基于DSP和LABVIEW的串行通訊研究*

張素萍

(天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué),天津 300350)

基于DSP和LABVIEW的串行通訊研究*

張素萍*

(天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué),天津 300350)

針對(duì)傳統(tǒng)上位機(jī)和下位機(jī)串行通訊設(shè)計(jì)中,MCU數(shù)據(jù)處理能力不強(qiáng)和上位機(jī)程序設(shè)計(jì)復(fù)雜、開(kāi)發(fā)時(shí)間長(zhǎng)、調(diào)試和維護(hù)不易的問(wèn)題,提出了一種基于LABVIEW和DSP的串行通訊設(shè)計(jì)方案。該方案以DSP作為下位機(jī)控制核心,設(shè)計(jì)了串行通訊硬件接口和下位機(jī)串行通訊軟件,采用PC機(jī)作為上位機(jī),基于LABVIEW 2012開(kāi)發(fā)環(huán)境,進(jìn)行了上位機(jī)串行通訊軟件開(kāi)發(fā),并進(jìn)行了集成測(cè)試與驗(yàn)證。實(shí)踐結(jié)果表明,該方案具有運(yùn)行穩(wěn)定可靠、可擴(kuò)展性強(qiáng)、成本低、便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

DSP;LABVIEW;串行通訊;VISA;RS232;RS485

隨著現(xiàn)代工業(yè)4.0時(shí)代的到來(lái),工業(yè)生產(chǎn)中數(shù)據(jù)采集及分析越來(lái)越復(fù)雜,傳統(tǒng)處理器芯片很難同時(shí)滿足快速數(shù)據(jù)采集和復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算,數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)應(yīng)運(yùn)而生,廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中[1]。但是在一個(gè)大型測(cè)控應(yīng)用系統(tǒng)中,僅有DSP是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,同時(shí)還需要上位機(jī)PC承擔(dān)一部分?jǐn)?shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)、顯示及分析等方面的工作。因此,兩者之間的通訊顯得尤為重要。而串行通信作為一種常用的數(shù)據(jù)通訊方式,具有硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,成本低,通信遠(yuǎn)距離等優(yōu)點(diǎn),在現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)中仍占有重要地位。

此外,傳統(tǒng)上位機(jī)串行通訊程序的開(kāi)發(fā),多基于VC、VB、Delphi 等高級(jí)語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě),具有程序設(shè)計(jì)復(fù)雜,研發(fā)周期較長(zhǎng),調(diào)試和維護(hù)不易等問(wèn)題[2]。LABVIEW作為NI公司開(kāi)發(fā)的可視化、跨平臺(tái)并使用圖形化編程的虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái),具有界面友好、簡(jiǎn)單、直觀及易于理解、調(diào)試和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。利用其自帶豐富的函數(shù)庫(kù),可以快速完成用戶的編程需求,開(kāi)發(fā)出高效復(fù)雜的測(cè)控系統(tǒng)。

鑒于此,本文提出一種基于DSP和LABVIEW的串行通訊設(shè)計(jì)方案。

1 系統(tǒng)串行通訊硬件接口設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)DSP芯片采用TI公司的TMS320F28335,其內(nèi)部有3個(gè)SCI異步串口,該串行通信接口模塊支持CPU與其他使用標(biāo)準(zhǔn)格式的異步外設(shè)之間的數(shù)字通信。SCI的串口接收和發(fā)送均是雙緩沖的,接收和發(fā)送都有自己獨(dú)立的使能和中斷標(biāo)志位。全雙工模式下,兩者都可以獨(dú)立或同步運(yùn)行。為了確保數(shù)據(jù)的完整性,SCI模塊對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行間斷檢測(cè)、奇偶性校驗(yàn)、超時(shí)和幀出錯(cuò)的檢查[3]。

