（信号与信息处理专业论文）gsm手机综测仪接收模块的dsp实现.pdf

电子科技太学硕士学位论文 摘要 近年来，移动电话在中国迅速地普及和发展，市场上的国产手机已经占据 了一定的份额。但是用于测试手机性能的仪器却以国外的产品为主，中国自己 的测试仪器的研究开发刚刚起步。本课题涉及的项目就是开发用于维修的g s r 手机综合测试仪。 该手机综测仪中的基带处理部分是本论文关注的内容。基带处理部分采用 了d s p s + f p g a 的结构，具有结构灵活的特性，通用性较强，适于模块化设计。 并且开发周期短，系统易于维护和升级，适合用于实时信号处理。 综测仪由信令模块，发射模块，接收模块和测量模块组成。 本论文的主要任务是用d s p ，通过几个模块之间的联调，实现基带处理的 接收模块的功能。 接收模块主要完成g m s k 解调和解码功能，并将所解码出的手机上行的消 息传递给信令模块。解调采用的是2 h i t 差分解调，解调后根据不同信道的类型 采用不同的方式解码，再将解码的结果放入与信令模块共享的双口r a m ，以便 信令模块取走。 本课题实现了正确解码手机上行信号，为以后阶段的测试模块调试打下了 基础。 关键词：g s m ，信令，突发脉冲，x 8 6 ，d s p ，g m s k 调制 电子科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n t e g r a t i v et e s t i n gi n s t r u m e n tf o rg s mh a n d s e t s i su s e dt om e a s u r es o m e i m p o r t a n tp a r a m e t e r s o fg s mh a n d s e t s ，s u c h a s s i g n a lq u a l i t y a n df i m c t i o n p e r f o r m a n c e i t sb a s e b a n d m o d u l ei sm a j i d ym a d eu po ff o u rd s p s ：s i g n a l i n g ， s u b m i t t i n g ，r e c e i v i n ga n dt e s t i n g t h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l yd i s c u s s e st h ei m p l e m e n t a t i o no ft h es o f t w a r ef o rt h e r e c e i v i n gd s e i nt h ep r o c e s so fi m p l e m e n t a t i o n ，i ti se s s e n t i a lt of i n das c h e m et os o l v et h e f o l l o w i n gp r o b l e m s ： * i d e n t i f i c a t i o no ft h el o g i cc h a n n e lt y p eo fs i g n a l sf r o mh a n d s e t s ，w h i c hi st h e k e y t od e t e r m i n ew h i c h d e c o d i n g m o d u l es h o u l db ec a l l e d d e c o d i n gt h es i g n a l f r o mh a n d s e t sc o t t e c t | y ，w h i c hd e p e n d so nw h e t h e rt h e c o m p r e h e n s i o na b o u t t h ec h a n n e ld e c o d i n gp r o t o c o l sc o n c e r n e di sr i g h ta n dw h e t h e r a p a t t e r nf o rd a t a - s t o r i n g c a nb e d e v e l o p e d * t h er a t h e r h i g hr e q u i r e m e n t s f o rr e a lt i m ep r o c e s s i n g w h e t h e rf a i l e dt oc o n t a i n t h ep r o c e s si nt h es t r i c t l yl i m i t e dt i m e ，t h ew h o l es y s t e mc o u l d n o tw o r k a sa na c h i e v e m e n t ，am a t u r ec h a n n e l - j u a g es c h e m eh a sb e