DSP与慢速外围设备接口的设计方法解析

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DSP与慢速外围设备接口的设计方法解析 [复制链接]

       与常规单片机相比，DSP的内部结构和时序发生了很大的变化。所以单片机适用的接口芯片，DSP并不一定适用。对于非常熟悉单片机电路的设计人员，在进行DSP电路设计时，应特别注意芯片的选型和时序的搭配。尤其在处理DSP与慢速设备或器件接口时，正确的时序搭配是至关重要的。
　　为了适应较慢的外部存储器和输入/输出设备，DSP配备了软件可编程等待状态发生器，可以将外部总线周期扩展到数个机器周期。由于受硬件条件的限制，这种扩展通常也是有限的，如C54XX系列的DSP最多只能扩展到14个机器周期，C2XX系列的DSP最多只能扩展到7个机器周期。但在实际应用过程中，经常会遇到读写周期更慢的输入/输出设备，如液晶显示模块、打印机、键盘等。因此，仅通过软件编程控制内部状态等待发生器是不能实现输入/输出时序匹配的，必须进行外部硬件扩展设计。
　

　　在DSP与慢速外围设备接口设计过程中，通常采用双CPU的方法，由DSP完成高速数据处理和计算，用普通单片机（如51系列单片机）实现系统的输入/输出功能。这种方法由于采用两种结构不同的CPU，增加了系统的复杂性，而且接口和调试难度加大。本文将利用DSP的READY（外部设备准备就绪）引脚，通过硬件扩展实现外部状态自动等待，从而使DSP与慢速输入/输出设备能直接连接以实现访问的时序匹配。这种方法接口容易，硬件扩展电路并不复杂，而且内、外等待状态结合起来使用，可产生任何数目的等待状态，甚至可以将外部硬件等待状态设计为受控方式，只在需要的时候启动外部等待状态。这样，使用的时候就会更加灵活。
　　1 DSP的I/O读写时序
　　现以TMS320F206 DSP芯片为例进行介绍。其时钟频率设20MHz，它的外部读写时序如图1所示。
　　TMS320F206的读周期为一个时钟周期（5ns），写周期为两个时钟周期。读、写操作数据的保持时间T1、T2只有几个纳秒。内部可编程等待状态发生器最多只能扩展到等待7个时钟周期，即350ns。利用内部状态等待，只能实现DSP与常用单片机的外围芯片的读写时序相匹配。
　

　　2 慢速设备的读写时序
　　现以MDL（S）16465字符液晶显示模块为例进行介绍。其读写时序如图2和图3所示。
　　该液晶模块的读写周期Tcyc最小为1000ns。脉冲宽度Pw最小为450ns，读写操作数据保持时间最小为10ns。如果采用直接连接方式将TMS320F206与该液晶模块接口，即使采用最大的状态等待数目，DSP的读写时序也不能满足该液晶模块的要求。为实现二者的时序匹配，本文将给出一种合适的外部硬件等待扩展方法，以实现DSP与液晶模块的直接读写访问控制。
　　3 DSP的READY信号
　　TMS320F206提供两种状态等待选项，一种是片内状态等待产品器，可以实现有限的可编程状态等待；另一种是READY信号，利用它可进行硬件扩展，从片外产生任何数目的状态等待。
　　DSP在进行外部读写操作时，如果READY引脚信号为低电平，DSP将等待一个时钟周期后再次检查READY信号。在READY引脚被驱动至高电平之前，程序处于等待状态，将不会继续往下执行。如果不使用READY信号，DSP在进行外部访问期间内，READY应始终保持高电平。
　　利用DSP的READY信号和相关外部访问控制信号，通过硬件扩展，可以实现外部自动状态等待，从而使DSP能够与慢速外部设备进行直接连接访问。
　　

　　4 DSP与慢速外部设备的直接访问接口
　　外部状态等待硬件扩展电路采用一片12级的二进制波纹计数器74HC4040来实现，该芯片每一级的输出信号的频率为前级的一半。将TMS320F206的时钟输出信号CLKOUT1作为74HC4040的输入时钟，如果CLKOUT1为20MHz，那么最大等待时间可以达到2 12×50ns，使用者可以根据外部设备的时序需要选用74HC4040的不同输出引脚进行等待控制。由于输入时钟的频率较高，一般的CD4040或MC14040芯片响应速度不够快，至少应选和74HC4040或响应速度更快的芯片。
　　自动硬件等待扩展电路如图4所示。选用74HC4040的Q5脚输出作为延时等待控制，等待时间为1600ns。将Q4脚输出信号分别与DSP的读写信号相或，产生外部设备的读写控制信号，这样可以充分保证读写操作时数据的保持时间。该电路所产生的时序如图5所示。
　　经过以上硬件状态等待扩展，DSP以外部设备读写周期达到1600ns，读写操作的数据保持时间大于20ns，满足液晶模块的时序要求。此外，DSP在进行内部程序和数据访问时，READY始终为高电平，不影响DSP的内部运行速度。应用该电路，DSP与MDL（S）16465液晶模块的直接访问连接如图6所示。
　

　　RS为液晶模块的数据指令控制输入端，“1”表示数据，“0”表示指令；R/W为读写控制输入端，“1”为读操作，“0”为写操作；E为使能控制输入端，高电平有效。按图6的接法，用两根地址线A8、A9分别与RS、R/W相连，根据每个引脚的功能定义，液晶模块的指令口写地址为0000H，指令口读地址为0200H，数据口写地址为0100H，数据口读地址0300H。DSP对液晶模块的访问控制子程序如下：
　　lcdcwaddr .set 0000h ;指令口写地址
　　lcdcraddr .set 0200h ;指令口读地址
　　lcddwaddr .set 0100h ;数据口写地址
　　lcddraddr .set 0300h ;数据口读地址
　　lcdenable:splk #6ff2h，60h ;io1=1
　　out 60h，iosr ;lcd enabled
　　ret
　　lcddisable:splk #6ff0h，60h ;io1=0
　　out 60h，iosr ;lcd disabled
　　lcdrw： call lcdenable
　　in 60h，［读地址］ ；读操作
　　out 61h，［写地址］ ；写操作
　　call lcddisable
　　ret
　　利用TMS320F206的IO1作为读写使能控制信号调用LCDENABLE和LCDDISABLE两个子程序打开和关闭对液晶模块的访问功能。除了需要调用两个简单的控制子函数以外，读写操作分别由IN和OUT两条指令完成，实现对该液晶模块的直接读写访问。由于该液晶模块没有单独的读写控制引脚，访问控制要求比较特殊，所以只能按照图6的方式进行连接。
　　

　　如果外部设备具有单独的读写控制引脚，可直接与图4中的DEV-RD和DEV-WE分别相连，然后将数据线与地址线对应连接，就能够进行直接读写访问控制。作者为处理键盘输入和打印机输出接口时，就是采用这种连接方式。使用结果表明，访问和控制都十分可靠。
　　由于DSP的应用日益广泛，作为一个完整的控制系统和测试设备，参数设备、结果显示等基本的输入/输出功能是必不可少的。因此，DSP与慢速设备的接口将是各种科研和开发中经常遇到的问题。本文给出的硬件接口方法能够实现DSP的外部访问自动状态待，使高速的DSP芯片与传统的慢速输入输出设备融入一个系统，不仅有效地解决了DSP与各种慢速设备访问时序的匹配问题，而且硬件电路设计简单、访问直接、控制编程容易，进一步拓展了DSP在工业自动控制和测试设备中的应用空间。