基于雙DSP的并聯(lián)控制系統(tǒng)中串行通信的研究

　　摘 要：概要地介紹了TMS320F2812 DSP 的基本性能，重點介紹了利用DSP 的SPI 模塊進行雙DSP 同步串行通信，以及在Visual Basic 6.0 下，利用MSComm 控件實現(xiàn)上位PC 機和下位DSP 之間異步串行通信的具體實現(xiàn)方式。最后給出了一個采用RS-232 串行通信標準實現(xiàn)信息傳輸?shù)膶嵗?。串行通信簡單，界面友好，?yīng)用領(lǐng)域廣泛。

　　引言

　　隨著數(shù)字信號處理器（DSP）在系統(tǒng)控制領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，控制各系統(tǒng)的DSP 之間 通信問題也越來越突出。利用DSP 本身的高速同步串行接口（SPI）模塊，可以讓DSP 直 接對接實現(xiàn)芯片間的同步串行通信。有時為了充分利用PC 機資源，讓一些在智能儀器上難以解決的問題諸如曲線顯示等可以在PC 機上得以實現(xiàn)，這就需要DSP 內(nèi)嵌的串行通信接口 （SCI）模塊，實現(xiàn)DSP 與上位機的異步串行通訊。

　　本文所介紹的通信方法的背景是為課題組搭建雙開關(guān)磁阻伺服電動機并聯(lián)傳動系統(tǒng) （SRSD），系統(tǒng)使用的是TMS320F2812 芯片，具有SPI 模塊和SCI 模塊[1]。本文詳細介紹 了SPI 模塊和SCI 模塊各自進行串行通信的硬件連接和軟件實現(xiàn)方法，從而完成了基于 TMS320F2812 的雙SRSD 系統(tǒng)通信模塊的實現(xiàn)。

　　1 系統(tǒng)簡介

　　雙電機并聯(lián)系統(tǒng)有很多優(yōu)點，它比單電機系統(tǒng)在處理電機空間放置方式上更為靈活，并且有利于改進電機的特性。相對于單電機系統(tǒng)，在相同的輸出情況下，雙電機的總轉(zhuǎn)動慣量更小，從而可以減少運行時的電能消耗。此外，當雙電機中的一臺損壞后，另一臺仍可以在短時間內(nèi)或適當減少負載的情況下繼續(xù)運行，提高了系統(tǒng)的可靠性[3]。

　　本文背景以SRSD 為主要研究對象，以位置輸出為主要控制量。在單機系統(tǒng)的基礎(chǔ)上， 經(jīng)過改進，設(shè)計出雙SRSD 并聯(lián)系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

　　2 串行通信原理及特性

　　在計算機中，通常用8 位的二進制代碼來表示一個字符，一條信息的各位字符的二進制代碼被按由低到高位的順序，依次地發(fā)送出去的通信方式叫做串行通信。它的特點是按位發(fā)送。根據(jù)信息的傳送方向，串行通信可以分為單工通信、半雙工通信和全雙工通信。在本文中采用的是全雙工的通信方式。串行通信按照傳輸方式的不同又可以分為同步方式和異步方 式。同步方式較復(fù)雜，但傳送速率比異步方式高。本文中SPI 采用是同步方式，SCI 采用是 異步方式。

　　TMS320F2812 的SPI 是一個高速的同步串行輸入/輸出端口，一般用來實現(xiàn)DSP 控制器 之間和DSP 與外圍設(shè)備之間的通信。SPI 有兩種操作模式：主操作模式和從操作模式。主片 控制了時鐘信號（SPICLK），它可以在任何時候通過發(fā)送SPICLK 信號來啟動數(shù)據(jù)傳輸。無論是主片還是從片，數(shù)據(jù)都是在SPICLK 的某個邊沿移出移位寄存器，在SPICLK 相反的邊沿鎖存在移位寄存器中，并且輸出和接受數(shù)據(jù)都是同時進行的。

