基于雙DSP的并聯控制系統中串行通信的研究

　　摘 要：概要地介紹了TMS320F2812 DSP 的基本性能，重點介紹了利用DSP 的SPI 模塊進行雙DSP 同步串行通信，以及在Visual Basic 6.0 下，利用MSComm 控件實現上位PC 機和下位DSP 之間異步串行通信的具體實現方式。最后給出了一個采用RS-232 串行通信標準實現信息傳輸的實例。串行通信簡單，界面友好，應用領域廣泛。

　　引言

　　隨著數字信號處理器（DSP）在系統控制領域中的廣泛應用，控制各系統的DSP 之間 通信問題也越來越突出。利用DSP 本身的高速同步串行接口（SPI）模塊，可以讓DSP 直 接對接實現芯片間的同步串行通信。有時為了充分利用PC 機資源，讓一些在智能儀器上難以解決的問題諸如曲線顯示等可以在PC 機上得以實現，這就需要DSP 內嵌的串行通信接口 （SCI）模塊，實現DSP 與上位機的異步串行通訊。

　　本文所介紹的通信方法的背景是為課題組搭建雙開關磁阻伺服電動機并聯傳動系統 （SRSD），系統使用的是TMS320F2812 芯片，具有SPI 模塊和SCI 模塊[1]。本文詳細介紹 了SPI 模塊和SCI 模塊各自進行串行通信的硬件連接和軟件實現方法，從而完成了基于 TMS320F2812 的雙SRSD 系統通信模塊的實現。

　　1 系統簡介

　　雙電機并聯系統有很多優點，它比單電機系統在處理電機空間放置方式上更為靈活，并且有利于改進電機的特性。相對于單電機系統，在相同的輸出情況下，雙電機的總轉動慣量更小，從而可以減少運行時的電能消耗。此外，當雙電機中的一臺損壞后，另一臺仍可以在短時間內或適當減少負載的情況下繼續運行，提高了系統的可靠性[3]。

　　本文背景以SRSD 為主要研究對象，以位置輸出為主要控制量。在單機系統的基礎上， 經過改進，設計出雙SRSD 并聯系統，系統框圖如圖1 所示。

　　2 串行通信原理及特性

　　在計算機中，通常用8 位的二進制代碼來表示一個字符，一條信息的各位字符的二進制代碼被按由低到高位的順序，依次地發送出去的通信方式叫做串行通信。它的特點是按位發送。根據信息的傳送方向，串行通信可以分為單工通信、半雙工通信和全雙工通信。在本文中采用的是全雙工的通信方式。串行通信按照傳輸方式的不同又可以分為同步方式和異步方 式。同步方式較復雜，但傳送速率比異步方式高。本文中SPI 采用是同步方式，SCI 采用是 異步方式。

　　TMS320F2812 的SPI 是一個高速的同步串行輸入/輸出端口，一般用來實現DSP 控制器 之間和DSP 與外圍設備之間的通信。SPI 有兩種操作模式：主操作模式和從操作模式。主片 控制了時鐘信號（SPICLK），它可以在任何時候通過發送SPICLK 信號來啟動數據傳輸。無論是主片還是從片，數據都是在SPICLK 的某個邊沿移出移位寄存器，在SPICLK 相反的邊沿鎖存在移位寄存器中，并且輸出和接受數據都是同時進行的。

　　芯片的 SCI 是一個雙線通信的異步串行通信接口，也稱UART 口，一般用于接上位機（以下簡稱PC 機）。

　　3 同步通信模塊的設計

　　3.1 基于SPI 模塊的硬件設計

　　讓兩個 DSP 分別工作在主、從操作模式下，兩者的引腳連接如圖2 所示。主處理器通 過SPICLK 腳向整個通信網提供串行時鐘，控制著系統的數據傳輸；通過SPISTE 腳給從處 理器提供片選信號，低電平有效；通過SPISIMO 腳把數據輸出到從處理器的SPISIMO 腳上； 通過SPISOMI 腳接受從機處理器SPISOMI 腳上的數據。

　　3.2 同步通信流程設計及軟件實現

　　在設計時，主處理器先向從處理器發送給定信息，發送完畢后，循環發送0，使SPICLK 不停地有時鐘脈沖輸出，并等待接受從處理器發送的數據。從處理器先是等待給定信息，如果接收到非零數據，則進行下一步運行并不斷向主處理器發送當前數據。

　　SPI 通信主處理器的流程圖和從處理器的流程圖分別如圖3、圖4 所示。

　　在完成兩個DSP 時鐘和中斷初始化后，分別對其SPI 寄存器進行設置，讓其分別處于 master 和slave 模式。主、從處理器都采用查詢方式發送數據，中斷方式接受數據。

　　查詢方式發送是判斷SPI 發送緩沖器已滿標志位（SPISTS.bit.BUFFULL_FLAG）是否為空，如果為空，則將數據寫入發送緩沖寄存器（SPITXBUF）中，啟動SPISIMO 引腳的數據發送，數據發送完畢后SPISTS.bit.BUFFULL_FLAG 自動清零，等待下一次發送。

　　中斷方式接受是在SPI 中斷使能位（SPICTL.bit.SPIINTENA）置位的情況下，如果接收 到數據傳送到SPI 串行數據寄存器（SPIDAT）中，SPI 中斷標志位（SPISTS.bit.INT_FLAG）置位且觸發中斷，并將數據轉移到接受緩沖寄存器（SPIRXBUF）中，如果SPIRXBUF 中數據被讀取，則SPISTS.bit.INT_FLAG 自動清零，等待下一次接受中斷。

