摘要：介绍TMS320VC5410的多功能串行接口（McBSP）,并结合McBSP与高精度,高速率串行数据转换器MAX5410之间的串行通信,从硬件和软件两个方面具体讨论McBSP的设计方法。

    关键词：DSP McBSP SPI 模数转换器

一、DSP的串行接口技术

当今,嵌入式系统正迅速向低功耗、低成本、小体积、高性能、高速率方向发展。随着串行接口技术的不断成熟,逐步达到了以上设计要求,成为重要的接口方案。尤其在数字信号处理器方面,串行口的重要性体现得更加突出,几乎所有的数字信号处理器都提供了一个或多个串行接口,并且随着数字信号处理器的更新换代,其相应的串行接口,在功能上不断强化,性能上不断提升。

与并行接口相比,串行接口的最大优点就是减少了DSP的引脚数目,降低了接口设计的复杂性。通常,串行接口提供全双工同步操作,输入和输出数据以位为单位的串行方式进行处理。目前,世界各主要半导体制造商提交了许多不同的串行协议,其中一些已经成为工业标准。典型的串行协议包括：MOTOROLA（Austin,TX）的串行外围设备接口SPI和队列SPI（QSPI）、PHILIPS（Sunnyvale,CA）、National Semiconductor的微总线（microwire）。

图1是典型的SPI协议。SPI协议采用主从设置,相互连接的设备中一个作为主设备,其他的设备作为从设备。接口连线主要包括以下4条信号线：

（1）串行数据输入信号线,即MISO（Master InSlave Out）;

（2）串行数据输出信号线,即MOSI（Master Out-Slave In）;

（3）移位时钟信号线,即SCK;

（4）从设备片选信号线,即SS。

二、TMS320VC5410的多通道缓存串行口——McBSP

1.McBSP的功能特点

TMS320V5410是TI生产的第二代低功耗TMS320C5000系列定点数字信号处理器,提供了3个高速、全双工、多通道缓存串行口McBSP,每个串行口可以支持128通道,速度达100Mbit/s。McBSP是在标准串行接口的基础之上对功能进行扩展,因此,具有与标准串行接口相同的基本功能：

（1）全双工通信;

（2）拥有两级缓冲发送和三级缓冲接收数据寄存器,允许连续数据流传输;

（3）为数据发送和接收提供独立的帧同步脉冲和时钟信号;

（4）能够与工业标准的解码器、模拟接口芯片（AICs）和其他串行A/D和D/A设备直接连接;

（5）支持外部移位时钟或内部频率可编程移位时钟。

此外,McBSP还具有以下特殊功能：

（1）可以与IOM-2、SPI、AC97等兼容设备直接连接;

（2）支持多通道发送和接收,每个串行口最多支持128通道;

（3）串行字长度可选,包括8、12、16、20、24和32位;

（4）支持μ-Law和A-Law数据压缩扩展;

（5）进行8位数据传输时,可以选择LSB或MSB为起始位;

（6）帧同步脉冲和时钟信号的极性可编程;

（7）内部时钟和帧同步脉冲的产生可编程,具有相当大的灵活性。

2.McBSP寄存器的访问

TMS320VC5410包含3组多通道缓存串行口,每组多通道缓存串行口有23个寄存器与之相关,除RBR[1,2]、RSR[1,2]、XSR[1,2]之外,其中15个寄存器是可寻址寄存器。由于数据页0的存储空间限制,有些寄存器必须通过子地址寻址方式来访问。SPSA_x是子地址寄存器,欲访问指定的寄存器,只要把相应的子地址写入SPSA_x就可以了。表1列出了McBSP的子地址寄存器。

表1 McBSP子地址寄存器

假如要对McBSP1的发送控制寄存器2（XCR2_1）进行设置。首先,将子地址0x0005写入子地址寄存器（SPSA_1）,与此同时,存储单元0x0049就映射为发送控制寄存器2（XCR2_1）。然后,对存储单元0x0049的读写操作,就相当于对发送控制寄存器2（XCR2_1）进行操作。

