沈阳航空工业学院电子信息工程学院毕业设计（论文）第1章 绪论1.1 课题研究的意义及背景随着现代信息技术的发展以及网络的广泛应用，串行通信技术已经日臻成熟。由于其具有线路简单、应用灵活、可靠性高等一系列优点，所以长期以来在数据采集、数据通讯、故障检测、计算机远程监控等方面都有着广泛的应用。串行通信就是数据在一根传输线上由低位到高位一位一位地顺序传输。通常计算机之间、计算机与串行外设之间以及实时多处理机分级分部控制系统中，各CPU间都采用串行通信方式交换数据。串行通信的特点是通信距离远，通信成本低，但通信过程中要求数据有固定的格式，所以通信过程的控制要比并行通信复杂。串行通信的基本方式可分为同步串行方式和异步串行方式，两者本质上都是保证数据正确发送和接收的同步方式，区别在于异步串行方式是字符同步，而同步串行方式是字符之间、位与位之间都同步。异步串行通信口它包括了RS232、RS499、RS423、RS422和RS485等接口标准规范和总线标准规范。1969年，美国电子工业协会(EIA)公布了RS-232C作为串行通信接口的电气标准，该标准定义了数据终端设备(DTE)和数据通信设备(DCE)间按位串行传输的接口信息，合理安排了接口的电气信号和机械要求，在世界范围内得到了广泛的应用。但它采用单端驱动非差分接收电路，因而存在着传输距离不太远(最大传输距离15m)和传送速率不太高(最大位速率为20Kb/s)的问题。远距离串行通信必须使用Modem，增加了成本。在分布式控制系统和工业局部网络中，传输距离常介于近距离(20m)和远距离(2km)之间的情况，这时RS-232C（25脚连接器)不能采用，用Modem又不经济，因而需要制定新的串行通信接口标准。1977年EIA制定了RS-449。它除了保留与RS-232C兼容的特点外，还在提高传输速率，增加传输距离及改进电气特性等方面作了很大努力，并增加了10个控制信号。与RS-449同时推出的还有RS-422和RS-423，它们是RS-449的标准子集。另外，还有RS-485，它是RS-422的变形。RS-422、RS-423是全双工的，而RS-485是半双工的。RS-422标准规定采用平衡驱动差分接收电路，提高了数据传输速率(最大位速率为10Mb/s)，增加了传输距离(最大传输距离1200m)。RS-423标准规定采用单端驱动差分接收电路，其电气性能与RS-232C几乎相同，并设计成可连接RS-232C和RS-422。它一端可与RS-422连接，另一端则可与RS-232C连接，提供了一种从旧技术到新技术过渡的手段。同时又提高位速率(最大为300Kb/s)和传输距离(最大为600m)。P C机的串行接口基本上都采用异步通信方式。COM口是PC上异步串行通信口的简写。由于历史原因，IBM的PC外部接口配置为RS232，成为实际上的PC界默认标准。所以现在PC机的COM口均为RS232，这要求与PC机进行串口通信的设备要满RS232的串行通信协议。 随着串行通信的广泛应用，一些芯片也集成了串行通信模块，这使得这些芯片与PC机通信的应用在工业领域快速地发展起来。DSP芯片就是其中一种，并且随着它的性能不断的提高，在工业控制和网络通信等方面得到了广泛的应用。1.2 DSP芯片简介DSP发展历程大致分为三个阶段：70年代理论先行，80年代产品普及 ，90年代突飞猛进。在DSP出现之前数字信号处理只能依靠MPU来完成。因此，直到70年代，有人才提出了DSP的理论和算法基础。随着大规模集成电路技术的发展，1982年世界上诞生了首枚DSP芯片。这种DSP器件采用微米工艺NMOS技术制作，虽功耗和尺寸稍大，但运算速度却比MPU快了几十倍，尤其在语音合成和编码中得到了广泛应用。DSP芯片的问世是个里程碑，它标志着DSP应用系统由大型系统向小型化迈进了一大步。 