本系統(tǒng)采用RS232串行接口標(biāo)準(zhǔn),在電氣特性上RS232采用負(fù)邏輯,要求高低兩信號(hào)間有較大的幅度,標(biāo)準(zhǔn)為:邏輯1在-3 V～-15 V之間,邏輯0在+3 V～+15 V之間,通常采用-10 V左右為邏輯1,+10 V左右為邏輯0。由于TMS320F28335輸入輸出為高電平邏輯1為+3 V左右,邏輯0為0.3 V左右,因此必須外接電路實(shí)現(xiàn)TTL電平到RS 232電平的轉(zhuǎn)換,本系統(tǒng)采用了MAX3232實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾性,下位機(jī)DSP和上位機(jī)PC串行通訊采用光耦6N137進(jìn)行光電隔離,確保上位機(jī)PC和下位機(jī)DSP能夠可靠穩(wěn)定地進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。由于RS232標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)傳輸?shù)淖畲箅娎|長(zhǎng)度為30 m,為了滿足系統(tǒng)更遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)通信需求,本系統(tǒng)增加了可選的RS485通信接口,用來(lái)滿足多種用戶需求。系統(tǒng)串行通訊硬件接口設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)串行通訊硬件接口設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 上位機(jī)與下位機(jī)串行通訊協(xié)議約定

為提高系統(tǒng)串行通信的穩(wěn)定性及可靠性,上位機(jī)和下位機(jī)必須按照約定的通信協(xié)議進(jìn)行通訊。協(xié)議命令如表1 所示。

協(xié)議命令采用字節(jié)型數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸,每條協(xié)議命令共8 byte,其中BYTE0,BYTE1 是起始標(biāo)識(shí)符,用來(lái)作為識(shí)別命令開(kāi)始的標(biāo)志,在本系統(tǒng)中用0x55和0x66兩個(gè)字節(jié)進(jìn)行標(biāo)識(shí)。BYTE2 為命令類型字節(jié)標(biāo)識(shí)符,BYTE3～BYTE5為數(shù)據(jù)字節(jié),BYTE6-BYTE7為16位CRC校驗(yàn)碼,為驗(yàn)證接收數(shù)據(jù)的正確性,本系統(tǒng)按照16位CRC校驗(yàn)算法來(lái)校驗(yàn)所接收的數(shù)據(jù)。通過(guò)判斷BYTE6-BYTE7與算法計(jì)算出來(lái)的數(shù)據(jù)的一致性來(lái)判斷數(shù)據(jù)接收的正確與否。

表1 上位機(jī)和下位機(jī)通訊命令格式表

2.2 下位機(jī)DSP串行通訊軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)所選DSP芯片有3個(gè)SCI異步串口(SCIA、SCIB和SCIC),本系統(tǒng)選用的是SCIC串行通訊接口。下位機(jī)DSP串行通訊程序設(shè)計(jì)主要包括串行通訊初始化、數(shù)據(jù)發(fā)送及數(shù)據(jù)接收3個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)工作。串行通訊數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收的工作方式有兩種:查詢和中斷。為了提高發(fā)送數(shù)據(jù)的可控性和接收數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性,本系統(tǒng)串行通訊數(shù)據(jù)發(fā)送采用查詢工作方式,而數(shù)據(jù)接收采用中斷工作方式。此外,由于DSP28335串行接口支持16級(jí)的發(fā)送和接收FIFO,所以,為了減少系統(tǒng)串行通訊時(shí)CPU的開(kāi)銷,本系統(tǒng)串行通訊數(shù)據(jù)發(fā)送和接收均采用FIFO工作方式。

2.2.1 DSP串行通訊初始化程序設(shè)計(jì)

DSP串行通訊初始化程序主要包括通訊端口GPIO設(shè)置,通訊端口波特率設(shè)置、通訊數(shù)據(jù)格式設(shè)置、發(fā)送和接收相關(guān)控制設(shè)置及FIFO設(shè)置等。本系統(tǒng)下位機(jī)串行通訊參數(shù)設(shè)置為115200,8,N,1,使能接收中斷,關(guān)閉發(fā)送中斷,發(fā)送FIFO深度設(shè)置為16,接收FIFO深度設(shè)置為8。其主要程序代碼如下:

……

ScicRegs.SCICCR.all=0x0007;//8個(gè)數(shù)據(jù)位,1個(gè)停止位,沒(méi)有校驗(yàn)位,異步模式

ScicRegs.SCICTL1.all=0x0003;//使能串行發(fā)送和接收

ScicRegs.SCICTL2.bit.RXBKINTENA=1;//使能串行接收中斷

ScicRegs.SCICTL2.bit.TXINTENA=0; //禁止串行發(fā)送中斷

ScicRegs.SCIHBAUD =0x0000; //波特率設(shè)置為115200,LSPCLK=37.5MHz.

