基于雙DSP的并聯(lián)控制系統(tǒng)中串行通信的研究

基于雙DSP的并聯(lián)控制系統(tǒng)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(diǎn)介紹了利用DSP 的SPI 模塊進(jìn)行雙DSP 同步串行通信，以及在Visual Basic 6.0 下，利用MSComm 控件實(shí)現(xiàn)上位PC 機(jī)和下位DSP 之間異步串行通信的具體實(shí)現(xiàn)方式。最后給出了一個(gè)采用RS-232 串行通信標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)信息傳輸?shù)膶?shí)例。串行通信簡(jiǎn)單，界面友好，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。

　　引言

　　隨著數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）在系統(tǒng)控制領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，控制各系統(tǒng)的DSP 之間 通信問(wèn)題也越來(lái)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(duì)接實(shí)現(xiàn)芯片間的同步串行通信。有時(shí)為了充分利用PC 機(jī)資源，讓一些在智能儀器上難以解決的問(wèn)題諸如曲線(xiàn)顯示等可以在PC 機(jī)上得以實(shí)現(xiàn)，這就需要DSP 內(nèi)嵌的串行通信接口 （SCI）模塊，實(shí)現(xiàn)DSP 與上位機(jī)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(kāi)關(guān)磁阻伺服電動(dòng)機(jī)并聯(lián)傳動(dòng)系統(tǒng) （SRSD），系統(tǒng)使用的是TMS320F2812 芯片，具有SPI 模塊和SCI 模塊[1]。本文詳細(xì)介紹 了SPI 模塊和SCI 模塊各自進(jìn)行串行通信的硬件連接和軟件實(shí)現(xiàn)方法，從而完成了基于 TMS320F2812 的雙SRSD 系統(tǒng)通信模塊的實(shí)現(xiàn)。

　　1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

　　雙電機(jī)并聯(lián)系統(tǒng)有很多優(yōu)點(diǎn)，它比單電機(jī)系統(tǒng)在處理電機(jī)空間放置方式上更為靈活，并且有利于改進(jìn)電機(jī)的特性。相對(duì)于單電機(jī)系統(tǒng)，在相同的輸出情況下，雙電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量更小，從而可以減少運(yùn)行時(shí)的電能消耗。此外，當(dāng)雙電機(jī)中的一臺(tái)損壞后，另一臺(tái)仍可以在短時(shí)間內(nèi)或適當(dāng)減少負(fù)載的情況下繼續(xù)運(yùn)行，提高了系統(tǒng)的可靠性[3]。

　　本文背景以SRSD 為主要研究對(duì)象，以位置輸出為主要控制量。在單機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上， 經(jīng)過(guò)改進(jìn)，設(shè)計(jì)出雙SRSD 并聯(lián)系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

　　2 串行通信原理及特性

　　在計(jì)算機(jī)中，通常用8 位的二進(jìn)制代碼來(lái)表示一個(gè)字符，一條信息的各位字符的二進(jìn)制代碼被按由低到高位的順序，依次地發(fā)送出去的通信方式叫做串行通信。它的特點(diǎn)是按位發(fā)送。根據(jù)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(fù)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(gè)高速的同步串行輸入/輸出端口，一般用來(lái)實(shí)現(xiàn)DSP 控制器 之間和DSP 與外圍設(shè)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(shí)鐘信號(hào)（SPICLK），它可以在任何時(shí)候通過(guò)發(fā)送SPICLK 信號(hào)來(lái)啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸。無(wú)論是主片還是從片，數(shù)據(jù)都是在SPICLK 的某個(gè)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(shù)據(jù)都是同時(shí)進(jìn)行的。

　　芯片的 SCI 是一個(gè)雙線(xiàn)通信的異步串行通信接口，也稱(chēng)UART 口，一般用于接上位機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)PC 機(jī)）。

　　3 同步通信模塊的設(shè)計(jì)

　　3.1 基于SPI 模塊的硬件設(shè)計(jì)

　　讓兩個(gè) 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(guò)SPICLK 腳向整個(gè)通信網(wǎng)提供串行時(shí)鐘，控制著系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸；通過(guò)SPISTE 腳給從處 理器提供片選信號(hào)，低電平有效；通過(guò)SPISIMO 腳把數(shù)據(jù)輸出到從處理器的SPISIMO 腳上； 通過(guò)SPISOMI 腳接受從機(jī)處理器SPISOMI 腳上的數(shù)據(jù)。