e nd e v e l o p e d ，w h i c h a n s w e r sf o rt h er e q u i r e m e n t so fr e a l t i m ep r o c e s s i n g a n dd e b u g g i n gp r a c t i c eh a s t e s t i f i e dt h a ti nt h i ss c h e m et h er e c e i v i n gd s p c a l la c c u r a t e l yd e c o d ea l lt h es i g n a l s f r o mh a n d s e t s i nt h ef i f t hc h a p t e rt h i ss c h e m ei sd i s c u s s e di nd e t a i l s 0 t h c rc o n t e n t s ： i nt h ef i r s tc h a p t e r , t h ep r e f a c ei sp r e s e n t e d ； i nt h es e c o n dc h a p t e r , ag e n e r a li n t r o d u c t i o nf o rt h eg s mi n t e g r a t i v et e s t i n g i n s t r u m e n ti sg i y e n ； i nt h et h i r dc h a p t e r ，o n - c h i pp e f i p h o r a l su s e di ns u b s t r a t ed s ps o f t w a r ea r e i n t r o d u c e d ； i i 电子科技大学硕士学位论文 i nt h ef o r t h c h a p t e r ，p r o t o c o l s o fg s mw i r e l e s si n t e r f a c e s i g n a l i n g a r e i n t r o d u c e d ； i nt h es i x t hc h a p t e r , ac o n c l u s i o nh a sb e e nd r a w n k e y w o r d s ：g s m ，i n t e g r a t i v et e s t i n g d e v i c e sf o rg s mh a n d s e t s ，d s p , b u r s t ， d e - i n t e r w e a v i n g i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名：日期：扣口) 年占月f 5 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 - 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：监峰 导师签名： 日期：。， 电子科技大学硕士学位论文 第一章引言 g s m ( 全球移动通信系统，g l o b e s y s t e m f o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ) 是当 今最成熟的和规模最大的移动通信系统。目前，全球g s m 手机用户已经超过7 5 亿。中国则是全球最大的g s m 手机市场，当前有超过2 亿的用户。 伴随着g s m 移动电话在世界范围的迅速普及，对手机性能的测试和维修的 需求越来越大，这种需求的增长促使各大通信厂商开发和研制对用于手机各项重 要指标的综合测试仪器。 g s m 手机综合测试仪最初由德国r & s ，美国h p 等世界著名仪器公司于9 0 年代初开发并推广使用，现已推出多个型号，例如，德国r & s 的c t s - 5 5 ，c t s 一6 0 ， c t s 一6 5 和a g i l e n t 公司的e 6 3 9 2 b 等。 国内市场上的综合测试仪均不是我国自行研制的，这种国外研制，价格昂 贵的综合测试仪充斥的状况，和中国这个全球最大g s m 市场的地位十分不符。 为了填补综台测试仪开发的空白，我们教研室和成都前锋电子仪器厂台作开发 g s m 手机综合测试仪，编号为q f 4 9 4 2 。 该综合测试仪是基于x 8 6 平台，结合d s p 处理技术，单片机技术和多模块 结构的台式仪器，主要用于g s m 9 0 0 移动电话的测试。整个系统分为射频处理， 基带处理和主控制管理三个部分。其中基带部分实现g m s k 调制解调，信道编 解码，t d m a 帧形成，信令处理，功率，相位频率测量误码率测量，测量结果 处理，回声存储等功能。本课题主要是完成基带部分中的接收模块的功能。 