ScicRegs.SCILBAUD =0x0028;

ScicRegs.SCIFFTX.all=0xc010;//發(fā)送FIFO設(shè)置,深度為16

ScicRegs.SCIFFRX.all=0x0028;//接收FIFO設(shè)置,深度為8

ScicRegs.SCIFFCT.all=0x00;

ScicRegs.SCICTL1.bit.SWRESET=1;//復(fù)位SCIC串行口

……

2.2.2 DSP串行通訊發(fā)送模塊程序設(shè)計(jì)

DSP串行通訊發(fā)送程序主要包括單字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送程序和多字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送程序兩種。其中單字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送程序設(shè)計(jì)時(shí),只需要把發(fā)送的字節(jié)數(shù)據(jù)送到SCITXBUF數(shù)據(jù)緩沖區(qū),即可啟動(dòng)FIFO數(shù)據(jù)的發(fā)送工作。在單字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,可以設(shè)計(jì)出多字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送程序。其程序設(shè)計(jì)流程圖2所示。

圖2 DSP串行通訊多字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送模塊程序設(shè)計(jì)流程圖

2.2.3 DSP 串行通訊接收模塊程序設(shè)計(jì)

DSP28335的串行通訊接收模塊程序設(shè)計(jì)主要包括串行接收中斷初始化設(shè)置及接收中斷服務(wù)子程序設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。其中串行接收中斷初始化設(shè)置包括設(shè)置接收中斷服務(wù)子程序地址、開(kāi)放PIE串行接收中斷、CPU中斷及中斷總開(kāi)關(guān)等設(shè)置工作。其主要程序代碼如下:

……

PieVectTable.SCIRXINTC=&scicRxFifoIsr;//設(shè)置中斷服務(wù)子程序地址

PieCtrlRegs.PIEIER8.bit.INTx5=1; //PIE Group 8,INT5,SCIC_RXD,開(kāi)放PIE中斷

IER|=M_INT8;//開(kāi)放CPU中斷

EINT; //Enable Global interrupt INTM

ERTM; //Enable Global realtime interrupt DBGM

……

串行接收中斷服務(wù)子程序采用FIFO中斷接收方式,當(dāng)FIFO接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)達(dá)到8 byte的數(shù)據(jù)時(shí),即可產(chǎn)生FIFO接收中斷,在中斷服務(wù)子程序中接收和暫存要讀取的數(shù)據(jù)。串行接收中斷服務(wù)子程序設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 DSP串行通訊接收中斷服務(wù)子程序設(shè)計(jì)流程圖

串行通訊接收中斷服務(wù)子程序相關(guān)程序代碼如下:

……

for(i=0;i<8;i++)

{

ReceiveDataTmp[i]=ScicRegs.SCIRXBUF.all & 0x00ff;//接收FIFO中的數(shù)據(jù)

}

CrcCheckResult=Crc16_Calc(ReceiveDataTmp,0x06);//計(jì)算CRC_16

CrcCheckResult_L=(CrcCheckResult & 0x00ff);

CrcCheckResult_H=((CrcCheckResult?8)& 0x00ff);

if((CrcCheckResult_L==ReceiveDataTmp[6])&&(CrcCheckResult_H==ReceiveDataTmp[7]))

{

Parameter(ReceiveDataTmp[3],ReceiveDataTmp[4],(ReceiveDataTmp[5]& 0x000f));

DELAY_US(1000);

ReceiveFlag=0x0055;//表示CRC校驗(yàn)正確

}

else

{

ReceiveFlag=0x0066;//表示CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤

}

……

2.3 上位機(jī)LABVIEW串行通訊軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 LABVIEW串行通訊VISA函數(shù)[4-5]