例：设置McBSP1的发送控制寄存器2（XCR2_1）。

XCR2_1.set 05h;发送控制寄存器2的子地址

SPSA_1.set 48h; 串行口1的子地址寄存器地址

REG_1 .set 49h; 存储单元0x0049,在此被映射为发送控;制寄存器2

;将发送控制寄存器2的子地址写入子地址寄存器

（SPSA_1）

STM #XCR2_1,SPSA_1

;将控制字0041h写入存储单元0x0049

STM #0041h,REG_1

3.McBST的SPI接口设计

McBSP的时钟停止模式与SPI协议兼容。当McBSP处于时钟停止模式时,发送器和接收器是内部同步时,因此可以将McBSP作为SPI主设备或从设备。当设置McBSP为主设备时,发送端输出信号（BDX）就作为SPI协议的MOSI信号,接收端输入信号（BDR）就作为SPI协议的MISO信号。发送帧同步脉冲信号（BFSX）作为从设备片选信号（SS）,而发送时钟信号（BCLKX）就与SPI协议的串行时钟信号（SCK）相对应。由于接收时钟信号（BCLKR）和接收帧同步脉冲信号（BFSR）与发送端的相应部分（BCLKX和BFSX）在内部相互连接,因此这些信号不用于时钟停止模式。McBSP设置为主设备时,SPI协议连接如图2所示。

三、McBSP接口举例

1.高精度数模转换器MAX541

MAX541是16位串行输入、电压输出数模转换器,+5V单电源供电。DAC输出非缓冲,因此只有0.3mA的低供电电流和1LSB的低漂移误差。DAC输出范围为0V至VREF。MAX541采用3线串行接口,兼容于SPITM/QSPITM/MICROWIRETM等串行通信协议。MAX541最高可以获得500×10 3采样点/秒的通过率,基本上满足大多数应用的要求。MAX541采用8引脚DIP或SO封装。MAX541各引脚描述如表2所列。

表2 MAX541引脚说明

2.McBSP与MAX541的接口电路

TMS320VC5410与MAX541的接口电路如图3所示。

为使MAX541获得高分辨率和高精度,可以由MAX873提供高精度的+2.5V低阻抗基准电压源。为了消除高频和低频干扰,必须在REF引脚与模拟地之间接入退耦电容。由于AX541的数字输入DIN与TTL/CMOS逻辑电平兼容,因此,可以与TMS320VC5410的串行输出BDX直接连接。此外,必须严格隔离模拟地AGND和数字地DGND,最后在MAX541的AGND引脚上将模拟地和数字地连接在国起,构成星形的地线系统。在MAX541的输出端接入电压跟随型运算放大器MAX495。表3是数字输入代码与模拟输出电压之间的对应关系。

表3 MAX541单极性接口

DSP的发送帧同步脉冲信号（BFSX）作为MAX541的片选信号（CS）,而发送时钟信号（BCLKX）作为MAX541的串行时钟输入。MAX541的三线接口电路时序如图4所示。

图4所示,在片选信号CS由高电平转变为低电平的同时,串行数据按照从最高有效位到最低有效位的顺序,在串行时钟的每个上升沿逐位移入片内的输入寄存器。

3.软件设计

下面通过产生国个锯齿波的例子来说明TMS320VC5410与MAX541之间的软件设计。

    当McBSP作为SPI通信的主设备,由它为从设备提供时钟信号,并控制数据的传输过程。CLKX引脚上的时钟信号必须在数据包传输期间使能,当没有数据包传输时,时钟信号根据所采用的极性保持高电平或者低电平。通常,通过McBSP的采样率发生器产生10MHz时钟信号,由BCLKX引脚输出,作为MAX541的串行时钟输入信号。McBSP利用BFSX引脚为MAX541提供片选信号,因此必须正确设置帧脉冲发生器,使之在每个数据包传输期间产生帧同步脉冲,即在数据包传输的第一位转变为有效状态（在本例中为低电平有效,取决于MAX541的片选信号CS）,然后维持有效状态直到数据包发送完毕。此外,根据SPI传输协议,必须正确设置数据发送延迟时间（XDATDLY=01b）,由图4可知,在帧同步脉冲有效之后,大约延迟了一个时钟周期才进行串行数据的发送。根据图4所示的时序图,为McBSP选择一种合适的时钟方案,即设置McBSP的时钟停止模式。在本例中采用时钟停止模式3（CLKSTP=10b、CLKXP=1）,其时钟方案如图5所示。