电子科技大学硕士学位论文 第二章g s m 手机综测仪系统介绍 2 1g s 埘通信系统简介 g s m 体系结构主要可以分为以下几个部分： 1 ) 移动台( m s ) 2 ) 基站子系统( b s s ) 3 ) 网络子系统( n s s ) 4 ) 操作和维护子系统( o m c ) 如图2 1 所示。 移动台( m s ) 分为车载型、便携型和手持型。用户识别模块( s i m ) 、s i m 卡和硬件设备一起组成移动台。没有s i m 卡，m s 不能接入g s m 网络( 紧急业 务除外) 。 基站子系统( b s s ) 由基站收发台( b t s ) 和基站控制器( b s c ) 组成。 基站收发台( b t s ) 包括无线传输所需要的各种硬件和软件，如发射机、接 收机、支持各种小区结构( 如全向、扇形、星状和链状) 所需要的天线，连接基 站控制器的接1 2 电路以及收发台本身所需要的检测和控制装置等。 基站控制器( b s c ) 是基站收发台和移动交换中心之间的连接点，也为基站 收发台和操作维修中心之间交换信息提供接口。一个基站控制器通常控制几个基 站收发台其主要功能是进行无线信道管理、实施呼口q 和通信链路的建立和拆除， 并为本控制区内移动台的过区切换进行控制等。 网络子系统由移动交换中心( m s c ) 和归属位置寄存器( h l r ) 、访问位 置寄存器( v l r ) 、鉴权中。t l , ( a u c ) 和设备标志寄存器( e i r ) 等组成。 移动交换中心( m s c ) 是蜂窝通信网络的核心，其主要功能是对位于本m s c 控制区域内的移动用户进行通信控制和管理。例如： 1 1 信道的管理和分配； 2 1 呼叫的处理和控制； 3 1 过区切换和漫游的控制； 2 电子科技大学硕士学位论文 图2 1g s m 系统组成部分及其相互关系 4 ) 用户位置信息的登记与管理： 5 1 用户号码和移动设各号码的登记和管理； 6 ) 服务类型的控制； 7 ) 对用户实施鉴权； 8 ) 为系统中连接别的m s c 及为其它公用通信网络，如公用交换电信网 ( p s t n ) 、综合业务数字网( i s d n ) 和公用数据网( p d n ) 提供链路接口，保 证用户在转移或漫游的过程中实现无间隙的服务。 由此可见，m s c 的功能与固定网络的交换设备有相似之处( 如呼叫的按续 和信息的交换) ，也有特殊的要求( 如无线资源的管理和适应用户移动性的控制) 。 归属位置寄存器( h l r ) 是一种用来存储本地用户位置信息的数据库。在蜂 窝通信网中，通常设置若干个h l r ，每个用户都必须在某个h l r ( 相当于该用 户的原籍) 中登记。登记的内容分为两类：一种是永久性的参数，如用户号码、 移动设备号码、接入的优先等级、预定的业务类型咀及保密参数等；另一种是暂 时性的需要随时更新的参数，即用户当前所处位置的有关参数，即使用户漫游到 h l r 所服务的区域外，h l r 也要登记由该区传送来的位置信息。这样做的目的 是保证当呼叫任一个不知处于哪个地区的移动用户时，均可由该移动用户的归 属位置寄存器获知它当时处于哪个地区，进而建立起通信链路。 电子科技大学硕士学位论文 访问位置寄存( v l r ) 是种用于存储来访用户位置信息的数据库。一个 v l r 通常为一个m s c 控制区服务，也可为几个相邻m s c 控制区服务。当移动 用户漫游到新的m s c 控制区时，它必须向该地区的v l r 申请登记。v l r 要从 该用户的h l r 查询有关的参数，要给该用户分配一个新的漫游号码( m s r n ) ， 并通知其h l r 修改该用户的位置信息，准备为其它用户呼叫此移动用户时提供 路由信息。如果移动用户由一个v l r 服务区移动到另一个v l r 服务区时，h l r 在修改该用户的位置信息后，还要通知原来的v l r ，删除此移动用户的位置信 息。 鉴权中心( a u c ) 的作用是可靠地识别用户的身份，只允许有权用户接入网 络并获得服务。 设备标志寄存器( e i r ) 是存储移动台设备参数的数据库，用于对移动设备 的鉴别和监视，并拒绝非移动台入网。 操作和维护中心( 0 m c ) 的任务是对全网进行监控和操作，例如系统的 自检、报警与备用设备的激活、系统的故障诊断与处理、话务量的统计和计费数 据的记录与传递，以及各种资料的收集、分析与显示等。 2 2 综测仪信号处理流程 综测仪的信号处理流程相当于简化的g s m 通信系统。框图大致如图2 2 所 示。 综测仪与实际的g s m 通信系统相比，存在以下重要差别： 1 m s 的数量问题。在综测仪中只有一个m s 用户，该用户只与综测仪 进行通信，不存在交换问题，也不存在小区切换问题，因而其复杂程度 大大降低了。 电子科技大学硕士学位论文 收 图2 2g s m 手机综测仪信号处理流程 2 相对于g s m 通信系统的体系结构，综灏0 仪的体系结构也进行了很大的 简化。b s c 和m s c 合而为一，去掉了v l r 、a u c 、e i r 和o m c ，h l r 也简化到只是一条简单的记录。 此外，上述两者在通信环境方面也存在差别： 1 在综测仪中，只有一个m s ，因此不存在m s 之间的干扰问题。 