帶自舉功能的DSP外設(shè)擴(kuò)展模塊設(shè)計

朱 磊，李維維，韓天琪，趙曉田

（西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710048）

帶自舉功能的DSP外設(shè)擴(kuò)展模塊設(shè)計

朱 磊，李維維，韓天琪，趙曉田

（西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710048）

TMS320VC54x系列DSP(Digital Signal processor)沒有AD、DA等常用外設(shè)且缺少程序存儲器，故其應(yīng)用系統(tǒng)通常需進(jìn)行外設(shè)擴(kuò)展模塊與自舉模塊設(shè)計，針對傳統(tǒng)解決方案將兩個模塊分別實(shí)現(xiàn)存在擴(kuò)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(shè)擴(kuò)展模塊。該模塊通過將C8051F330單片機(jī)作為唯一的外擴(kuò)芯片，利用其片內(nèi)FLASH存儲DSP自舉程序代碼，并采用其片上AD、DA實(shí)現(xiàn)DSP的外設(shè)擴(kuò)展。實(shí)驗(yàn)表明本文提出的DSP外設(shè)擴(kuò)展模塊合理可行。

TMS320VC54x；DSP；外設(shè)擴(kuò)展；自舉

TMS320VC54x系列DSP由于具有快速運(yùn)算能力，其指令執(zhí)行速度最高可達(dá)160 MIPS，因此在消費(fèi)電子、通信等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1]。但此系列DSP片上沒有AD、DA等工業(yè)常用外設(shè),常需要對其進(jìn)行外設(shè)擴(kuò)展模塊設(shè)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(kuò)展自舉模塊。文獻(xiàn)[2-4]給出了不同的DSP外設(shè)擴(kuò)展模塊設(shè)計方案，而文獻(xiàn)[5-6]則給出了不同的DSP自舉模塊設(shè)計方案，上述將外設(shè)擴(kuò)展模塊與自舉模塊分別實(shí)現(xiàn)的設(shè)計方案，存在外擴(kuò)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(shè)擴(kuò)展模塊，該模塊僅用外擴(kuò)一個芯片，就能一體實(shí)現(xiàn)DSP的外設(shè)擴(kuò)展與自舉，具有擴(kuò)展器件少、系統(tǒng)集成度高、穩(wěn)定性好、成本較低等特點(diǎn)。

1 方案設(shè)計

文中提出的DSP外設(shè)擴(kuò)展模塊，借助C8051F330豐富的片上外設(shè)資源對DSP實(shí)現(xiàn)10位AD、DA擴(kuò)展，同時利用

C8051F330片內(nèi)FLASH存儲DSP用戶程序代碼，并用標(biāo)準(zhǔn)串行總線實(shí)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(shè)計的DSP外設(shè)擴(kuò)展模塊，其中C8051F330是本模塊的唯一外擴(kuò)芯片。一方面，目標(biāo)板中的DSP通過將其片上McBSP0配置為SPI工作模式，實(shí)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(shè)擴(kuò)展。上述SPI通信中，TMS320VC5416為主設(shè)備，C8051F330為從設(shè)備。另外，考慮到只有SPI主設(shè)備才能啟動數(shù)據(jù)傳輸，為了將SPI從設(shè)備的AD采樣數(shù)據(jù)第一時間傳輸給SPI主設(shè)備，SPI從設(shè)備通過I/O引腳觸發(fā)SPI主設(shè)備的外部中斷，從而使SPI主設(shè)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(biāo)準(zhǔn)串行自舉接口，從而實(shí)現(xiàn)DSP的標(biāo)準(zhǔn)串行自舉模塊設(shè)計。DSP有多種自舉模式[7]，標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)串行自舉接口復(fù)用DSP的McBSP0接口。

圖1 帶自舉功能的DSP外設(shè)擴(kuò)展模塊原理框圖Fig. 1 Principle block diagram of DSP peripheral extension module with bootloader function

2 硬件設(shè)計

文中提出的DSP外設(shè)擴(kuò)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(shè)擴(kuò)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(xiàn)較多，此處不再贅述， 這里主要給出其他模塊的硬件連接關(guān)系，如圖2所示。

圖2 DSP外設(shè)擴(kuò)展模塊主要硬件連接關(guān)系圖Fig. 2 Main hardware connection diagram of DSP peripheral extension module