表4列出了一些与SPI设置相关的寄存器位。

表4 与SPI设置相关的些寄存器位

4.程序清单

程序首次初始化TMS320VC5410,使数据页指针（DP）为0,并且禁止中断。由于TMS320VC5410外接10Hz的时钟频率发生器,通过锁相环电路倍频至100MHz。接着初始化TMS320VC5410的多通道缓存串行口McBSP。最后,响应XRDY中断发送数据。

.width 80

.length 100

.title "transmit.asm"

.mmregs

.defSTART

.def BSPR0

.def BSPX0

.include "periphral.asm"

.text

START:

;初始化DSP

STM#00E0h,PMST ;IPTR=000000001b,MP/MC=1,

;OVLY=1,DROM=0

LD #0,DP

LD #0,ARP

    SSBX INTM ;禁止所有可屏蔽中断

STM #0FFFFh,IFR ;清除所有中断标志

STM #0020h,IMR ;允许BSPX0中断

STM #0010h,TCR ;关闭DSP计时器,以便降低

;功耗锁相环（PLL）倍频*10->CLKOUT：100MHz

STM#1001000110000111b,CLKMD

Tststatus：

LDM CLKMD,A

AND #01h,A

BC Tststatus,AEQ

STM #1001000110000111b,CLKMD

;初始化McBSP

STM SPCR1_1,SPSA_1

STM #1000h,REG_1 ;CLKSTP=10（选择SPI时钟停

;止模式3）

STM SPCR2_1,SPSA_1

STM #0000h,REG_1 ;置McBSP于复位态时,以便

;对控制寄存器进行设置

STM PCR_1,SPSA_1

STM #0A0Fh,REG_1 ;CLKX->CLKR,FSX->FSR,

;DX->DR,FSXM=1(输出),

;CLKXM=1（输出）,FSXP=1(低

;电平有效）,CLKXP=1(在CLKX

;的下降沿发送数据）

STM RCR1_1,SPSA_1

STM #0040h,REG_1 ;每帧1个字,每个字16位

STM RCR2_1,SPSA_1

STM #0041h,REG_1 ;单帧,RFIG=0,RDATDLY=01

;（1位数据延迟）

STM XCR1_1,SPSA_1

STM #0040h,REG_1 ;每帧1个字,每个字16位

STM XCR2）1,SPSA_1

STM #0041h,REG_1 ;单帧XFIG=0,XDATDLY=01

;（1位数据延迟）

STM SRGR1_1,SPSA_1

STM #0009h,REG_1 ;CLKGDV=9,CLKG=(CLKOUT)/

;（1+CLKGDV）=10MHz

STM SRGR2_1,SPSA_1

STM #2313h,REG_1;GSYNC=0,CLKSP=0,

;CLKSM=1,FSGM=0

RPT #2 ;等待2个CLKSRG周期（CLKSRG=100MHz）

NOP

STM SPCR2_1,SPSA_1

STM #0040h,REG_1 ;启动McBSP0采样率发生

;器,/GRST=1

RPT #20 ;等待2个CLKG周期（CLKG）=10MHz)

NOP

STM SPCR2_1,SPSA_1

STM #0041h,REG_1 ;启动McBSP0发送端,/XRST=1

STM SPCR2_1,SPSA_1

STM #00C1h,REG_1 ;启动帧同步脉冲,/FRST=1

RPT #80

NOP

STM #08000h,AR1

RSBX INTM ;打开可屏蔽中断

MVMD AR1,DXR1_1 ;向DXR送数

WAIT：IDLE1

    B WAIT

BSPX0：

STM #0h,IFR

AMR AR1

MVDM AR1,DXR1_1

RETE

.end

结束语

本文介绍了TMS320VC5410的多通道缓存串行口（McBSP）的功能特点,并结合实例子着重讨论了如何利用SPI接口协议实现McBSP与其他串行器件之间相互通信。