DSP與PC機串行通信在減搖水艙試驗臺架控制系統(tǒng)中的應用

  摘 要：針對TI公司的TMS320LF2407，在詳細描述其串行通信接口和模塊的基礎上，結合減搖水艙試驗臺架控制系統(tǒng)，介紹了實現(xiàn)DSP與PC機串行通信的設計方法，并給出了相關的框圖和程序。

1 引言

TMS320LF2407是美國TI（Texas Instruments）公司專為數(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DSP芯片。通過把高速的數(shù)字信號處理器內核和功能強大的片內外設集成在一起， DSP成為傳統(tǒng)的微控制單元和多片設計系統(tǒng)的一種理想替代品。

在減搖水艙試驗臺架控制系統(tǒng)工作過程中，需要實時修改DSP中控制器參數(shù)等變量，因此如何實現(xiàn)PC機與DSP的可靠通信成為一個重要問題。串行通信具有連接簡單、使用靈活方便、數(shù)據(jù)傳遞可靠等優(yōu)點，在工業(yè)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集和實時控制系統(tǒng)中得到了廣泛應用。因而，本系統(tǒng)中采用了串行通信進行參數(shù)傳送。

本文基于減搖水艙試驗臺架控制系統(tǒng)，設計了一種實現(xiàn)DSP與PC機串行通信的方案。

2 減搖水艙試驗臺架控制系統(tǒng)

減搖水艙是減小船舶橫向搖擺的重要減搖裝置之一，對減搖水艙除了進行理論研究外，建立減搖水艙的試驗裝置是對減搖水艙進行研究的重要手段。減搖水艙試驗臺架是研究和設計減搖水艙的重要試驗設備，它可以模擬實際艦船在海浪中的運動，研究水艙的運動、控制規(guī)律，并可測得其減搖效果。

為了使水艙試驗臺架能夠模擬實船在海浪中的運動并研究水艙的實際作用效果，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，對力矩伺服系統(tǒng)的要求較高，所以試驗臺架采用電液力矩伺服系統(tǒng)。減搖水艙試驗臺架系統(tǒng)如圖1所示。


圖1 減搖水艙試驗臺架系統(tǒng)框圖

在減搖水艙試驗臺架控制系統(tǒng)中，采用PC機和DSP的主從式結構。PC機作為上位機，提供海浪橫搖力矩信號、對一些傳感器采集得到的數(shù)據(jù)進行顯示，而DSP作為下位機，完成對減搖水艙試驗臺架電液伺服系統(tǒng)的實時控制。其輸出電壓信號經伺服放大器控制流量電液伺服閥，由伺服閥控制擺動油缸，由液壓油缸驅動試驗臺架系統(tǒng)，擺動油缸輸出的海浪橫搖力矩由傳感器檢測送至DSP構成閉環(huán)控制回路。

3 TMS320LF2407及串行通信接口（SCI）

3.1 TMS320LF2407簡介

TMS320LF2407除了具有TMS320系列DSP的基本功能，還具有一些適合應用于數(shù)字伺服控制的特點。采用高性能靜態(tài)CMOS技術，使得供電電壓為3.3V，降低了控制器的功耗，而且高達40MIPS的執(zhí)行速度使指令周期縮短到25ns，提高了控制器的實時控制能力。TMS320LF2407片內有高達32K 16位的Flash程序存儲器，544字的雙端口RAM（DARAM）和2K字的單口RAM（SARAM）。TMS320LF2407的片內外設非常豐富，包括兩個事件管理器模塊、10位A/D轉換模塊、看門狗定時器、CAN現(xiàn)場總線接口、基于鎖相環(huán)（PLL）的時鐘發(fā)生器、PWM信號通道、串行外設接口（SPI）、串行通信接口（SCI）。TMS320LF2407提供的片內外設資源使得數(shù)字伺服控制應用中所需使用的外圍芯片大大減少了，為應用系統(tǒng)的設計提供了方便