　　芯片的 SCI 是一個雙線通信的異步串行通信接口，也稱UART 口，一般用于接上位機（以下簡稱PC 機）。

　　3 同步通信模塊的設(shè)計

　　3.1 基于SPI 模塊的硬件設(shè)計

　　讓兩個 DSP 分別工作在主、從操作模式下，兩者的引腳連接如圖2 所示。主處理器通 過SPICLK 腳向整個通信網(wǎng)提供串行時鐘，控制著系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸；通過SPISTE 腳給從處 理器提供片選信號，低電平有效；通過SPISIMO 腳把數(shù)據(jù)輸出到從處理器的SPISIMO 腳上； 通過SPISOMI 腳接受從機處理器SPISOMI 腳上的數(shù)據(jù)。

　　3.2 同步通信流程設(shè)計及軟件實現(xiàn)

　　在設(shè)計時，主處理器先向從處理器發(fā)送給定信息，發(fā)送完畢后，循環(huán)發(fā)送0，使SPICLK 不停地有時鐘脈沖輸出，并等待接受從處理器發(fā)送的數(shù)據(jù)。從處理器先是等待給定信息，如果接收到非零數(shù)據(jù)，則進行下一步運行并不斷向主處理器發(fā)送當前數(shù)據(jù)。

　　SPI 通信主處理器的流程圖和從處理器的流程圖分別如圖3、圖4 所示。

　　在完成兩個DSP 時鐘和中斷初始化后，分別對其SPI 寄存器進行設(shè)置，讓其分別處于 master 和slave 模式。主、從處理器都采用查詢方式發(fā)送數(shù)據(jù)，中斷方式接受數(shù)據(jù)。

　　查詢方式發(fā)送是判斷SPI 發(fā)送緩沖器已滿標志位（SPISTS.bit.BUFFULL_FLAG）是否為空，如果為空，則將數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖寄存器（SPITXBUF）中，啟動SPISIMO 引腳的數(shù)據(jù)發(fā)送，數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后SPISTS.bit.BUFFULL_FLAG 自動清零，等待下一次發(fā)送。

　　中斷方式接受是在SPI 中斷使能位（SPICTL.bit.SPIINTENA）置位的情況下，如果接收 到數(shù)據(jù)傳送到SPI 串行數(shù)據(jù)寄存器（SPIDAT）中，SPI 中斷標志位（SPISTS.bit.INT_FLAG）置位且觸發(fā)中斷，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到接受緩沖寄存器（SPIRXBUF）中，如果SPIRXBUF 中數(shù)據(jù)被讀取，則SPISTS.bit.INT_FLAG 自動清零，等待下一次接受中斷。

　　SPI 部分發(fā)送和接受程序如下：

　　void spi_TxProcess()

　　{

　　while(SpiRegs.SPISTS.bit.BUFFULL_FLAG==1) {}

　　/*判斷SPISTS.bit.BUFFULL_FLAG）是否為空*/

　　if(SpiRegs.SPISTS.bit.BUFFULL_FLAG==0)

　　{

　　SpiRegs.SPITXBUF=slave_value;

　　/*向SPITXBUF 寫入數(shù)據(jù)以啟動數(shù)據(jù)發(fā)送*/

　　}

　　}

　　interrupt void SPIRXINTA_ISR(void)

　　/*中斷方式接受*/

　　{

　　TX_data2=SpiRegs.SPIRXBUF;

　　/*讀取SpiRegs.SPIRXBUF 后自動清除中斷標志位*/

　　return;

　　}

　　4 異步通信模塊的設(shè)計

　　4.1 基于SCI 的硬件設(shè)計

　　圖 5 為上位機和DSP 的硬件連接圖。RS-232C 標準采用負邏輯：邏輯“1”為-5V~-15V 之間的低電平，通常用-12V 表示；邏輯“0”為+5V~+15V 之間的高電平，通常用+12V 表示。 上述標準稱為EIA 電平。

　　RS-232C 是用正負電壓來表示邏輯狀態(tài)，并且是負邏輯，而TTL 則以高低TTL 器件電平表示邏輯狀態(tài)，且為正邏輯，兩者的規(guī)定是不同的。為了能夠?qū)⑴cEIA 器件連接，保證二者之間正常通信，必須在它們之間進行電平和邏輯關(guān)系的變換。本Maxim 公司生產(chǎn)的集 成芯片MAX232 來實現(xiàn)這一變換[4]。變化后的電平在經(jīng)過6N137 轉(zhuǎn)換為適合TMS320F2812 的電平在+3.3V 以內(nèi)的信號。

