DSP串行通信在減搖水艙試驗(yàn)臺(tái)架控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　1 引言

　　TMS320LF2407是美國(guó)TI（Texas Instruments）公司專(zhuān)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(mén)狗定時(shí)器、CAN現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)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?？删幊?—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(xún)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(xiàn)多處理器模式和地址線(xiàn)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(xiàn)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(xún)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=

　?。˙RR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

　　DSP中通信程序設(shè)計(jì)

　　DSP的SCI模塊使用中斷來(lái)接收PC機(jī)所傳送來(lái)的參數(shù)，供控制算法主程序調(diào)用，DSP中串行數(shù)據(jù)接收流程圖如圖3所示。

圖3 DSP串行數(shù)據(jù)接收流程圖

　　DSP接收的數(shù)據(jù)為十六位，所以需要對(duì)高八位和低八位分別進(jìn)行接收，高八位左移八位加上低八位，就是所要的十六位數(shù)據(jù)，接收的數(shù)據(jù)依次保存在首地址為4002h的連續(xù)單元中。下面為SCI模塊初始化和接收中斷兩部分的匯編語(yǔ)言源程序。

　　SCI初始化程序如下：

　　LDP #0E1h

　　SPLK #0003h, MCRA

　　; 選中SCI輸入輸出引腳

　　LDP #0E0h

　　SPLK #27h, SCICCR

　　; 1個(gè)停止位，八位數(shù)據(jù)，奇校驗(yàn)，

　　; 空閑線(xiàn)方式，禁止自測(cè)試

　　SPLK #0003h, SCICTL1

　　; 允許TX，RX和內(nèi)部SCICLK

　　; 禁止RXERR，SLEEP，TXWAKE

　　SPLK #0002h, SCICTL2

　　; 允許RX中斷，禁止TX中斷

　　SPLK #0002h, SCIHBAUD

　　SPLK #0008h, SCILBAUD

　　; 40MHz SYSCLK下，波特率為9600bps

　　SPLK #0023h, SCICTL1

　　; 放棄復(fù)位SCI

　　LAR AR0, #SCITXBUF

　　LAR AR1, #SCIRXBUF

　　; 載入兩個(gè)緩沖器的地址

　　LDP #0

　　SPLK #04002h, RTB

　　; 定義接收數(shù)據(jù)的首地址

　　SPLK #01h, NUM

　　; 設(shè)置判別高8位還是低8位的變量

　　SPLK #0, RTD

　　; 接收數(shù)據(jù)寄存器

　　串行數(shù)據(jù)接收中斷程序如下：

　　SCI_INT:

　　LDP #0

　　LACC #02h

　　SUB NUM

　　BCND high, GT

　　; 判斷是否為高8位數(shù)據(jù)

　　MAR ＊, AR1

　　LACC ＊, AR1

　　ADD RTD

　　SACL RTD

　　LACC RTB

　　TBLW RTD

　　ADD #1

　　SACL RTB

　　SPLK NUM

　　high:

　　; 讀高8位數(shù)據(jù)

　　MAR ＊, AR1

　　LACC ＊, AR1

　　SACL RTD

　　LACC RTD, 8

　　SACL RTD

　　SPLK #02h, NUM

　　PC機(jī)中通信程序設(shè)計(jì)

　　在PC機(jī)中，串口通信的程序是用Visual Basic 6.0開(kāi)發(fā)的，調(diào)用的是Microsoft 公司提供的 MSComm 控件。

　　MSComm 控件為應(yīng)用程序提供了通過(guò)串行接口收發(fā)數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)便方法，在VB、VC、Delphi等語(yǔ)言中均可使用。它提供兩種處理通信的方式：事件驅(qū)動(dòng)方式和查詢(xún)方式。在這里我們采用的是事件驅(qū)動(dòng)方式，這種方式是處理串行端*互作用的一種非常有效的方法，其優(yōu)點(diǎn)是程序響應(yīng)及時(shí)，可靠性高。在程序中可以利用該控件的OnComm事件來(lái)捕獲并處理發(fā)送和接收等通信事件;OnComm事件還可以檢查和處理通信錯(cuò)誤。MSComm 控件的主要屬性及其功能如表1所示。

表1 MSComm 控件的主要屬性及功能

　　在上位機(jī)的程序設(shè)計(jì)中，首先進(jìn)行串口參數(shù)初始化設(shè)置：

　　Private Sub Form_Load（）

　　If MSComm.PortOpen=True Then

　　MSComm.PortOpen=False

　　End If

　　′關(guān)閉串行端口

　　intPort=1

　　serSet=″9600,O,8,1 ″

　　MSComm.CommPort=intPort

　　′選擇串行端口

　　MSComm.Settings= serest

　　′設(shè)置波特率9600bps,一個(gè)停止位，八個(gè)數(shù)據(jù)位，且為奇校驗(yàn)

　　MSComm.OutBufferSize=512

　　′設(shè)置發(fā)送緩沖區(qū)大小

　　MSComm.PortOpen=True

　　′打開(kāi)串行端口

　　串口通信應(yīng)用程序的界面如圖4所示。

圖4 上位機(jī)通信程序界面

　　6 結(jié)論

　　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)。為了提高實(shí)時(shí)控制的效果，需要進(jìn)行上位機(jī)與下位機(jī)之間的串行通信。本文設(shè)計(jì)的串行通信方法，簡(jiǎn)便可靠，并且在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。