基于DSP與PC機(jī)實現(xiàn)在減搖水艙試驗臺架控制系統(tǒng)的串行通信設(shè)計

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(nèi)核和功能強(qiáng)大的片內(nèi)外設(shè)集成在一起， DSP成為傳統(tǒng)的微控制單元和多片設(shè)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(jī)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(yīng)用。因而，本系統(tǒng)中采用了串行通信進(jìn)行參數(shù)傳送。

本文基于減搖水艙試驗臺架控制系統(tǒng)，設(shè)計了一種實現(xiàn)DSP與PC機(jī)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(jìn)行理論研究外，建立減搖水艙的試驗裝置是對減搖水艙進(jìn)行研究的重要手段。減搖水艙試驗臺架是研究和設(shè)計減搖水艙的重要試驗設(shè)備，它可以模擬實際艦船在海浪中的運(yùn)動，研究水艙的運(yùn)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(yùn)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(jī)和DSP的主從式結(jié)構(gòu)。PC機(jī)作為上位機(jī)，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(jìn)行顯示，而DSP作為下位機(jī)，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(jīng)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(qū)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(gòu)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(yīng)用于數(shù)字伺服控制的特點。采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，使得供電電壓為3.3V，降低了控制器的功耗，而且高達(dá)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(nèi)有高達(dá)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(nèi)外設(shè)非常豐富，包括兩個事件管理器模塊、10位A/D轉(zhuǎn)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(shè)接口（SPI）、串行通信接口（SCI）。TMS320LF2407提供的片內(nèi)外設(shè)資源使得數(shù)字伺服控制應(yīng)用中所需使用的外圍芯片大大減少了，為應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)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(biāo)準(zhǔn)NRZ（非歸零）格式的異步外設(shè)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(jìn)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(jìn)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(shè)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(guān)寄存器編程來實現(xiàn)的。

4 本系統(tǒng)中串行通信設(shè)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(jìn)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(dāng)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(wù)程序?qū)⒔邮盏降牡刂放c自己的地址進(jìn)行比較。如果該CPU正在被尋址，則中斷服務(wù)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(jī)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(shè)中斷向量，并可使用高優(yōu)先級或低優(yōu)先級，中斷服務(wù)程序可通過檢查外設(shè)中斷向量寄存器的值來轉(zhuǎn)入相應(yīng)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=CLKOUT/(BRR+1)*8

BRR=0時

SCI異步波特率=CLKOUT/16

（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(shè)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(jī)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(jī)串行口使用的是標(biāo)準(zhǔn)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(jī)之間必須進(jìn)行電平邏輯轉(zhuǎn)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(jī)串行通信硬件接口圖

DSP中通信程序設(shè)計

DSP的SCI模塊使用中斷來接收PC機(jī)所傳送來的參數(shù)，供控制算法主程序調(diào)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(jìn)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(nèi)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(fù)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(shè)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(jī)中通信程序設(shè)計

在PC機(jī)中，串口通信的程序是用Visual Basic 6.0開發(fā)的，調(diào)用的是Microsoft 公司提供的 MSComm 控件。

MSComm 控件為應(yīng)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(qū)動方式和查詢方式。在這里我們采用的是事件驅(qū)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(yīng)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(jī)的程序設(shè)計中，首先進(jìn)行串口參數(shù)初始化設(shè)置：

Private Sub Form_Load（）

If MSComm.PortOpen=True Then

MSComm.PortOpen=False

End If

′關(guān)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(shè)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(shè)置發(fā)送緩沖區(qū)大小

MSComm.PortOpen=True

′打開串行端口

串口通信應(yīng)用程序的界面如圖4所示。

圖4 上位機(jī)通信程序界面

6 結(jié)論

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