　　4.2 SCI 通信的軟件實現(xiàn)

　　通信前，發(fā)送端和接受端必須使用雙方協(xié)商一致的通信協(xié)議，數(shù)據(jù)被拆分成為（bit）進行傳送。傳送的順序一次為起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗位、停止位。每秒鐘傳送的bit 數(shù)由波特率來決定。本文中的通信協(xié)議設(shè)定為：波特率38400bit/s，8 位數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗，1 位停止位，數(shù)據(jù)傳輸同時采用ASCⅡ碼和二進制兩種形式。

　　上位機采用Visual Basic6.0（以下簡稱VB）語言編程實現(xiàn)，利用VB 中提供的MSComm 控件可以實現(xiàn)PC 機與下位機的通信。利用MSComm 實現(xiàn)通信有兩種方法：一是事件驅(qū)動 方法，也就是OnComm 事件。當有數(shù)據(jù)到達端口或端口狀態(tài)發(fā)生改變或有通信錯誤產(chǎn)生時， 都將發(fā)生OnComm 事件。另一種就是查詢方式。查詢方式是通過周期性讀取緩沖區(qū)的信號來發(fā)現(xiàn)是否有事件發(fā)生并進行處理的方法。本設(shè)計中，發(fā)送采用查詢方式，接受采用事件驅(qū) 動方法。MSComm 控件初始化程序如下：

　　MSComm1.CommPort = 1 '端口號'

　　MSComm1.Settings = "38400,n,8,1"

　　'波特率38400bit/s，8 位數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗，1 位停止位'

　　MSComm1.InputLen = 0

　　MSComm1.InBufferCount = 0 '清空接收緩沖區(qū)'

　　MSComm1.OutBufferCount = 0 '清空'

　　MSComm1.RThreshold = 1 '接收緩沖區(qū)或發(fā)送緩沖區(qū)中可以接收的字符數(shù)'

　　MSComm1.PortOpen = True

　　應(yīng)實際要求，我們要在通信中同時傳輸數(shù)據(jù)和控制字符，所以數(shù)據(jù)傳輸同時采用ASCⅡ 碼和二進制兩種形式。這就需要在每次傳輸前改變MSComm1.InputMode 的屬性。

　　TMS320F2812（SPI 通信中主處理器）在完成時鐘和中斷初始化后，對其SCI 寄存器進 行設(shè)置，使其通信協(xié)議和上位機一致。TMS320F2812 采用查詢方式給上位機發(fā)送數(shù)據(jù)，中 斷方式接受上位機的數(shù)據(jù)。SCI 寄存器設(shè)置如下：

　　SciaRegs.SCICCR.all=0x0007;

　　/*一個停止位，禁止奇偶校驗，禁止自測，8 個字符*/

　　SciaRegs.SCICTL1.all=0x0003;

　　/*禁止接受錯誤中斷，復(fù)位，禁止休眠，開啟發(fā)送使能*/

　　SciaRegs.SCICTL2.all=0x0002;

　　/*開接受中斷，關(guān)發(fā)送中斷*/

　　SciaRegs.SCIHBAUD=0x00;

　　SciaRegs.SCILBAUD=0x79;

　　/*波特率38400*/

　　SciaRegs.SCICTL1.all=0x0023;

　　/*開始使能SCIA*/

　　5 結(jié)束語

　　以上為解決兩個DSP 之間以及DSP 與PC 機之間的通信的軟硬件設(shè)計方案，當上位機 發(fā)送給定信息（位置信息）后，下位機接受到數(shù)據(jù)并傳輸給SPI 處理器，上位機和下位機界 面如圖6、圖7。

　　系統(tǒng)的最大特點是根據(jù)實際需要，采用同時同步和異步兩通信方式。雙系統(tǒng)間的同步串 行通信，保證了雙系統(tǒng)運行的同步性；通過PC 機和上位機的異步串行通信，實現(xiàn)把DSP 采集的一系列數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送至PC 機，解決了DSP 存儲空間有限的問題，在PC 上可以很方便地對數(shù)據(jù)進行一些在DSP 上難以實現(xiàn)的處理，得到一些數(shù)據(jù)曲線等，效果直觀便捷。此系統(tǒng)已應(yīng)用與某一開關(guān)磁阻電機電機并聯(lián)控制系統(tǒng)中，運行穩(wěn)定，通信性能良好。