高速誤碼測(cè)試系統(tǒng)中的C8051F005運(yùn)用

引 言

隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，通信系統(tǒng)信號(hào)處理越來越快。在這種情況下，對(duì)于高速通信系統(tǒng)性能的檢驗(yàn)，就需要高速誤碼測(cè)試儀。目前市而上已有多種誤碼測(cè)試儀。國(guó)內(nèi)產(chǎn)品的信號(hào)處理速度較低，而國(guó)外產(chǎn)品的功能雖然比較完善，處理速度很高，但其價(jià)格也相對(duì)較高。本文根據(jù)Vitesse公司的VSC8228芯片特點(diǎn)，利用C8051F005單片機(jī)設(shè)計(jì)出一種價(jià)廉的高速誤碼測(cè)試儀。下面將對(duì)其軟硬件設(shè)計(jì)，特別是C8051F005與上位機(jī)的串口通信以及與VSC8228的SPI通信進(jìn)行詳細(xì)探討。

1 誤碼測(cè)試系統(tǒng)概述

Cygnal公司的單片機(jī)C8051F005具有高速8051微控制器內(nèi)核，速度可達(dá)25 MIPS，指令為流水線指令結(jié)構(gòu)，70％的指令的執(zhí)行時(shí)間為1個(gè)或2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期；可片內(nèi)JTAG調(diào)試和邊界掃描，這樣可提供全速、非侵人式的在系統(tǒng)調(diào)試(不需仿真器)；片內(nèi)有多達(dá)60 KB的FlashROM和2 KB RAM，用戶無需再外擴(kuò)存儲(chǔ)器；可同時(shí)使用的硬件SMBus(I2C兼容)、SPI及UART串口，4個(gè)通用16位計(jì)數(shù)器／定時(shí)器。

VSC8228可提供的一個(gè)雙通道重發(fā)器或重定時(shí)器，能應(yīng)用于光纖信道、千比特以太網(wǎng)、SONET／SDH以及無限帶寬等多種領(lǐng)域。設(shè)備支持速率從125 Mbps～4.25Gbps。該芯片可以將輸入的串行數(shù)據(jù)在重定時(shí)器模式下與本地的參考時(shí)鐘同步，內(nèi)置的碼型產(chǎn)生器與檢測(cè)器可以產(chǎn)生與探測(cè)27、223、231的偽隨機(jī)碼，40或64位用戶定義碼型以及光纖信號(hào)CRPAT、CJTPAT、CSPAT碼型。它含128個(gè)寄存器，可通過SPI或者I2C串行總線設(shè)置相關(guān)寄存器，可以實(shí)現(xiàn)誤碼檢測(cè)功能。

誤碼測(cè)試系統(tǒng)可分為兩個(gè)部分：誤碼測(cè)試部分和人機(jī)界面。測(cè)試部分由VSC8228芯片來實(shí)現(xiàn)。它完成偽隨機(jī)碼型的產(chǎn)生、同步及對(duì)比檢測(cè)，計(jì)算出誤碼個(gè)數(shù)。人機(jī)界面子系統(tǒng)在整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)中作為系統(tǒng)控制核心單元，通過人機(jī)界面完成系統(tǒng)作業(yè)。以C8051F005單片機(jī)作為人機(jī)界面硬件的控制部分，對(duì)VSC8228芯片的控制、誤碼率的計(jì)算以及測(cè)試子系統(tǒng)的各狀態(tài)的顯示都通過PC機(jī)的界面來實(shí)現(xiàn)。PC界面采用Delphi語言編寫。

誤碼測(cè)試儀的工作流程如下：PC界面通過RS232串口實(shí)現(xiàn)與C8051F005的通信，將對(duì)VSC8228各寄存器的沒置發(fā)送給C8051F005單片機(jī)，每個(gè)控制命令為16位；單片機(jī)通過SPI口將上位機(jī)發(fā)送過來的控制命令轉(zhuǎn)發(fā)給VSC8228，完成VSC8228各寄存器的設(shè)置。為了實(shí)時(shí)地顯示誤碼測(cè)試儀的工作狀態(tài)，單片機(jī)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(jī)起著VSC8228與上位機(jī)通信的橋梁作用，它與上位機(jī)的串口通信以及與VSC8228的SPI通信在誤碼測(cè)試儀的實(shí)現(xiàn)過程中起著十分重要的作用。下面通過軟硬件設(shè)計(jì)詳細(xì)分析這兩種通信。

2 誤碼測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

利用C8051F005單片機(jī)的串行接口，通過RS232異步通信接口與上位機(jī)進(jìn)行通信。C8051F005通過串行口直接接收PC上位傳送來的串行數(shù)據(jù)，然后把接收的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；同樣，C8051F005通過串行口直接把數(shù)據(jù)傳送給PC機(jī)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