圖2虛線框1為自舉模塊（標(biāo)準(zhǔn)串行自舉方式）引腳連接關(guān)系，其中與標(biāo)準(zhǔn)串行自舉直接相關(guān)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?yàn)镈SP與單片機(jī)啟動不同步，因此需要設(shè)置RS引腳在單片機(jī)上電后對DSP進(jìn)行復(fù)位，設(shè)置XF引腳在DSP準(zhǔn)備好后觸發(fā)單片機(jī)的INT0啟動自舉操作。另外，DSP的自舉方式有多種，且標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行上拉保護(hù)，從而確保DSP上電后，其片上Bootloader進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)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(jī)對應(yīng)引腳連接關(guān)系，本文采用4線主從方式實(shí)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(jìn)行了復(fù)用。為使主從設(shè)備更好地進(jìn)行通信，SPI通信過程中設(shè)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(shè)擴(kuò)展模塊引腳連接關(guān)系，外設(shè)擴(kuò)展模塊介紹了AD、DA及參考電壓硬件設(shè)置，P17引腳為AD波形輸入端，實(shí)驗(yàn)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(shè)置電壓基準(zhǔn)，C8051F330的電壓基準(zhǔn)可以被配置為外部電壓基準(zhǔn)、內(nèi)部電壓基準(zhǔn)或電源電壓VDD，為了使硬件設(shè)計更加簡單，本文選用內(nèi)部電壓基準(zhǔn)。

3 軟件設(shè)計

DSP外設(shè)擴(kuò)展模塊軟件設(shè)計分為兩部分：代碼轉(zhuǎn)換程序設(shè)計和C8051F330單片機(jī)程序設(shè)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(biāo)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(xiàn)[8]。下面詳細(xì)介紹單片機(jī)程序的具體內(nèi)容。

圖3 C8051F330程序主流程圖Fig. 3 Main flowchart of C8051F330 program

C8051F330單片機(jī)程序包括四部分：DSP與單片機(jī)之間的通信協(xié)議、兩次初始化程序、自舉程序及片上外設(shè)驅(qū)動程序。C8051F330單片機(jī)程序主流程圖如圖3所示，圖3中，單片機(jī)系統(tǒng)上電后，程序便開始運(yùn)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(jī)端口并復(fù)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(jī)的片上AD、DA對DSP進(jìn)行外設(shè)擴(kuò)展，DSP的外設(shè)擴(kuò)展是建立在SPI通信基礎(chǔ)上的，通信前，需要對單片機(jī)進(jìn)行第二次初始化，避免引腳沖突。通信過程中，單片機(jī)與DSP需要通過SPI_handshaking()函數(shù)進(jìn)行握手，握手成功后，單片機(jī)便可通過SPI通道讀取DSP發(fā)送的AD命令或DA命令進(jìn)行AD、DA擴(kuò)展。

3.1 DSP與單片機(jī)之間通信協(xié)議

為了使DSP和單片機(jī)進(jìn)行良好的通信，本文設(shè)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(biāo)志字節(jié)，值為0xC5，對應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)為11000011，起始標(biāo)志字節(jié)在數(shù)據(jù)傳輸中發(fā)揮著巨大作用，它標(biāo)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)。

圖4 DSP與單片機(jī)之間的通信協(xié)議Fig. 4 Communication protocols between DSP and MCU

3.2 兩次初始化程序設(shè)計

單片機(jī)需要進(jìn)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(chǔ)上還需進(jìn)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(jī)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(jī)進(jìn)行兩次初始化是因?yàn)樽耘e和SPI通信過程中，DSP的McBSP0接口進(jìn)行了復(fù)用，而且這樣設(shè)計可以節(jié)省更多的硬件資源，降低設(shè)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：

3.3 自舉程序設(shè)計

標(biāo)準(zhǔn)串行自舉邏輯時序圖如圖5所示，圖5指出模擬標(biāo)準(zhǔn)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(shè)了XF和RS引腳。因?yàn)镈SP啟動速度與單片機(jī)不同步，因此需設(shè)置RS引腳讓單片機(jī)上電后對DSP進(jìn)行復(fù)位，設(shè)置XF引腳讓DSP觸發(fā)單片機(jī)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(yùn)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(jī)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(yīng)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。

圖5 DSP標(biāo)準(zhǔn)串行自舉邏輯時序圖Fig. 5 Timing conditions for DSP serial port boot operation

3.4 片上外設(shè)驅(qū)動程序設(shè)計

片上外設(shè)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(shè)擴(kuò)展模塊的軟件基礎(chǔ)，通信前，單片機(jī)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(jìn)行握手，握手成功后，主從設(shè)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SPI0DAT為SPI0數(shù)據(jù)寄存器，C8051F330在SPI通信中通過讀SPI0DAT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ADC0CN的AD0BUSY位，向AD0BUSY寫‘1’方式提供了用軟件控制ADC0轉(zhuǎn)換的能力。AD0BUSY位在轉(zhuǎn)換期間被置‘1’，轉(zhuǎn)換結(jié)束后賦‘0’。單片機(jī)初始化完成，給C8051F330的P17端口輸入正弦波（由于實(shí)驗(yàn)設(shè)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(jìn)行AD采樣，本文采用查詢方式進(jìn)行AD采樣，使用AD中斷標(biāo)志（AD0INT）來不斷查詢AD轉(zhuǎn)換是否完成。當(dāng)AD0INT位為邏輯‘1’時，AD數(shù)據(jù)寄存器（ADC0H:ADC0L）中的轉(zhuǎn)換結(jié)果有效。采樣完后，單片機(jī)通過SPI通道將采樣值傳送給DSP，DSP通過SPI_READ()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(shè)置：0.5 mA、1 mA和2 mA,此程序中設(shè)置為2 mA。DA轉(zhuǎn)換時，DSP通過SPI_WRITE()函數(shù)將需要進(jìn)行DA的數(shù)據(jù)寫給單片機(jī)，最終單片機(jī)再將DSP發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行DA處理，AD采樣驅(qū)動程序如下所示：