LABVIEW提供了功能強(qiáng)大的VISA庫(kù)。VISA實(shí)質(zhì)是一個(gè)I/O接口軟件庫(kù)及其規(guī)范的總稱。LABVIEW的串口通訊VI位于Instrument I/O Platte的Serial中,常用的VI節(jié)點(diǎn)如下:(1)VISA Configure Serial Port:初始化 VISA resource name指定串口通訊參數(shù);(2)VISA Write:將輸出緩區(qū)中的數(shù)據(jù)發(fā)送到 VISA resource name指定串口;(3)VISA Read:將VISA resource name指定串口接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)讀取指定字節(jié)數(shù)的數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī)內(nèi)存中;(4)VISA Bytes at Serial Port:查詢 VISA resource name指定串口接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù);(5)VISA Close:結(jié)束與 VISA resource name指定串口資源之間的會(huì)話;(6)VISA Set I/O BufferSize:設(shè)置 VISA resource name指定串口的 I/O 緩沖區(qū)大小;(7)VISA Flush I/r0 Buffer:清空VISA resource name指定串口的 I/O 緩沖區(qū)。

2.3.2 LABVIEW串行通訊設(shè)計(jì)流程

LABVIEW VISA串行通訊的基本的流程框圖如圖4所示。

圖4 LABVIEW VISA串行通訊基本設(shè)計(jì)流程圖

根據(jù)圖4所示,首先需要調(diào)用VISA Configure Serial Port完成串口參數(shù)的設(shè)置,包括串口資源分配、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗(yàn)位和流控等。如果初始化沒(méi)有問(wèn)題,就可以使用這個(gè)串口進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。發(fā)送數(shù)據(jù)使用VISA Write,接收數(shù)據(jù)使用VISA Read。在接收數(shù)據(jù)之前需要使用VISA Bytes at Serial Port查詢當(dāng)前串口接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù),如果VISA Read要讀取的字節(jié)數(shù)大于緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù),VISA Read操作將一直等待,直至Timeout或者緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)達(dá)到要求的字節(jié)數(shù)[6-7]。在某些特殊情況下,需要設(shè)置串口接收/發(fā)送緩沖區(qū)的大小,此時(shí)可以使用VISA Set I/O Buffer Size;而使用VISA Flush I/O Buffer則可以清空接收與發(fā)送緩沖區(qū)。在串口使用結(jié)束后,使用VISA Close結(jié)束與VISA resource name指定的串口之間的會(huì)話。

2.3.3 LABVIEW串行通訊設(shè)計(jì)實(shí)例

本系統(tǒng)串行通訊設(shè)計(jì)最終應(yīng)用到一個(gè)實(shí)際工程項(xiàng)目中,主要是通過(guò)上位機(jī)LABVIEW設(shè)置數(shù)字脈沖相關(guān)參數(shù)(脈沖周期、脈沖寬度及脈沖個(gè)數(shù)),然后通過(guò)串口RS232/RS485,將設(shè)置參數(shù)發(fā)送到下位機(jī)DSP,由DSP控制數(shù)字脈沖的產(chǎn)生。上位機(jī)LAVIEW串行通訊軟件運(yùn)行測(cè)試界面如圖5所示。在該設(shè)計(jì)界面中,首先對(duì)串口進(jìn)行選擇,然后設(shè)定相應(yīng)的脈沖參數(shù),輸入部分發(fā)送命令(標(biāo)識(shí)頭(0x55,0x66)和命令碼(0xAA)),最后單擊發(fā)送按鈕,即可將一幀完整的通訊命令發(fā)送給下位機(jī),如果下位機(jī)接收正確,將把接收到的完整通訊命令返回給上位機(jī)。

圖5 上位機(jī)LABVIEW串行通訊軟件測(cè)試界面

從圖5可以看出,上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送設(shè)置脈沖參數(shù)(周期:200 μs,脈寬為100 μs,脈沖個(gè)數(shù)為8)通訊命令(0x55 0x66 0xAA 0xC8 0x64 0x0A 0x8F 0x36),其中0x8F,0x36為通訊命令前6個(gè)數(shù)據(jù)的2 byte CRC16校驗(yàn)碼(低字節(jié)在前,高字節(jié)在后),接收返回命令框中顯示為“0x55 0x66 0xAA 0xC8 0x64 0x0A 0x8F 0x36”,說(shuō)明下位機(jī)DSP正確接收到上位機(jī)通訊命令。利用示波器測(cè)出的下位機(jī)DSP控制脈沖輸出波形圖如圖6所示。從圖6可以看出,下位機(jī)DSP輸出的8個(gè)脈寬為100 μs,周期為200 μs的數(shù)字脈沖,說(shuō)明上位機(jī)和下位機(jī)串行通訊完全正確,符合預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