2 综测仪的信道是较理想化的信道( 射频信号在屏蔽的同轴线中传输) ，因 此信号的多径衰落可以不予考虑。 3 g s m 通信系统中，总是同时存在着多个临近小区、多个物理信道的同时 存在、不同的时隙频率会发生跳变等等，而这些在综测仪中部不考虑。 电子科技大学硕士学位论文 所以综测仪的通信环境是较为理想的，这大大降低了设计的复杂度。通信环 境的理想化方便了物理层信号的处理，但是对于信令处理单元的影响不大。 2 3 综测仪硬件组成 g s m 手机综合泌试仪由射频处理模块、基带处理模块、主控蠢4 管理模块三 部分组成。 射频处理模块单元主要完成射频发送、接收、功率控制等等功能。 主控制管理模块以x 8 6 平台为基础，完成对整个测试仪的测试控制，测试 结果显示。 综测仪核心部分是基带处理模块，共使用了4 块d s p ，结合f p g a 、c p l d 等外围芯片完成了接收处理、实时测量处理、信令处理、发送处理的功能。在基 带处理模块中，以4 块d s p 为核心分成了四个小的模块： 1 发送模块：将信令模块传送过来的交织数据进行g m s k 调制，送d a c 数模转换，经高斯滤波和预处理发送出去。 2 信令模块：实现无线接口信令；完成部分语音处理功能；在此模块内完 成信道编码、交织等功能。 3 接收模块：从a d 接收到数据后，经过g m s k 解调，并将解调之后的 数据交由解码模块处理。 4 解码模块：对接收模块送来的解调之后的数据进行去交织、信道解码， 按规范要求提取信令送信令模块；同时解码模块还完成相位误 差、频率误差、误码率、平均功率、定时误差以及功率斜坡的 实时测试工作。 本论文的工作围绕着基带处理模块中的信令模块进行。 g s m 手机综合测试仪的基带处理模块硬件结构大致如图2 3 所示： 6 电子科技大学硕士学位论文 其中，相关器用于训练序列的检测，解决突发脉冲信号的检测和同步问题。 2 4 综测仪软件组成 与硬件对应，g s m 手机综铡仪的软件在整体上也可以分为三个部分：射频 处理模块中的控制软件、基带处理模块中的基带处理软件、x 8 6 平台的总体测试 软件。 射频处理模块中有块由单片机实现的数字控制卡，它管理射频模拟板的工 作，控制收，发频率合成，控制综测仪的收发功率等等，它的控制软件由合作单 位开发。 x 8 6 平台软件主要完成和信令模块的各种相互控制，及显示功能。 基带处理模块的软件，根据g s m 基带所要完成的功能而分为多个模块： 1 g m s k 调制、解调模块； 7 电子科技大学硕士学位论文 2 信道编码、解码模块 3 交织、去交织模块； 4 信令实现模块： 5 实时测量模块； 6 语音处理模块。 电子科技太学硕士学位论文 第三章d s p 芯片及外设的介绍 如前所述，基带数字处理板的核心是4 片d s p 。其中信令处理模块的作用 是完成所有的无线接口信令处理。它得到来自接收d s p ( 解调、解码和去交织) 过来的信令，经过处理后，发送对应的信令，并在此模块内调用信道编码和交织 程序模块，输出交织后的数据，交给发送d s p 处理。 信令模块的核心与其他模块一样采用的是t i 公司的t m s 3 2 0 c 5 4 0 9 芯片， 系统可以满足课题中处理数据要求的实时性，如调制解调、编解码和语音处理等 等；也符合模块化、通用化的设计思想；该芯片还有价格便宜货源充足的优点。 3 1t m s 3 2 0 c 5 4 x 及系统软件的开发环境简介 3 1 1t m s 3 2 0 c 5 4 x 介绍 t m s 3 2 0 c 5 4 x 是1 6 位定点d s p ，采用了改进的哈佛结构。c 5 4 x 有一条程 序总线和三条数据总线，高度并行的算术逻辑单元a i u ，专用硬件逻辑，片内存 储器，片内外设和高度专业化的指令集，使该芯片速度高，操作灵活。 1 m s 3 2 0 c 5 4 x 的中央处理器单元( c p u ) 包括： 一个4 0 - b i t 的算术逻辑单元( 删) 两个4 0 b i t 的累加器( a c c a 和a c c b ) 一个桶形移位器 一一 皇王型丝查堂堡圭堂垡笙苎 图3 1t m s 3 2 0 c 5 4 x 内部硬件框图 1 7 1 7 - b i t 乘法器 4 0 七i t 加法器 比较，选择和存储单元( c s s u ) 指数编码器 各种c p u 寄存器( c p u 寄存器是存储器映射的，能快速恢复和保存。) c 5 4 x 采用改进的哈佛结构，程序和数据空间分开，允许同时对程序指令和 数据进行访问，提供了很高的并行度，两个读和一个写操作可以在一个周期里完 成。因此并行存储指令和专用指令可以在这种结构的得到充分利用。另外，数据 1 0 电子科技大学硕士学位论文 可以在数据和程序空间之间传送。并行性支持一系列算术、逻辑和位处理运算， 它们都能在一个机器周期里完成。另外，c 5 4 x 有管理中断，循环运算和功能调 用的控制结构。图3 1 是t m s 3 2 0 c 5 4 x 内部硬件框图。 