至80年代中期，随着CMOS技术的进步与发展，第二代基于CMOS工艺的DSP芯片应运而生，其存储容量和运算速度都得到成倍提高，成为语音处理、图像硬件处理技术的基础。 80年代后期，第三代DSP芯片问世，运算速度进一步提高，其应用于范围逐步扩大到通信、计算机领域。 90年代DSP发展最快，相继出现了第四代和第五代DSP器件。现在的DSP属于第五代产品，它与第四代相比，系统集成度更高，将DSP芯核及外围元件综合集成在单一芯片上。这种集成度极高的DSP芯片不仅在通信、计算机领域大显身手，而且逐渐渗透到人们日常消费领域。 经过20多年的发展，DSP产品的应用已扩大到人们的学习、工作和生活的各个方面，并逐渐成为电子产品更新换代的决定因素。目前，对DSP爆炸性需求的时代已经来临，前景十分可观。DSP系统是以数字信号处理为基础，因此具有数字处理的全部优点： (1) 接口方便。DSP系统与其它以现代数字技术为基础的系统或设备都是相互兼容的，与这样的系统接口以实现某种功能要比模拟系统与这些系统接口容易得多； (2) 编程方便。DSP系统中的可编程DSP芯片可使设计人员在开发过程中灵活方便地对软件进行修改和升级； (3) 稳定性好。DSP系统以数字处理为基础，受环境温度以及噪声的影响较小，可靠性高； (4) 精度高。16位数字系统可以达到的精度； (5) 可重复性好。模拟系统的性能受元器件参数性能变化比较大，而数字系统基本不受影响，因此数字系统便于测试、调试和大规模生产； (6) 集成方便。DSP系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模集成。当然，数字信号处理也存在一定的缺点。比如对于简单的信号处理任务，如与模拟交换线的电话接口，若采用DSP则使成本增加。DSP系统中的高速时钟可能带来高频干扰和电磁泄漏等问题，而且DSP系统消耗的功率也较大。此外，DSP技术更新的速度快，数学知识要求多，开发和调试工具还不尽完善。虽然DSP系统存在着一些缺点，但其突出的优点已经使之在通信、语音、图像、雷达、生物医学、工业控制、仪器仪表等许多领域得到越来越广泛的应用。随着DSP芯片性能价格比的不断提高，可以预见DSP芯片将会在更多的领域内得到更为广泛的应用。1.3 课题分析 串行通信的基本方式可分为同步串行方式和异步串行方式，两者本质上都是保证数据正确发送和接收的同步方式，区别在于异步串行方式是字符同步，而同步串行方式是字符之间、位与位之间都同步。异步串行通信口包括了RS232、RS499、RS423、RS422和RS485等接口标准规范和总线标准规范，因为RS232的线路简单、应用灵活而得到广泛的应用。P C的串行接口基本上都采用异步通信方式，COM口是PC上异步串行通信口的简写。由于历史原因，IBM的PC外部接口配置为RS232，成为实际上的PC界默认标准。所以现在PC的COM口均为RS232，这就要求与PC进行串口通信的设备需要满足RS232的串行通信协议。随着串行通信的广泛应用，一些芯片也集成了串行通信模块，这使得这些芯片与PC机通信的应用在工业领域快速地发展起来。DSP芯片就是其中一种，并且随着它的性能不断的提高，在工业控制和网络通信等方面得到了广泛的应用。 本系统包括三部分，分别为串行通信模块、数据采集模块、显示模块。主要功能是利用DSP的片上资源实现与PC的串行通信、DSP与上位机串行通讯之间的简单协议设计实现及联合调试、模拟量的采集上传，发送和接收数据的显示。其系统框图如图1.1所示。 图1.1 系统总体结构框图因为DSP是TTL（5V）电平，而PC是RS-232（15V）电平。所以在DSP的SCI输入端RXD和输出端TXD与RS-232电缆之间应接入电平转换器。