C8051F005在高速誤碼測試系統中的運用

　　本文根據Vitesse公司的VSC8228芯片特點，利用C8051F005單片機設計出一種價廉的高速誤碼測試儀。下面將對其軟硬件設計，特別是C8051F005與上位機的串口通信以及與VSC8228的SPI通信進行詳細探討。

　　1 誤碼測試系統概述

　　Cygnal公司的單片機C8051F005具有高速8051微控制器內核，速度可達25 MIPS，指令為流水線指令結構，70%的指令的執行時間為1個或2個系統時鐘周期;可片內JTAG調試和邊界掃描，這樣可提供全速、非侵人式的在系統調試(不需仿真器);片內有多達60 KB的FlashROM和2 KB RAM，用戶無需再外擴存儲器;可同時使用的硬件SMBus(I2C兼容)、SPI及UART串口，4個通用16位計數器/定時器。

　　VSC8228可提供的一個雙通道重發器或重定時器，能應用于光纖信道、千比特以太網、SONET/SDH以及無限帶寬等多種領域。設備支持速率從125 Mbps～4.25Gbps。該芯片可以將輸入的串行數據在重定時器模式下與本地的參考時鐘同步，內置的碼型產生器與檢測器可以產生與探測27、223、231的偽隨機碼，40或64位用戶定義碼型以及光纖信號CRPAT、CJTPAT、CSPAT碼型。它含128個寄存器，可通過SPI或者I2C串行總線設置相關寄存器，可以實現誤碼檢測功能。

　　誤碼測試系統可分為兩個部分：誤碼測試部分和人機界面。測試部分由VSC8228芯片來實現。它完成偽隨機碼型的產生、同步及對比檢測，計算出誤碼個數。人機界面子系統在整個測試系統中作為系統控制核心單元，通過人機界面完成系統作業。以C8051F005單片機作為人機界面硬件的控制部分，對VSC8228芯片的控制、誤碼率的計算以及測試子系統的各狀態的顯示都通過PC機的界面來實現。PC界面采用Delphi語言編寫。

　　誤碼測試儀的工作流程如下：PC界面通過RS232串口實現與C8051F005的通信，將對VSC8228各寄存器的沒置發送給C8051F005單片機，每個控制命令為16位;單片機通過SPI口將上位機發送過來的控制命令轉發給VSC8228，完成VSC8228各寄存器的設置。為了實時地顯示誤碼測試儀的工作狀態，單片機每秒掃描一次各寄存器，將其值通過RS232串口上傳到PC界面。

　　由此可見，C8051F005單片機起著VSC8228與上位機通信的橋梁作用，它與上位機的串口通信以及與VSC8228的SPI通信在誤碼測試儀的實現過程中起著十分重要的作用。下面通過軟硬件設計詳細分析這兩種通信。

　　2 誤碼測試系統的實現

　　2.1 硬件設計

　　利用C8051F005單片機的串行接口，通過RS232異步通信接口與上位機進行通信。C8051F005通過串行口直接接收PC上位傳送來的串行數據，然后把接收的數據存入數據存儲器;同樣，C8051F005通過串行口直接把數據傳送給PC機。系統結構框圖如圖1所示。

　　C8051F005有一個特別的交叉開關，可將數字I/O資源分配到物理I/O端口引腳。C8051F005通過設置交叉開關來同時使用SMBus(I2C兼容)、SPI及UART串口等。VSC8228也可通過SPI或者I2C串行總線設置相關寄存器，但由于SPI通信的速率比I2C通信快，因此為了實現誤碼的高速測試，這里選擇SPI作為C8051F005與VSC8228的通信協議。

　　SPI接口協議要求接口設備按主從方式進行配置，且同一時間內總線上只能有一個主器件。一般情況下，實現SPI接口需要3或4根線。其中：主出從入(MOSI)信號是主器件的輸出和從器件的輸入，數據傳輸時最高位在先;主人從出(MISO)信號是從器件的輸出和主器件的輸入，數據傳輸時也是最高位在先。當SPI從器件未被選中時，它將MISO引腳置于高阻狀態。串行時鐘(SCK)信號是用于同步主器件和從器件之間在MOSI和MISO線上的串行數據傳輸。從選擇(NSS)信號是一個輸入信號，主器件用它來選擇處于從方式的SPI模塊，在主方式時用于禁止SPI模塊。當處于從方式時，它被拉為低電平以啟動一次數據傳輸，并在傳輸期間保持低電平。

　　誤碼測試系統中，以C8051F005作為主器件，VSC8228為從器件，由于NSS為從器件選擇使用，將單片機的NSS引腳(P0.5)置高，用P2.4引腳與VSC8228的NSS引腳(PIO3)相連。根據MOSI及MISO上的數據在SCK的哪種極性和相位上有效，單片機上的SPI通信有四種工作模式;但是VSC8228的SPl只有一種工作模式，故在對單片機的SPI控制器進行設置時必須考慮這點。圖2是VSC8228的SPI通信時序。在SPI通信時，先傳輸7位地址，后傳輸讀寫控制位OP(OP為0時表示讀，OP為1時表示寫)，最后傳輸8位數據，故SPI通信的命令字長度為16位。

　　2.2 下位機軟件設計

　　下位機采用中斷方式實現與上位機的通信，單片機用SPI與VSC8228誤碼測試模塊的通信。每當串行口接收或發送完一組串行數據時，就產生一個中斷請求。串行中斷請求在單片機芯片內部自動由硬件置位發生，具有實時性高的特點。圖3是單片機的控制程序流程。

　　對單片機進行程序初始化，包括看門狗、系統時鐘、I/O口、SPI寄存器、UART口等。C8051F005單片機具有看門狗，但是看門狗到一定時間，將重啟單片機，為防止這種現象的產生，初始化里禁止了看門狗。SPI的初始化主要是對啟動SPI的相關控制寄存器進行配置。UART的初始化主要是對串口的控制字進行設置。I/O口的初始化通過設置交叉開關來啟動SPI與UART口，并將有關輸出設置為推挽輸出。

　　系統時鐘初始化模塊，由于是選擇外部晶振作為時鐘源，根據C8051F005的要求，在通過外部振蕩器控制寄存器OSCXCN選擇了外部晶振后，需等待至少1ms后再查詢等待OSCXCN寄存器中的D7位，即XTLVLD位變為1，表明外部晶振正在運行并已工作穩定，然后才能通過內部振蕩器控制寄存器OSCICN的D3位，即CLKSL置1來選擇外部晶振。

　　具體的參考程序如下：