下面介绍t m s 3 2 0 c 5 4 x 的总线结构： t m s 3 2 0 c 5 4 x 结构是围绕八条主要的1 6 - b k 总线( 四条程序，数据总线，四 条地址总线) 建立的： 程序总线( p b ) 传送从程序存储器来的指令代码和立即数。 三条数据总线( c b ，d b 和e b ) 连接各种元器件，如c p u ，数据地址产生 逻辑，程序地址产生逻辑，片内外设和数据存储器。 c b 和d b 总线传送从数据存储器读出的操作数。 e b 总线传送写入到存储器中的数据。 四条地址总线( p a b ，c a b ，d a b 和e a b ) 传送执行指令所需要的地址。 t m s 3 2 0 c 5 4 x 共提供了七种基本的数据寻址方式： 1 立即数寻址：用指令对一个定值进行编码 2 绝对地址寻址：用指令对一个固定的地址进行编码 3 累加器寻址：用一累加器去访问程序存储器中的一个单元 4 直接寻址：用指令中的7 b i c s 对d p 或s p 的偏移进行编 码。该偏移加上d p 或s p 的值决定了在数据存储器 中的实际地址。 5 间接寻址：采用辅助寄存器访问存储器。 6 存储器映射寄存器寻址：修改存储器映射寄存器中的值，而不影响 当前d p 或s p 的值。 7 堆栈寻址：把数据压入和弹出系统堆栈。 3 1 2 软件开发环境及流程 t m s 3 2 0 系列d s p 的开发工具包括：c 优化编译器；具有产生代码能力的c 忙编语言源调试器；软件仿真器；实时硬件仿真器；实时操作系统( 由第三方开 发) 以及大量的应用软件。t h i s 3 2 0d s p 的开发环境与一般微处理器系统相类似。 电子科技大学硕士学位论文 图3 2 是c 5 4 x 的软件开发流程图，阴影部分是软件开发的最常用路径，其 它部分是可选的。 图3 2c 5 4 x 的软件开发流程图 c 编译器( cc o m p i l e r ) 将c 源程序代码编译成为c 5 4 x 汇编语言源代码。 编译包中包括一个外壳程序( s h e l lp r o g r a m ) 、一个优化器( o p 衄i z e r ) 和一个 内部列表公用程序( i n t e r f i s tu t i l i t y ) a 1 外壳程序能自动编译、汇编、连接源模块。 2 优化器能改进代码来提高c 程序的效率。 3 内部列表公用程序能将c 源程序同汇编语言输出相结合。 汇编器( a s s e m b l e r ) 将汇编语言源文件转变为机器语言目标文件。机器语 言是基于公用目标文件格式的( c o f f ) 。 连接器( 1 i n k e r ) 将目标文件连接起来产生一个可执行模块。它能调整 并解决外部符号参考。连接器的输入是可重新定位的c o f f 目标文件和目标 库文件。 归挡器( a r c h i v e r ) 将一组文件归入一个归挡文件，也叫归档库。另外， 电子科技大学硕士学位论文 归档器允许通过删除、替代、提取或增加文件来调整库。归档器最有用的应 用之一是建立目标文件库。c 编译器自带有目标文件库。 助记符到代数语言的转换公用程序( m n e m o n i c t o - a l g e b r a i ct r a n s l a t o ru t i l i t y l 转换汇编语言源文件。公用程序接收含有助记符的指令，将助记符指令转换 为代数指令，产生一个含有代数指令的汇编语言源文件。 运行支持库公用程序( r u n t i m e - s u p p o r tu t i l i t y ) 建立用户的c 语言运行支 持库。标准运行支持库函数在r t s $ r c 里提供源代码，在r t s 1 i b 里提供目标代 码。 运行支持库( r u n t l m e - s u p p o r tl i b r a r y ) 包含a n s i 标准运行支持函数、编 译器公用程序函数、浮点算术函数和被c 5 4 x 编译器支持的c 输入输出函数。 c 5 4 x 调试器接收可执行的c o f f 文件作为输入，但大多可擦除存储器却不 支持c o f f 文件。十六进制转化公用程序( h e xc o n v e r s i o nu t i l i t y ) 将c o f f 目标文件转化为t 一t a g g e d ，a s c i i h e x ，i n t e l ，m o t o r o l a - s ，t e k t r o n i x 等目标 格式，从而可以将转化文件装载在可擦除程序存储器里。 绝对列表器( a b s o l u t el i s t e r )接收已经连接的目标文件作为输八。并产 生a b s 文件作为输出。汇编a b s 文件后产生含有绝对地址的列表。没有绝对 列表器，要产生这样的列表就只能采用冗长的手动操作。 交叉引用列表( c r o s s r e f e r e n c el i s t e r )用目标文件来产生一个交叉引用 列表，它列出符号、符号的定义、咀及它们在已连接的源文件中的引用。 这种开发程序的目的就是产生能在c 5 4 x 目标系统中执行的模块。可咀使用 下面的几种调试工具来精炼和改正用户的代码。