻則給出了不同的DSP自舉模塊設計方案，上述將外設擴展模塊與自舉模塊分別實現(xiàn)的設計方案，存在外擴器件較多、集成度不高、成本較高等問題。為此，文中提出了一種帶自舉功能的DSP外設擴展模塊，該模塊僅用外擴一個芯片，就能一體實現(xiàn)DSP的外設擴展與自舉，具有擴展器件少、系統(tǒng)集成度高、穩(wěn)定性好、成本較低等特點。

1 方案設計

文中提出的DSP外設擴展模塊，借助C8051F330豐富的片上外設資源對DSP實現(xiàn)10位AD、DA擴展，同時利用C8051F330片內(nèi)FLASH存儲DSP用戶程序代碼，并用標準串行總線實現(xiàn)自舉，模塊原理框圖如圖1所示。圖1中虛線框部分為本文設計的DSP外設擴展模塊，其中C8051F330是本模塊的唯一外擴芯片。一方面，目標板中的DSP通過將其片上McBSP0配置為SPI工作模式，實現(xiàn)控制C8051F330片上的AD采樣數(shù)據(jù)或DA形成模擬波形，從而完成對DSP的AD、DA外設擴展。上述SPI通信中，TMS320VC5416為主設備，C8051F330為從設備。另外，考慮到只有SPI主設備才能啟動數(shù)據(jù)傳輸，為了將SPI從設備的AD采樣數(shù)據(jù)第一時間傳輸給SPI主設備，SPI從設備通過I/O引腳觸發(fā)SPI主設備的外部中斷，從而使SPI主設備啟動SPI通信。另一方面，利用C8051F330片內(nèi)FLASH的剩余空間(從0x0BB7到0x1FF)存儲DSP程序代碼，同時，利用5個I/O引腳模擬DSP的標準串行自舉接口，從而實現(xiàn)DSP的標準串行自舉模塊設計。DSP有多種自舉模式，標準串行自舉模式占用的DSP硬件資源最少，故本文模塊選用了標準串行自舉模式。但在此模式下，自舉模塊必須與DSP的McBSP0接口相連，為了進一步減少對DSP硬件資源的占用，本文將C8051F330的SPI接口與5個I/O引腳模擬的標準串行自舉接口復用DSP的McBSP0接口。

2 硬件設計

文中提出的DSP外設擴展模塊硬件主要包括如下幾部分：自舉模塊，SPI通信模塊，外設擴展模塊以及C8051F330最小系統(tǒng)模塊，考慮到介紹C8051F330最小系統(tǒng)的文獻較多，此處不再贅述，這里主要給出其他模塊的硬件連接關系，如圖2所示。

圖2虛線框1為自舉模塊(標準串行自舉方式)引腳連接關系，其中與標準串行自舉直接相關的DSP引腳為接收時鐘信號(BCLKR0)，多通道緩沖接收引腳(BDR0)，幀同步接收信號(BFSR0)，因為DSP與單片機啟動不同步，因此需要設置RS引腳在單片機上電后對DSP進行復位，設置XF引腳在DSP準備好后觸發(fā)單片機的INT0啟動自舉操作。另外，DSP的自舉方式有多種，且標準串行自舉模式比較靠后，所以必須在硬件上對DSP的INT2、INT3和BIO引腳進行上拉保護，從而確保DSP上電后，其片上Bootloader進入標準串行自舉方式。圖2虛線框2給出了SPI通信模塊中DSP與單片機對應引腳連接關系，本文采用4線主從方式實現(xiàn)SPI通信，DSP的BCKLX0為時鐘控制引腳，BFSX0為片選引腳，為了最大限度節(jié)省DSP硬件資源，自舉模塊和SPI通信模塊中的BDR0引腳進行了復用。為使主從設備更好地進行通信，SPI通信過程中設置了主從握手函數(shù)，P16為握手中斷控制引腳。圖2虛線框3說明了外設擴展模塊引腳連接關系，外設擴展模塊介紹了AD、DA及參考電壓硬件設置，P17引腳為AD波形輸入端，實驗時配置為模擬輸入，開漏輸出。P01引腳為DA的波形輸出端，P00引腳為參考電壓接入引腳，配置為模擬輸入，開漏輸出，AD采樣必須設置電壓基準，C8051F330的電壓基準可以被配置為外部電壓基準、內(nèi)部電壓基準或電源電壓VDD，為了使硬件設計更加簡單，本文選用內(nèi)部電壓基準。

3 軟件設計

DSP外設擴展模塊軟件設計分為兩部分：代碼轉(zhuǎn)換程序設計和C8051F330單片機程序設計。代碼轉(zhuǎn)換程序是為了將用戶在DSP開發(fā)軟件CCS下編譯生成的.out文件(一種公共目標文件格式，包含了許多冗余信息)去除冗余信息，變?yōu)槿坑杏玫腄SP自舉文件格式，具體過程參見文獻。下面詳細介紹單片機程序的具體內(nèi)容。