圖6 示波器測(cè)出的下位機(jī)DSP控制脈沖輸出波形圖

系統(tǒng)上位機(jī)LABVIEW程序設(shè)計(jì)框圖如圖7所示。在圖7中,首先設(shè)計(jì)一個(gè)while循環(huán)結(jié)構(gòu),然后在其中添加一個(gè)事件結(jié)構(gòu),同時(shí)添加不同的觸發(fā)事件分支,例如,發(fā)送觸發(fā)事件分支。在事件結(jié)構(gòu)程序框圖的外面,要對(duì)串口進(jìn)行初始化操作,本系統(tǒng)對(duì)串口的初始化參數(shù)為(115200,8,N,1)。在發(fā)送觸發(fā)事件分支中,要用到LABVIEW中的VISA串口通訊設(shè)計(jì)流程,首先對(duì)VISA I/O緩沖區(qū)進(jìn)行清空,然后將設(shè)置的脈沖參數(shù)經(jīng)過(guò)CRC16校驗(yàn)程序轉(zhuǎn)換成一幀完整的十六制字符串通訊命令,通過(guò)VISA Write函數(shù)將通訊命令發(fā)送給下位機(jī),而后延時(shí)20 ms,再調(diào)用VISA Read函數(shù),將下位機(jī)返回的命令讀取出來(lái)顯示在設(shè)計(jì)界面中,最后是調(diào)用VISA close函數(shù),釋放所選擇的串口資源。本系統(tǒng)利用while循環(huán)+事件結(jié)構(gòu)的好處是增強(qiáng)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性,減少系統(tǒng)CPU的運(yùn)行開(kāi)銷[8-9]。此外,需要注意的是,由于串口傳輸數(shù)據(jù)是需要時(shí)間的,所以,一般調(diào)用VISA write函數(shù)之后,是不能立馬調(diào)用VISA read函數(shù),需要加上一定的延時(shí),才能確保下位機(jī)上傳的數(shù)據(jù)能夠被正確讀取到。至于延時(shí)時(shí)間如何確定,是根據(jù)下位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)的多少而定,需要實(shí)際工作測(cè)試驗(yàn)證。

圖7 系統(tǒng)上位機(jī)LABVIEW程序設(shè)計(jì)框圖

3 結(jié)論

本文利用LABVIEW 2012軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)編寫(xiě)了上位機(jī)串行通訊程序,利用DSP軟件集成開(kāi)發(fā)平臺(tái)CCS3.3編寫(xiě)了下位機(jī)串行通訊程序,并進(jìn)行了集成測(cè)試與驗(yàn)證,最終將該設(shè)計(jì)方案應(yīng)用到一個(gè)實(shí)際工程項(xiàng)目中,實(shí)現(xiàn)了下位機(jī)DSP數(shù)字脈沖輸出的精確控制。實(shí)踐結(jié)果表明,該設(shè)計(jì)硬件接口簡(jiǎn)單、易用,軟件易擴(kuò)展和維護(hù),能夠滿足串行通訊長(zhǎng)距離和短距離兩種工程需求,具用一定參考實(shí)用價(jià)值。

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Research of Serial Communication Based on DSP and LABVIEW*

ZHANGSuping*

(Tianjin Sino-German University of Applied Sciences,Tianjin 300350,China)

In order to solve the problems,such as low-level data processing ability of MCU,complext program design,long development time and difficult debugging and maintenance of the host computer serial communication,one solution of the serial communication design was put forward on the basis of DSP and LABVIEW. The DSP was selected as the lower computer control core,the serial communication hardware interface and software were designed. Based on the LABVIEW 2012,the serial communication software was designed with the computer as the upper computer. Finally,the system was tested and verified. By testing,the system has the advantages of higher stability,better reliability,strong expansibility,low cost and convenient maintenance.

DSP;LABVIEW;serial communication;VISA;RS232;RS485

項(xiàng)目來(lái)源:校級(jí)課題項(xiàng)目(zdkt2016--016)

2016-12-01 修改日期:2017-01-05

C:6150C

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.02.024

TP274

A

1005-9490(2017)02-0380-06