可使用的产品包括： 1 软件仿真器( s i m u l a t o r ) 2 扩展开发系统( x d s 5 1 0 e ) 硬件仿真器 3 评估模块( e v m ) 本章主要讨论在测量模块采集数据中用到的串口和在接收模块中判断时隙 用到的定时器。 3 2m c b s p 的使用 c 5 4 x 的m c b s p 设计，是在基于t m s 3 2 0 c 2 x 、c 2 0 x 、c 5 x 、c 5 4 x 的标准串 口基础上扩展的，5 4 0 9 的m c b s p 具有以下基本特性： 13 电子科技太学硕士学位论文 全速双工通信 双缓存发送和三缓存接收数据寄存器，以支持连续传送 收和发使用独立的帧和时钟 直接与多媒体数字信号编解码器的工业标准接口，有模拟接口和与串 行a d c d a c 的接口 外部变速时钟发生器，内部可编程时钟发生器 可直接与t i e 1 帧、m v i p 和s p i 等等多种格式接口，特别是由于它 具有多相同步帧传输的能力，所以可以跟t i 公司的a d c d a c 器件直接 接口 多通道收发，通道数达1 2 8 字宽可选：8 ，1 2 ，1 6 ，2 0 ，2 4 ，3 2 b i t s u l a w 及a - l a w 压缩与扩展 0 8 位传输时可选先传：l s b 或m s b 帧信号与时钟信号极性可编程 测量d s p 同接收d s p 之间就是通过三根线，将串口连接起来后，就可以进 行快速的数据交换。为减轻d s p , c ? u 的负担，我们让串口通过d m a 方式工作在 自动缓冲模式，下面对m c b s p 作一简单介绍。 3 2 1i d c b s p 概述 管脚名 输入输出高阻 简要描述 表3 1 外部管脚说明 1 4 电子科技大学硕士学位论文 图3 3 给出了i i c b s p 与外部设备数据与控制相连的示意图。 d r 0 能 c l k x c l k r f s x f i g r e l k 8 图3 3 i c b s p 与外部设备数据与控制连接示意图 m c b s p 与外设进行数据传输通过( d x ) 脚来发送，( r x ) 脚来接收，通信 的时钟与帧信号由c l k x ，c l k r , f s x 和f s r 脚来控制。c 5 4 x 对m c b s p 的控 制由1 6 位的控制寄存器实现。d s p 的c p u 或d m a 从数据接收寄存器( d r r i ， 2 1 ) 。读取接收数据，发送时向数据发送寄存器( d x r 1 ，2 1 ) 写数据。数据写入 ( d x r 1 ，2 ) 后通过传输移位寄存器( x s p , 1 ，2 ) 移位输出到d x 上，同样，从d r 上接收的数据移位存储到接收移位寄存器( 1 l s n l ，2 1 ) 并拷贝到接收缓存寄存器 ( r b r u ，2 1 ) ，然后，再e h ( r b r 1 ，2 1 ) 拷贝到d r r 1 ，2 ，可以由c p u 或d m a 读 出。多级寄存器允许在通信时内部和外部数据同时传输。当采用字传输时，即 r x w d l e n 1 ，2 1 指定为8 一，1 2 一，或1 6 - b i t 模式时，不使用d r r 2 、 r b r 2 、 r s l t 2 、d x r 2 以及x s r 2 寄存器。 c p u 可访问的是i c b s p 控制寄存器，详细见表( 3 3 ) 。如图3 1 所示，控制方 框包含：内部时钟、帧同步信号的产生与控制、以及多通道的控制。控制方框还 传送一些状态和事件信息给c p u 和d , i a 控制器，这包括( 表3 2 ) 所列的两个中断和4 个事件信号。 电子科技大学硕士学位论文 中断名 简要描述 给c p u 的接收中断 给c p u 的发射中断 给b 醯a 韵同步接收事件 始d 醯a 的同步发射事件 给d 姒的同步接收事件a 给d m a 的同步发射事件a 表3 2m c b s p 的中断和事件信息表 3 2 2 串口的基本配置 m c b s p 的功能由三类寄存器实现，一是有相应m m r 地址，但却只能由串口本身 才能访问的寄存器，包括接收移位寄存器( r s r 呱2 ) 、接收缓冲寄存器 ( 船r i i2 ) 和发射移位寄存器( x s r h2 ) 。二是可通过删r 寻址访问的寄存器， 包括d r r 1 ，2 、d x r 1 ，2 、s p s a 和s p c d 。用户可以直接访问这几个寄存器。为 提高可读性，般编程时都将要使用的m c b s p 的燃的地址用一个符号来取代。其 地址由( 表2 3 ) 给出。三是通过子地址寻址方式可以访问个1 6 位的串口控制 寄存器。这些寄存器的主要功能是设置串口的工作方式。对它们的访问方法是， e n s p s a 提供访问的寄存器的子地址，s p c d 提供访问的内容。c 5 4 0 9 的每组m c b s p 共有1 5 个这样的寄存器，每个寄存器又有很多字段，有时即使某个字段设置错误， 表3 3 c b s p 可直接访问的删r 及其地址 也可能使m c b s p i 作不正常甚至根本不工作。