　　3.2 同步通信流程設(shè)計(jì)及軟件實(shí)現(xiàn)

　　在設(shè)計(jì)時(shí)，主處理器先向從處理器發(fā)送給定信息，發(fā)送完畢后，循環(huán)發(fā)送0，使SPICLK 不停地有時(shí)鐘脈沖輸出，并等待接受從處理器發(fā)送的數(shù)據(jù)。從處理器先是等待給定信息，如果接收到非零數(shù)據(jù)，則進(jìn)行下一步運(yùn)行并不斷向主處理器發(fā)送當(dāng)前數(shù)據(jù)。

　　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(gè)DSP 時(shí)鐘和中斷初始化后，分別對(duì)其SPI 寄存器進(jìn)行設(shè)置，讓其分別處于 master 和slave 模式。主、從處理器都采用查詢(xún)方式發(fā)送數(shù)據(jù)，中斷方式接受數(shù)據(jù)。

　　查詢(xún)方式發(fā)送是判斷SPI 發(fā)送緩沖器已滿(mǎn)標(biāo)志位（SPISTS.bit.BUFFULL_FLAG）是否為空，如果為空，則將數(shù)據(jù)寫(xiě)入發(fā)送緩沖寄存器（SPITXBUF）中，啟動(dòng)SPISIMO 引腳的數(shù)據(jù)發(fā)送，數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后SPISTS.bit.BUFFULL_FLAG 自動(dòng)清零，等待下一次發(fā)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(shù)據(jù)傳送到SPI 串行數(shù)據(jù)寄存器（SPIDAT）中，SPI 中斷標(biāo)志位（SPISTS.bit.INT_FLAG）置位且觸發(fā)中斷，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到接受緩沖寄存器（SPIRXBUF）中，如果SPIRXBUF 中數(shù)據(jù)被讀取，則SPISTS.bit.INT_FLAG 自動(dòng)清零，等待下一次接受中斷。

　SPI 部分發(fā)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(xiě)入數(shù)據(jù)以啟動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送*/

　　}

　　}

　　interrupt void SPIRXINTA_ISR(void)

　　/*中斷方式接受*/

　　{

　　TX_data2=SpiRegs.SPIRXBUF;

　　/*讀取SpiRegs.SPIRXBUF 后自動(dòng)清除中斷標(biāo)志位*/

　　return;

　　}

　　4 異步通信模塊的設(shè)計(jì)

　　4.1 基于SCI 的硬件設(shè)計(jì)

　　圖 5 為上位機(jī)和DSP 的硬件連接圖。RS-232C 標(biāo)準(zhǔn)采用負(fù)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(biāo)準(zhǔn)稱(chēng)為EIA 電平。

　　RS-232C 是用正負(fù)電壓來(lái)表示邏輯狀態(tài)，并且是負(fù)邏輯，而TTL 則以高低TTL 器件電平表示邏輯狀態(tài)，且為正邏輯，兩者的規(guī)定是不同的。為了能夠?qū)⑴cEIA 器件連接，保證二者之間正常通信，必須在它們之間進(jìn)行電平和邏輯關(guān)系的變換。本Maxim 公司生產(chǎn)的集 成芯片MAX232 來(lái)實(shí)現(xiàn)這一變換[4]。變化后的電平在經(jīng)過(guò)6N137 轉(zhuǎn)換為適合TMS320F2812 的電平在+3.3V 以?xún)?nèi)的信號(hào)。

　　4.2 SCI 通信的軟件實(shí)現(xiàn)

　　通信前，發(fā)送端和接受端必須使用雙方協(xié)商一致的通信協(xié)議，數(shù)據(jù)被拆分成為（bit）進(jìn)行傳送。傳送的順序一次為起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位、停止位。每秒鐘傳送的bit 數(shù)由波特率來(lái)決定。本文中的通信協(xié)議設(shè)定為：波特率38400bit/s，8 位數(shù)據(jù)位，無(wú)奇偶校驗(yàn)，1 位停止位，數(shù)據(jù)傳輸同時(shí)采用ASCⅡ碼和二進(jìn)制兩種形式。