C8051F005有一個(gè)特別的交叉開關(guān)，可將數(shù)字I／O資源分配到物理I／O端口引腳。C8051F005通過設(shè)置交叉開關(guān)來同時(shí)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(shè)置相關(guān)寄存器，但由于SPI通信的速率比I2C通信快，因此為了實(shí)現(xiàn)誤碼的高速測(cè)試，這里選擇SPI作為C8051F005與VSC8228的通信協(xié)議。

SPI接口協(xié)議要求接口設(shè)備按主從方式進(jìn)行配置，且同一時(shí)間內(nèi)總線上只能有一個(gè)主器件。一般情況下，實(shí)現(xiàn)SPI接口需要3或4根線。其中：主出從入(MOSI)信號(hào)是主器件的輸出和從器件的輸入，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)最高位在先；主人從出(MISO)信號(hào)是從器件的輸出和主器件的輸入，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)也是最高位在先。當(dāng)SPI從器件未被選中時(shí)，它將MISO引腳置于高阻狀態(tài)。串行時(shí)鐘(SCK)信號(hào)是用于同步主器件和從器件之間在MOSI和MISO線上的串行數(shù)據(jù)傳輸。從選擇(NSS)信號(hào)是一個(gè)輸入信號(hào)，主器件用它來選擇處于從方式的SPI模塊，在主方式時(shí)用于禁止SPI模塊。當(dāng)處于從方式時(shí)，它被拉為低電平以啟動(dòng)一次數(shù)據(jù)傳輸，并在傳輸期間保持低電平。

誤碼測(cè)試系統(tǒng)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(jī)的NSS引腳(P0.5)置高，用P2.4引腳與VSC8228的NSS引腳(PIO3)相連。根據(jù)MOSI及MISO上的數(shù)據(jù)在SCK的哪種極性和相位上有效，單片機(jī)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(duì)單片機(jī)的SPI控制器進(jìn)行設(shè)置時(shí)必須考慮這點(diǎn)。圖2是VSC8228的SPI通信時(shí)序。在SPI通信時(shí)，先傳輸7位地址，后傳輸讀寫控制位OP(OP為0時(shí)表示讀，OP為1時(shí)表示寫)，最后傳輸8位數(shù)據(jù)，故SPI通信的命令字長(zhǎng)度為16位。

2.2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)采用中斷方式實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信，單片機(jī)用SPI與VSC8228誤碼測(cè)試模塊的通信。每當(dāng)串行口接收或發(fā)送完一組串行數(shù)據(jù)時(shí)，就產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求。串行中斷請(qǐng)求在單片機(jī)芯片內(nèi)部自動(dòng)由硬件置位發(fā)生，具有實(shí)時(shí)性高的特點(diǎn)。圖3是單片機(jī)的控制程序流程。

對(duì)單片機(jī)進(jìn)行程序初始化，包括看門狗、系統(tǒng)時(shí)鐘、I／O口、SPI寄存器、UART口等。C8051F005單片機(jī)具有看門狗，但是看門狗到一定時(shí)間，將重啟單片機(jī)，為防止這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，初始化里禁止了看門狗。SPI的初始化主要是對(duì)啟動(dòng)SPI的相關(guān)控制寄存器進(jìn)行配置。UART的初始化主要是對(duì)串口的控制字進(jìn)行設(shè)置。I／O口的初始化通過設(shè)置交叉開關(guān)來啟動(dòng)SPI與UART口，并將有關(guān)輸出設(shè)置為推挽輸出。

系統(tǒng)時(shí)鐘初始化模塊，由于是選擇外部晶振作為時(shí)鐘源，根據(jù)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?yōu)?，表明外部晶振正在運(yùn)行并已工作穩(wěn)定，然后才能通過內(nèi)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：

C8051F005使用4個(gè)特殊功能寄存器來實(shí)現(xiàn)對(duì)SPI的控制和訪問。這4個(gè)寄存器分別是控制寄存器(SPI0CN)、數(shù)據(jù)寄存器(SPI0DAT)、配置寄存器(SPIOCFG)和時(shí)鐘頻率寄存器(SPI0CKR)。當(dāng)以C8051F005為主器件時(shí)，應(yīng)將主允許標(biāo)志(MSTEN，SPI0CN.1)置1，同時(shí)將SPI使能SPIEN(SPI0CN.0)置1。通過CKPHA(SPI0CFG.7)和CKPOL(SPI0CFG.6)可選擇SPI相位與極性，從而實(shí)現(xiàn)SPI通信的四種模式，但因?yàn)閂SC8228只支持一種方式，所以將它們同時(shí)置為0，則空閑時(shí)SCK為低，此時(shí)的系統(tǒng)將在上升沿發(fā)送數(shù)據(jù)，下降沿接收數(shù)據(jù)(時(shí)序圖見圖2)。由于在MCU中，SCK的頻率可從系統(tǒng)時(shí)鐘分頻得到，因此該頻率可由下式給出：