对它们的设置也很复杂，限于 1 6 肿 m 狮 m | | i 州 咖 黼 黼 一 一 电子科技大学硕士学位论文 篇幅，这里不再讨论，详见参考文献。 3 2 3 串口工作过程 在多通道缓冲串口中，发射是取缓冲，接收则是三缓冲。它们各自的工作 过程描述如下，如图3 1 所示。 发射过程：c p u 或d m a 将要发射的数据写入d x r ( 初始) ，x s r 一旦空， 即x s r 的最后l b i t 被发到d x 引脚，则d x r 被拷贝到x s r ，x s r 将数据按设 定的发射速率( 即c l k x 的速率) 一拍一拍发到d x 脚。d x r 一旦被全部拷贝 到x s r 中，s p c r ( 予地址为0 的串口控制寄存器) 中的x r d y 会从0 变为1 ， 且这个变化将根据模式表( 3 2 ) 触发一个发射中断或者同步发射事件，通知d m a 或c p u ，d x r 可以继续载入数据。 接收过程：d r 脚上的数据按接收时钟( 即c l k r 的速率) 移八r s r 1 ，2 】 ( 如果字长超过1 6 b i t ，才使用r s r 2 ) ，r s r 一旦满，就将数据拷入到d r r ，这 个拷贝一旦完成，s p c n 2 重的r r d y 位会从0 变为1 ，这个变化根据”同时 触发一个串口接收中断或接收事件。 作为一个典型例子，下面的时序图反映了上述过程。 图3 2 串口工作时序 3 3d m a 的使用 使用d m a 可以大大降低c p u 的负担，不过d m a 的使用也是一件相当复 杂的事。由于我们只是使用它的a b u 功能，所以这里也仅就它的a b u 工作模 1 7 蠊 8 ； 嗽 麒 默 似 联 。 乱 f 电子科技大学硕士学位论文 式作一说明。 在5 4 x 系列d s p 的串口中，有一个a b u 单元。可以通过直接初始化串口 扩展控制寄存器( b s p c e ) 让它工作在自动缓冲模式下。其功能可以用图3 5 说 明： 但到了5 4 x x 系列，如5 4 0 2 、5 4 0 9 和5 4 2 0 的m c b s p 取消了这个功能。另 方面，它推出了d m a 这个外设，d m a 在概念上与自动缓冲十分接近，所以 d m a 取代了a b u 的功能，并有所提升。例如，对r a m 的访问，5 4 x 只能访问 d s p 的片内的r a m ，而d m a 工作在a b u 模式时，对r a m 的访问扩展到整个 数据空间。也就是说，即使是外部扩展的r a m ，都可以通过d m a 访问。 5 4 0 9 支持d m a ，它具有以下特点： 图3 5b s p 功能说明 后台操作完全独立于c p u 。 六个通道，支持多帧信道，且每个通道每次读和写的源地址和宿地址都可以 电子科技大学硕士学位论文 单独配置，地址可以保持不变、递增、递减，递增和递减的大小默认是1 ， 也可以由一个可编程的值来调整。 d m a 可以访问所有的存储器，包括扩展地址范围。 传输字长可以编程。比如单字、双字等。 自动初始化。一旦一个块传输完成，一条d m a 通道可以为下一次块传输自 动初始化。 每个单元传输可班初始化为特定的事件 s u l d d r e s s e d r e g i s t e r s 图3 6 访问d m a 子寄存器过程示意图 d m a 操作和配置通过一套m m r 完成。它采用类似于上面m c b s p 的子地 址寻址m m r 。如图3 6 示： 即d m s a ：d m a 子地址寄存器 d m s d i ：使d m a 子地址寄存器在访问后自增值的子数据寄存器。 d m s d i ：使d m a 子地址寄存器在访问后保持不变的子数据寄存器通 过这种子地址寻址的方法可以访问子地址从0 h 一2 7 h 的4 0 个子 寄存器。 这些寄存器的命名一般有如下规律：d m 作前缀，表明是与d m a 相关的寄存 器；末尾的数字从0 变到5 ，表明属于哪个通道。 d m s r c x ：源地址寄存器 d m d s t x ：目的地址寄存器 d m c t r x ：b i t 计数寄存器 d m s f c x ：同步选择和帧计数寄存器 电子科技大学硕士学位论文 d m m c r x ：发送模式控制寄存器 其余的寄存器，与a b u 模式无关，不再讨论。这里需要说明的是在d m a 方式时如何使用中断。 d m m c r 的d r n m 、i m o d 和c t m o d 三个比特位决定了d m a 如何处理中断。 d 矾m 是是否产生中断的一个开关，如为0 ，这不产生中断；否则将按照l m o d 和 c t m o d 的配置的方式产生中断。c t m o d 指示d s p i 作于多帧模式还是a b u 模 式，这里肯定是设为a b u 模式，即c t m o d 应为1 。如果i m o d 为1 ，是在设置的 缓冲区半满时产生中断；如果为0 ，则全满时产生中断。 表( 3 。