4 實(shí) 驗(yàn)

為驗(yàn)證本文設(shè)計模塊的可行性，下面以TMS320VC5416目標(biāo)板為例，設(shè)計了如下兩個實(shí)驗(yàn)：一、16位標(biāo)準(zhǔn)串行自舉實(shí)驗(yàn)；二、片上AD與DA擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)一：16位標(biāo)準(zhǔn)串行自舉實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)一是為了驗(yàn)證C8051F330單片機(jī)可否成功實(shí)現(xiàn)TMS320VC5416處理器的16位標(biāo)準(zhǔn)串行自舉。為了使實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jī)中才能使用，結(jié)合所編寫的自舉程序上電運(yùn)行后可得到如圖6所示結(jié)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(jī)讀取DSP用戶程序，以上結(jié)果說明自舉模塊設(shè)計合理可行。

實(shí)驗(yàn)二：AD與DA擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)二是為了驗(yàn)證在完全脫離DSP仿真器的情況下，利用C8051F330片上AD、DA對TMS320VC5416進(jìn)行片上外設(shè)擴(kuò)展的可行性。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果便于觀察，用示波器對AD采樣前的波行與DA重構(gòu)波形進(jìn)行雙通道跟蹤，實(shí)驗(yàn)時，通過DSP試驗(yàn)箱給單片機(jī)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(jī)的P01端口為DA輸出端，C8051F330的DA輸出為電流輸出，因?yàn)橐檬静ㄆ黠@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(lán)色波形所示。觀察示波器波形，可看到DA重構(gòu)波形與AD采樣前的波形吻合。以上結(jié)果說明，該模塊設(shè)計的利用C8051F330片上外設(shè)資源對TMS320VC5416處理器進(jìn)行AD與DA擴(kuò)展是合理可行的。

圖6 自舉實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖Fig. 6 Experimental result of bootloader

圖7 AD與DA實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖Fig. 7 Experimental result of AD and DA

5 結(jié)束語

文中提出了一種帶自舉功能的DSP[9]外設(shè)擴(kuò)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(biāo)準(zhǔn)串行總線實(shí)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(shè)資源對DSP進(jìn)行10位AD、DA外設(shè)擴(kuò)展，同時C8051F330的SPI接口同標(biāo)準(zhǔn)串行自舉接口復(fù)用DSP的McBSP0接口，從而在實(shí)現(xiàn)DSP外設(shè)擴(kuò)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(jī)一體實(shí)現(xiàn)DSP外設(shè)擴(kuò)展及自舉，具有擴(kuò)展器件少、集成度高、系統(tǒng)穩(wěn)定性好、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。另外，C8051F330的FLASH內(nèi)存為8K字節(jié),除去單片機(jī)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。

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TMS320VC54x series Digital Signal Processors (DSP) have no common peripherals, such as analog to digital convert (AD), digital to analog convert (DA) and lack of program memories. Therefore, peripheral expansion modules and bootloader module should be considered and designed in application system of this serie DSP. The traditional solution which has completed the modules respectively has the disadvantages of more expansion devices, lower degree of system integration. To overcome the problems mentioned in traditional solution, this paper proposed peripheral expansion module for DSP with the bootloader function. C8051F330 is the only outside chip which will be used in this module. Its internal FLASH is used to store bootloader program code of DSP and its on-chip AD and DA are used to realize DSP peripheral extension. Experiments show that the proposed DSP peripheral extension module is reasonable.

TMS320VC54x; DSP; Peripheral expansion; bootloader

TN91

A

1674-6236(2014)11-0177-04

2014–02–21 稿件編號：201402126

陜西省教育廳自然科學(xué)項(xiàng)目(12JK0547)；西安工程大學(xué)博士科研啟動基金項(xiàng)目(BS1205)；西安市科技局技術(shù)轉(zhuǎn)移促進(jìn)工程項(xiàng)目(CXY1349(2))

朱 磊(1979—)，男，四川綿陽人，碩士，副教授。研究方向：通信與信息系統(tǒng)。

DSP peripheral extension module with bootloader function

ZHU Lei, LI Wei-wei, HAN Tian-qi, ZHAO Xiao-tian

（Electronic and Information College, Xi’an Polytechnic University, Xi’an 710048, China）