　SPI 部分發送和接受程序如下：

　　void spi_TxProcess()

　　{

　　while(SpiRegs.SPISTS.bit.BUFFULL_FLAG==1) {}

　　/*判斷SPISTS.bit.BUFFULL_FLAG）是否為空*/

　　if(SpiRegs.SPISTS.bit.BUFFULL_FLAG==0)

　　{

　　SpiRegs.SPITXBUF=slave_value;

　　/*向SPITXBUF 寫入數據以啟動數據發送*/

　　}

　　}

　　interrupt void SPIRXINTA_ISR(void)

　　/*中斷方式接受*/

　　{

　　TX_data2=SpiRegs.SPIRXBUF;

　　/*讀取SpiRegs.SPIRXBUF 后自動清除中斷標志位*/

　　return;

　　}

　　4 異步通信模塊的設計

　　4.1 基于SCI 的硬件設計

　　圖 5 為上位機和DSP 的硬件連接圖。RS-232C 標準采用負邏輯：邏輯“1”為-5V~-15V 之間的低電平，通常用-12V 表示；邏輯“0”為+5V~+15V 之間的高電平，通常用+12V 表示。 上述標準稱為EIA 電平。

　　RS-232C 是用正負電壓來表示邏輯狀態，并且是負邏輯，而TTL 則以高低TTL 器件電平表示邏輯狀態，且為正邏輯，兩者的規定是不同的。為了能夠將與EIA 器件連接，保證二者之間正常通信，必須在它們之間進行電平和邏輯關系的變換。本Maxim 公司生產的集 成芯片MAX232 來實現這一變換[4]。變化后的電平在經過6N137 轉換為適合TMS320F2812 的電平在+3.3V 以內的信號。

　　4.2 SCI 通信的軟件實現

　　通信前，發送端和接受端必須使用雙方協商一致的通信協議，數據被拆分成為（bit）進行傳送。傳送的順序一次為起始位、數據位、奇偶校驗位、停止位。每秒鐘傳送的bit 數由波特率來決定。本文中的通信協議設定為：波特率38400bit/s，8 位數據位，無奇偶校驗，1 位停止位，數據傳輸同時采用ASCⅡ碼和二進制兩種形式。

上位機采用Visual Basic6.0（以下簡稱VB）語言編程實現，利用VB 中提供的MSComm 控件可以實現PC 機與下位機的通信。利用MSComm 實現通信有兩種方法：一是事件驅動 方法，也就是OnComm 事件。當有數據到達端口或端口狀態發生改變或有通信錯誤產生時， 都將發生OnComm 事件。另一種就是查詢方式。查詢方式是通過周期性讀取緩沖區的信號來發現是否有事件發生并進行處理的方法。本設計中，發送采用查詢方式，接受采用事件驅 動方法。MSComm 控件初始化程序如下：

　　MSComm1.CommPort = 1 '端口號'

　　MSComm1.Settings = "38400,n,8,1"

　　'波特率38400bit/s，8 位數據位，無奇偶校驗，1 位停止位'

　　MSComm1.InputLen = 0

　　MSComm1.InBufferCount = 0 '清空接收緩沖區'

　　MSComm1.OutBufferCount = 0 '清空'

　　MSComm1.RThreshold = 1 '接收緩沖區或發送緩沖區中可以接收的字符數'

　　MSComm1.PortOpen = True

　　應實際要求，我們要在通信中同時傳輸數據和控制字符，所以數據傳輸同時采用ASCⅡ 碼和二進制兩種形式。這就需要在每次傳輸前改變MSComm1.InputMode 的屬性。

　　TMS320F2812（SPI 通信中主處理器）在完成時鐘和中斷初始化后，對其SCI 寄存器進 行設置，使其通信協議和上位機一致。TMS320F2812 采用查詢方式給上位機發送數據，中 斷方式接受上位機的數據。SCI 寄存器設置如下：

　　SciaRegs.SCICCR.all=0x0007;

　　/*一個停止位，禁止奇偶校驗，禁止自測，8 個字符*/

　　SciaRegs.SCICTL1.all=0x0003;

　　/*禁止接受錯誤中斷，復位，禁止休眠，開啟發送使能*/

　　SciaRegs.SCICTL2.all=0x0002;

　　/*開接受中斷，關發送中斷*/

　　SciaRegs.SCIHBAUD=0x00;

　　SciaRegs.SCILBAUD=0x79;

　　/*波特率38400*/

　　SciaRegs.SCICTL1.all=0x0023;

　　/*開始使能SCIA*/

　　5 結束語

　　以上為解決兩個DSP 之間以及DSP 與PC 機之間的通信的軟硬件設計方案，當上位機 發送給定信息（位置信息）后，下位機接受到數據并傳輸給SPI 處理器，上位機和下位機界 面如圖6、圖7。

　　系統的最大特點是根據實際需要，采用同時同步和異步兩通信方式。雙系統間的同步串 行通信，保證了雙系統運行的同步性；通過PC 機和上位機的異步串行通信，實現把DSP 采集的一系列數據通過串口發送至PC 機，解決了DSP 存儲空間有限的問題，在PC 上可以很方便地對數據進行一些在DSP 上難以實現的處理，得到一些數據曲線等，效果直觀便捷。此系統已應用與某一開關磁阻電機電機并聯控制系統中，運行穩定，通信性能良好。