4 ) d m a 中甑共享 d m p r e c 的7 6 位域叫i n t o s e l ，它的作用是d m a 控制器可以为六个通 道产生c p u 中断，但由于c p u 内部中断输入数的限制，通道0 ，l ，2 ，3 磐须和其 他中断源复用。当5 4 0 9 复位后，e q t s e l 设为”o o ”，也就是说这些中断屏蔽了d m a 的中断。因此要使用这些通道，就必须设置让d s p 重新指向这些中断。完成这个 工作的就是d m p r e c 寄存器的玳t s e l 。 为了使串口工作在a b u 模式，要同时初始化m c b s p 和d m a 。从上面的讨论 可以看，出串口和d m a 的设置涉及的寄存器太多，相当复杂，也很容易出错， 即使一个字域出错，都会导致串口工作不正常。为了方便高层软件的编制，我们 将调通的发射接收程序合起来编成一个子程序s p h u t ，并作成一个文件。这样， 不管是串口接收还是发射的上层软件要使用串口，只须将该文件加入工程，同时 设定预处理变量t xo r r x ，在程序初始化时调用这个子程序即可。它的入口参 数包括中断向量表的起始地址、发射和接收中断服务程序的地址。由于都是汇编 编程，且不复杂，因此参数传递不采用堆栈方式，而是分别用辅助寄存器a t 5 、 a r 6 、“7 传递。它先设立一个预处理变量t x o r r x ，如果为l ，则该予程序完 成串口发射的初始化，否则，完成串口接收的初始化。整个程序的框架如下： 电子科技大学硕士学位论文 g l o b a lt x o r r x h ；x t i f t x o r ：r x j l 在中断向量表对应发射中断( 实际是d m a 的中断，它n x x 共同占用该中 断向量) 的地方( 中断向量表的起始地址，r p a r 5 + d m a 的d f l 断号乘以4 ) 设置跳转指令( o x f 0 7 3 ) ，再将中断服务程序的地址放在下一个字。 ) 按要求设置m c b s p 的相关寄存器 ) 设置d m a 的相关寄存器 r e t * 返回“ ) e l s e 在中断向量表对应接收中断( 实际也是d m a 的中断，它同) 【) ( 共同占用该 中断向量) 的地方( 中断向量表的起始地址，即a r 5 + d m a 的中断号乘以 4 ) 设置跳转指令( o x f 0 7 3 ) ，再将中断服务程序的地址放在下一个字。 ) 设置m c b s p 的相关寄存器 ) ( 设置d m a 的相关寄存器 电子科技大学硕士学位论文 ) r e 伊返回+ ， ) e n d i f 3 4 可编程时钟发生器和定时器 5 4 x 系歹t j d s p 的时钟发生器包括一个内部振荡器和一个锁相环。它可以将频率 较低的外部时钟源倍频到实际c p u 工作的时钟周期，这样可以减少高频噪声。根 据器件的不同，有两种锁相环电路。一是象c 5 4 1 、c 5 4 2 、c 5 4 3 、c 5 4 5 以及c 5 4 6 等器件，使用硬件配置：二是其他c 5 4 系列器件，包括我们使用的5 4 0 9 ，采取软 件可编程的方式配置锁相环。这种方式通过设定存储器映射寄存器c l k m d ，让器 件工作在p l l 模式或d i v 模式。 在器件复位后，外部3 个管脚c l k i “d 1 、c l k m d 2 、c l k m d 3 决定了c l k 晒的值。表 ( 3 5 ) 列出了复位后c l f 响的值与c l i ) j d l 、c l k m d 2 、c l i 州d 3 的关系： 表( 3 5 ) c l k m d 与c l k m d x 管脚的关系 如果c l k m d 设置不当，会导致d s p i 作不正常。因为d s t 在上电后运行的 引导程序( 即后面要提到b o o t l o a d e r ) 要访问较慢的外部e e r o m 或f l a s h ， 所以一般将c l k m d 设置为较低的频率。当p c 一进入到用户程序的入口初始化 时，再将c l k m d 设置为较高的工作频率。 对c l k m d 的初始化，必须按照t i 提供的标准例行程序进行。即： 2 2 电子科技大学硕士学位论文 1 ) 选中d i v 模式 2 ) 循环轮询c l k m d 的p l l s t a t u s 是否为0 ，i i d i v 模式是否有效。 3 ) 修改c l k m d 为所需的模式 在后面我们举到的发射d s p 中产生g m s k 调制信号的例子中要使用至0 5 4 0 9 的定时器。它具有以下特点 通过三个寄存器进行软件编程而产生周期性的中断 定时器的分辨率，即最小的定时单位是处理器的c p u 时钟。 定时器的动态范围由一个1 6 b i t 计数器和一个4 b i t 定时预置计数器决定。 其功能可以由图3 7 说明 图3 7 定时器功能框图 图中涉及的寄存器说明见如表3 7 。 表( 3 7 ) 定时器的寄存器说明 另外图中涉及的p s c 和t d d r 是t c r 中的字段，t c r l 6 b i t ，共分为7 个字段 它们的意义见图3 8 和表3 8 ： 电子科技大学硕士