上位機(jī)采用Visual Basic6.0（以下簡(jiǎn)稱(chēng)VB）語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)，利用VB 中提供的MSComm 控件可以實(shí)現(xiàn)PC 機(jī)與下位機(jī)的通信。利用MSComm 實(shí)現(xiàn)通信有兩種方法：一是事件驅(qū)動(dòng) 方法，也就是OnComm 事件。當(dāng)有數(shù)據(jù)到達(dá)端口或端口狀態(tài)發(fā)生改變或有通信錯(cuò)誤產(chǎn)生時(shí)， 都將發(fā)生OnComm 事件。另一種就是查詢(xún)方式。查詢(xún)方式是通過(guò)周期性讀取緩沖區(qū)的信號(hào)來(lái)發(fā)現(xiàn)是否有事件發(fā)生并進(jìn)行處理的方法。本設(shè)計(jì)中，發(fā)送采用查詢(xún)方式，接受采用事件驅(qū) 動(dòng)方法。MSComm 控件初始化程序如下：

　　MSComm1.CommPort = 1 '端口號(hào)'

　　MSComm1.Settings = "38400,n,8,1"

　　'波特率38400bit/s，8 位數(shù)據(jù)位，無(wú)奇偶校驗(yàn)，1 位停止位'

　　MSComm1.InputLen = 0

　　MSComm1.InBufferCount = 0 '清空接收緩沖區(qū)'

　　MSComm1.OutBufferCount = 0 '清空'

　　MSComm1.RThreshold = 1 '接收緩沖區(qū)或發(fā)送緩沖區(qū)中可以接收的字符數(shù)'

　　MSComm1.PortOpen = True

　　應(yīng)實(shí)際要求，我們要在通信中同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)和控制字符，所以數(shù)據(jù)傳輸同時(shí)采用ASCⅡ 碼和二進(jìn)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(shí)鐘和中斷初始化后，對(duì)其SCI 寄存器進(jìn) 行設(shè)置，使其通信協(xié)議和上位機(jī)一致。TMS320F2812 采用查詢(xún)方式給上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，中 斷方式接受上位機(jī)的數(shù)據(jù)。SCI 寄存器設(shè)置如下：

　　SciaRegs.SCICCR.all=0x0007;

　　/*一個(gè)停止位，禁止奇偶校驗(yàn)，禁止自測(cè)，8 個(gè)字符*/

　　SciaRegs.SCICTL1.all=0x0003;

　　/*禁止接受錯(cuò)誤中斷，復(fù)位，禁止休眠，開(kāi)啟發(fā)送使能*/

　　SciaRegs.SCICTL2.all=0x0002;

　　/*開(kāi)接受中斷，關(guān)發(fā)送中斷*/

　　SciaRegs.SCIHBAUD=0x00;

　　SciaRegs.SCILBAUD=0x79;

　　/*波特率38400*/

　　SciaRegs.SCICTL1.all=0x0023;

　　/*開(kāi)始使能SCIA*/

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　以上為解決兩個(gè)DSP 之間以及DSP 與PC 機(jī)之間的通信的軟硬件設(shè)計(jì)方案，當(dāng)上位機(jī) 發(fā)送給定信息（位置信息）后，下位機(jī)接受到數(shù)據(jù)并傳輸給SPI 處理器，上位機(jī)和下位機(jī)界 面如圖6、圖7。

　　系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是根據(jù)實(shí)際需要，采用同時(shí)同步和異步兩通信方式。雙系統(tǒng)間的同步串 行通信，保證了雙系統(tǒng)運(yùn)行的同步性；通過(guò)PC 機(jī)和上位機(jī)的異步串行通信，實(shí)現(xiàn)把DSP 采集的一系列數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送至PC 機(jī)，解決了DSP 存儲(chǔ)空間有限的問(wèn)題，在PC 上可以很方便地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一些在DSP 上難以實(shí)現(xiàn)的處理，得到一些數(shù)據(jù)曲線(xiàn)等，效果直觀便捷。此系統(tǒng)已應(yīng)用與某一開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)電機(jī)并聯(lián)控制系統(tǒng)中，運(yùn)行穩(wěn)定，通信性能良好。