C8051F330單片機程序包括四部分：DSP與單片機之間的通信協(xié)議、兩次初始化程序、自舉程序及片上外設驅(qū)動程序。C8051F330單片機程序主流程圖如圖3所示，圖3中，單片機系統(tǒng)上電后，程序便開始運行，首先要禁止看門狗，防止程序跑飛，因DSP啟動速度比C8051F330快，故自舉前，先要初始化單片機端口并復位DSP，等待DSP的XF引腳觸發(fā)P07中斷后啟動自舉操作。自舉完成后，就要利用C8051F330單片機的片上AD、DA對DSP進行外設擴展，DSP的外設擴展是建立在SPI通信基礎上的，通信前，需要對單片機進行第二次初始化，避免引腳沖突。通信過程中，單片機與DSP需要通過SPI_handshaking()函數(shù)進行握手，握手成功后，單片機便可通過SPI通道讀取DSP發(fā)送的AD命令或DA命令進行AD DA擴展。

3.1 DSP與單片機之間通信協(xié)議

為了使DSP和單片機進行良好的通信，本文設置了SPI通信協(xié)議，具體如圖4所示，下面對此協(xié)議的制定作簡要介紹。協(xié)議中一幀數(shù)據(jù)包括4個字節(jié)：第一字節(jié)為起始標志字節(jié)，值為0xC5，對應的二進制數(shù)為11000011，起始標志字節(jié)在數(shù)據(jù)傳輸中發(fā)揮著巨大作用，它標志著傳輸數(shù)據(jù)是否有意義;第二字節(jié)為命令字節(jié)，DSP在數(shù)據(jù)傳輸過程中處于兩種命令狀態(tài)，如果第二字節(jié)的6—7位值為01，則DSP處于AD命令狀態(tài)，6—7位為10則DSP處于DA命令狀態(tài);第三、四字節(jié)分別裝載的是10位AD、DA高、低8位數(shù)據(jù)。

3.2 兩次初始化程序設計

單片機需要進行兩次初始化，第一次初始化是在自舉之前，包括端口初始化、時鐘初始化和中斷初始化，第二次初始化是在自舉之后，在第一次初始化的基礎上還需進行SPI初始化、AD初始化、DA初始化，兩次初始化期間，時鐘只能初始化一次，否則單片機初始化不會成功。時鐘初始化時被配置為24.5 MHz。之所以要對單片機進行兩次初始化是因為自舉和SPI通信過程中，DSP的McBSP0接口進行了復用，而且這樣設計可以節(jié)省更多的硬件資源，降低設計成本。下面主要介紹下AD、DA和SPI初始化過程。AD初始化如下所示：

AMXOP =0x0F：//P17引腳為AD輸入端

AMXON =0x11：//單端工作方式

ADCOCF =0x00;//右對齊

ADCOCN =0x80;//使能ADC

DA初始化如下所示：IDAOCN=0xF2;//使能DA

SPI初始化如下所示：SPIOCN=0x05;//使能SPI

SPIOCKR=0x5;//SPIO時鐘速率為1.8432 MHz

3.3 自舉程序設計

標準串行自舉邏輯時序圖如圖5所示，圖5指出模擬標準串行自舉只需3個I/O引腳，但本文卻用5個I/O口，其中另設了XF和RS引腳。因為DSP啟動速度與單片機不同步，因此需設置RS引腳讓單片機上電后對DSP進行復位，設置XF引腳讓DSP觸發(fā)單片機的外部中斷INT0，啟動自舉模塊。圖5中的邏輯時序圖說明為保證DSP正常運行，以下條件必須滿足：傳輸每個字節(jié)數(shù)據(jù)需至少保證40個DSP時鐘周期的延時時間，單片機時鐘(BCLKR0)不可超過DSP時鐘頻率的1/2。發(fā)送幀同步信號之前應先發(fā)送2個時鐘信號，幀同步信號置高期間發(fā)送1.5個時鐘，幀同步信號置底后開始按位發(fā)送數(shù)據(jù)，一字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送完成后再發(fā)送兩個時鐘信號。

3.4 片上外設驅(qū)動程序設計

片上外設驅(qū)動程序包括SPI通信驅(qū)動程序、AD與DA驅(qū)動程序。SPI通信是DSP外設擴展模塊的軟件基礎，通信前，單片機先拉低DPS_INT0觸發(fā)DSP的外部中斷INT0，再讀取一個無意義的SPI數(shù)據(jù)和DSP進行握手，握手成功后，主從設備便可通過SPI通道互相寫數(shù)據(jù)或讀取對方發(fā)送dat[]中的數(shù)據(jù)。SPI通信讀函數(shù)驅(qū)動程序如下所示，程序中SPIODAT為SPI0數(shù)據(jù)寄存器，C8051F330在SPI通信中通過讀SPIODAT來讀取接收緩沖器中的數(shù)據(jù)。