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和其他使用標準NRZ（非歸零）格式的異步外設之間的異步串行數(shù)字通信。SCI模塊會對接收到的數(shù)據(jù)進行測試，如間斷測試、奇偶性、超時以及幀錯誤測試等，以確保數(shù)據(jù)的完整性?？删幊?—8位數(shù)據(jù)長度和1—2位停止位。SCI模塊有雙緩沖的發(fā)送器和接收器，每個都有獨立的使能位和中斷位，兩者可獨立工作，也可同時在全雙工模式下工作，并且發(fā)送和接收操作均可通過中斷和查詢兩種方式來進行。在該模塊中，通過對一個16位波特率選擇寄存器編程，可獲得超過65000種不同的波特率。

在TMS320LF2407與其他異步外設的串行通信中，對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)先級的選擇和使能等都是通過對相關寄存器編程來實現(xiàn)的。

4 本系統(tǒng)中串行通信設計方法及協(xié)議

SCI有兩種多處理器協(xié)議，即空閑線多處理器模式和地址線多處理器模式。這些協(xié)議允許在多個處理器之間進行有效的數(shù)據(jù)傳輸。在本系統(tǒng)中，采用空閑線模式。在此模式下，當接收到數(shù)據(jù)塊起始信號后，串行通信接口被喚醒。處理器識別下一個串行通信接口中斷。中斷服務程序將接收到的地址與自己的地址進行比較。如果該CPU正在被尋址，則中斷服務程序清除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，直到檢測到下一個塊的起始信號。

DSP接收和發(fā)送數(shù)據(jù)可以采用查詢或中斷兩種模式來實現(xiàn)。本系統(tǒng)中采用中斷方式來接收PC機所傳來的參數(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)送均有其獨立的外設中斷向量，并可使用高優(yōu)先級或低優(yōu)先級，中斷服務程序可通過檢查外設中斷向量寄存器的值來轉入相應的接收或發(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算方法如下：

BRR=1到65535時

SCI異步波特率=

BRR=0時

SCI異步波特率=

（BRR為波特率選擇寄存器的十六位值）

在本系統(tǒng)的串行通信過程中，波特率設為9600bit/s，八位數(shù)據(jù)位，一個停止位，奇校驗。為了實現(xiàn)通訊，PC機與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機串行口使用的是標準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機之間必須進行電平邏輯轉換，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機串行通信硬件接口圖[!--empirenews.page--]

DSP中通信程序設計

DSP的SCI模塊使用中斷來接收PC機所傳送來的參數(shù)，供控制算法主程序調用，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，所以需要對高八位和低八位分別進行接收，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個停止位，八位數(shù)據(jù)，奇校驗，

; 空閑線方式，禁止自測試

SPLK #0003h, SCICTL1

; 允許TX，RX和內部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

; 放棄復位SCI

LAR AR0, #SCITXBUF

LAR AR1, #SCIRXBUF

; 載入兩個緩沖器的地址

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機中通信程序設計

在PC機中，串口通信的程序是用Visual Basic 6.0開發(fā)的，調用的是Microsoft 公司提供的 MSComm 控件。
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MSComm 控件為應用程序提供了通過串行接口收發(fā)數(shù)據(jù)的簡便方法，在VB、VC、Delphi等語言中均可使用。它提供兩種處理通信的方式：事件驅動方式和查詢方式。在這里我們采用的是事件驅動方式，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)點是程序響應及時，可靠性高。在程序中可以利用該控件的OnComm事件來捕獲并處理發(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


在上位機的程序設計中，首先進行串口參數(shù)初始化設置：

Private Sub Form_Load（）

If MSComm.PortOpen=True Then

MSComm.PortOpen=False

End If

′關閉串行端口

intPort=1

serSet=″9600,O,8,1 ″

MSComm.CommPort=intPort

′選擇串行端口

MSComm.Settings= serest

′設置波特率9600bps,一個停止位，八個數(shù)據(jù)位，且為奇校驗

MSComm.OutBufferSize=512

′設置發(fā)送緩沖區(qū)大小

MSComm.PortOpen=True

′打開串行端口

串口通信應用程序的界面如圖4所示。


圖4 上位機通信程序界面

6 結論

在減搖水艙試驗臺架控制系統(tǒng)中，采用PC機和DSP的主從式結構。為了提高實時控制的效果，需要進行上位機與下位機之間的串行通信。本文設計的串行通信方法，簡便可靠，并且在實際應用中取得了良好的效果。