常用的有MC1488发送器，MC1489接收器，MC收发器，这些芯片均需要12V电源。为减少电源数量，现有多种内部含有电源变换的电平转换芯片，如MC、MAX232等。本方案选择MAX232，它有两对转换器，完全满足课题所需。DSP通过连接一个ADC0809就可实现数据的采集，但是它占有较多的IO口线，同时还有速度匹配的问题不容易实现，占用板子的空间也比较大。而DSP内部含有A/D模块，其硬件由模拟输入管脚、模拟输入多路开关、排序器、ADC转换器、数字多路开关和寄存器组成，它们的工作由相应的配置寄存器控制。A/D转换最小时间可达到500ns时间，16个模拟输入通道通过一个模拟开关共用一个10bit的A/D转换器，各通道的选通由ADC的控制寄存器控制，通过时分复用方式完成所有的转换，转换结果也可由控制寄存器决定结果放到任意一个结果寄存器中，在测量点较少时就外部可以不用接入模拟开关，所以系统选择DSP芯片内部的AD模块。通过加上一些少量的外围电路，应用DSP内部含有A/D模块通过相应的寄存器控制完全可以实现少量点的数据采集。显示可以用数码LED和液晶LCD来完成，前者可以用移位寄存器74LS164来驱动，74LS164是8位串入并出移位寄存器，可以实现LED的显示，但是显示的位数较多时，需占用较多的I/O口线，占用板子的空间也较大。后者它将LCD控制器、驱动器、RAM、ROM和LCD显示器集成到了一块PCB板上。这种模块与DSP芯片借口简单，使用方便。本系统选用液晶显示模块作为系统的显示器。第2章 DSP的SCI和A/D的原理2.1 DSP的SCI模块原理 TMS320LF2407A DSP内部集成有串行通信接口SCI模块。SCI模块支持DSP与其它使用标准格式外设之间的数字通信。SCI接收器和发送器是双缓冲的，每一个都有自己单独的使能和中断标志位。两者可以独立工作，也可以在全双工的方式下同时工作。为确保数据的完整性，SCI还可以对接受到的数据进行间断检测、奇偶性校验、超时和帧出错的检查。通过一个16位的波特率选择寄存器，数据传输的速度可以被编程为65000多种不同的方式。SCI模块的特征有(1) 两个外部引脚：SCITXD：SCI发送数据引脚，SCIRXD：SCI接收数据引脚。(2) 通过一个16位的波特率选择寄存器，可编程为64K种不同速率的波特率；在40MHz的CPU时钟方式下，波特率范围从76bps到1875Kbps。(3) 数据格式：一个启始位；18位的可编程数据字长度；可选择的奇/偶/无校验位；一个或两个停止位。(4) 四种错误检测标志位：奇偶错、超时、帧出错或间断检测。(5) 两种唤醒多处理器方式：空闲线或地址位唤醒。(6) 半双工或全双工操作。(7) 双缓冲的接收和发送功能。(8) 发送和接收的操作可以利用状态标志位通过中断驱动或查询算法来完成。发送器：TXRDY标志（发送缓冲寄存器准备接受另一个字符）和TXEMPTY标志（发送移位寄存器空）；接收器：RXRDY标志（接收缓冲寄存器准备接收另一个字符）、BRKDT标（间断条件发生）和RX EERR标志（监视4个中断条件）。(9) 发送器和接收器的中断位可独立使能（除BRKDT外）。(10) 不返回零(NRZ)格式。 SCI模块的10个控制寄存器地址位于7050h705Fh之间。2.1.1 SCI的相关寄存器 TMS320LF2407A DSP中与串行通信有关的寄存器在完成SCI模块串行通信功能中起着至关重要的作用，对SCI模块串行通信的控制、操作方式和通信协议的选择、波特率和字符格式的选择、中断优先级的选择和使能等都是通过寄存器来完成的，SCI模块的编程主要也是对这些寄存器进行操作。因此熟练掌握这些寄存器的使用对进行DSP串行通信编程是非常重要的。下面是2407A DSP中与串行通信有关的寄存器： 通