SPI通信讀函數(shù)驅(qū)動程序：

C8051F330內(nèi)部AD有6種轉(zhuǎn)換啟動方式，本文采用寫‘1’ 到ADCOCN的ADOBUSY位，向ADOBUSY寫‘1’方式提供了用軟件控制ADCO轉(zhuǎn)換的能力。ADOBUSY位在轉(zhuǎn)換期間被置‘1’，轉(zhuǎn)換結束后賦‘0’。單片機初始化完成，給C8051F330的P17端口輸入正弦波(由于實驗設備仍需完

善，正弦波頻率限制在0～20 Hz，幅值限制在0～3.3 V)進行AD采樣，本文采用查詢方式進行AD采樣，使用AD中斷標志(ADOINT)來不斷查詢AD轉(zhuǎn)換是否完成。當ADOINT位為邏輯‘1’時，AD數(shù)據(jù)寄存器(ADCOH：ADCOL)中的轉(zhuǎn)換結果有效。采樣完后，單片機通過SPI通道將采樣值傳送給DSP，DSP通過SPI_READ0函數(shù)從SPI讀取采樣數(shù)據(jù)。C8051F330片內(nèi)DA為電流模式數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(IDAC)。IDAC的最大輸出電流可以有3種不同的設置：0.5 mA、1mA和2 mA，此程序中設置為2 mA。DA轉(zhuǎn)換時，DSP通過SPI_WRITE()函數(shù)將需要進行DA的數(shù)據(jù)寫給單片機，最終單片機再將DSP發(fā)來的數(shù)據(jù)進行DA處理，AD采樣驅(qū)動程序如下所示：

4 實驗

為驗證本文設計模塊的可行性，下面以TMS320VC5416目標板為例，設計了如下兩個實驗：一、16位標準串行自舉實驗;二、片上AD與DA擴展實驗。

實驗一：16位標準串行自舉實驗

實驗一是為了驗證C8051F330單片機可否成功實現(xiàn)TMS320VC5416處理器的16位標準串行自舉。為了使實驗結果便于觀察，本文用CCS編寫了液晶顯示程序，顯示內(nèi)容為“基于C8051F330的DSP自舉模塊液晶顯示自舉測試等”。由上文可知，須將編寫程序代碼在CCS軟件下編譯生成.out文件，再將.out文件去除冗余信息，變?yōu)槿坑杏玫腄SP程序代碼，移植到C8051F330單片機中才能使用，結合所編寫的自舉程序上電運行后可得到如圖6所示結果，從圖6中可以觀察到DSP完全可以脫離仿真器，從C8051F330單片機讀取DSP用戶程序，以上結果說明自舉模塊設計合理可行。

實驗二：AD與DA擴展實驗

實驗二是為了驗證在完全脫離DSP仿真器的情況下，利用C8051F330片上AD、DA對TMS320VC5416進行片上外設擴展的可行性。實驗中由TMS320VC5416控制C8051F330片上的AD、DA采樣數(shù)據(jù)或形成模擬波形，為了使實驗結果便于觀察，用示波器對AD采樣前的波行與DA重構波形進行雙通道跟蹤，實驗時，通過DSP試驗箱給單片機的P17口接入頻率為20 Hz、最大幅值為1.31 V的正弦波，如圖7中黃色波形所示。單片機的P01端口為DA輸出端，C8051F330的DA輸出為電流輸出，因為要用示波器顯示DA輸出波形，所以需在P01端口接入電阻，將電流輸出轉(zhuǎn)換為電壓輸出，DA輸出波形如圖7中藍色波形所示。觀察示波器波形，可看到DA重構波形與AD采樣前的波形吻合。以上結果說明，該模塊設計的利用C8 051F330片上外設資源對TMS320VC5416處理器進行AD與DA擴展是合理可行的。

5 結束語

文中提出了一種帶自舉功能的DSP外設擴展模塊，該模塊利用C8051F330的片內(nèi)FLASH存儲DSP用戶程序，并利用5個I/O引腳模擬的標準串行總線實現(xiàn)DSP自舉，從而以一種占用DSP硬件資源最少的方式解決了DSP掉電后不能保存用戶程序的問題;利用C8051F330的片上外設資源對DSP進行10位AD、DA外設擴展，同時C8051F330的SPI接口同標準串行自舉接口復用DSP的McBSP0接口，從而在實現(xiàn)DSP外設擴展的同時，最大限度地節(jié)省了DSP的硬件資源。該模塊用一塊單片機一體實現(xiàn)DSP外設擴展及自舉，具有擴展器件少、集成度高、系統(tǒng)穩(wěn)定性好、成本低廉等優(yōu)點。另外，C8051F330的FLASH內(nèi)存為8K字節(jié)，除去單片機程序，可存儲5K字節(jié)左右的DSP程序，因此該模塊可廣泛用于程序代碼不超過5K字節(jié)的DSP系統(tǒng)中。