牛洪海,臧 峰，周緒貴

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102)

0 引言

通用異步收發(fā)器(universal asynchronous receiver transmitter,UART)是一種通用串行數(shù)據(jù)收發(fā)器。該收發(fā)器可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)主機(jī)與輔助設(shè)備之間的通信，因其實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制和通信領(lǐng)域[1-2]。UART數(shù)據(jù)傳輸主要通過(guò)中斷或直接內(nèi)存存取(direct memory access,DMA)的方式實(shí)現(xiàn)[3-4]?；谥袛喾绞降闹醒胩幚砥?central processing unit,CPU)使用率較高。當(dāng)有大批量的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，將占用大量時(shí)間片，導(dǎo)致其他低優(yōu)先級(jí)程序無(wú)法得到有效執(zhí)行。DMA可以不經(jīng)由CPU控制而直接從內(nèi)存中存取數(shù)據(jù)[5-8]，用于實(shí)現(xiàn)外設(shè)與存儲(chǔ)器之間，以及存儲(chǔ)器與存儲(chǔ)器之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。該操作是根據(jù)地址空間的標(biāo)志[9]，實(shí)現(xiàn)單通道源地址和目的地址之間的單向數(shù)據(jù)傳輸[10]，為不同模塊之間的高速數(shù)據(jù)傳輸提供了一種可靠的方式。但由于DMA數(shù)據(jù)傳輸操作是定長(zhǎng)傳輸，即發(fā)送方將所需發(fā)送的報(bào)文按照發(fā)送方和接收方約定好的固定長(zhǎng)度進(jìn)行發(fā)送。采用DMA方式接收數(shù)據(jù)時(shí)，如不足固定長(zhǎng)度就需要填充無(wú)效數(shù)據(jù)至固定長(zhǎng)度。當(dāng)使用DMA方式進(jìn)行數(shù)據(jù)接收時(shí)，先向DMA控制器指定需要接收的字節(jié)個(gè)數(shù)。DMA控制器接收到指定字節(jié)后，產(chǎn)生DMA傳輸中斷。而在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，串口接收數(shù)據(jù)的字節(jié)個(gè)數(shù)往往是不固定的，因此無(wú)法直接使用DMA進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。如何利用DMA方式接收不定長(zhǎng)數(shù)據(jù)，已成為亟待解決的問(wèn)題。

1 方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 總體設(shè)計(jì)

基于上述存在的問(wèn)題，本文提出了一種通過(guò)DMA接收高速通信串口不定長(zhǎng)數(shù)據(jù)的方法。該方法步驟具體如下。①設(shè)置串口為DMA接收模式；②設(shè)置一個(gè)通用輸入/輸出引腳(general purpose input output,GPIO)引腳(本文為PC14引腳)為外部中斷控制(external interrupt controller，EIC)，并且該引腳與串口的接收引腳(receive data,RXD)相連，產(chǎn)生外部中斷(interrupt)INT14；③配置外部引腳為下降沿模式，即下降沿產(chǎn)生外部引腳中斷，當(dāng)產(chǎn)生第一個(gè)下降沿時(shí)，啟用0號(hào)定時(shí)器(timer counter 0,TC0)；④設(shè)置外部中斷產(chǎn)生EVENT事件，并將此事件與定時(shí)器TC0相關(guān)聯(lián)；⑤設(shè)置TC0的輸入事件，與外部引腳產(chǎn)生的事件相關(guān)聯(lián)，并把TC0設(shè)置為Retrigger模式；⑥設(shè)置定時(shí)器超時(shí)時(shí)間，本文設(shè)為20 s，定時(shí)器超時(shí)后關(guān)閉，然后進(jìn)行報(bào)文處理，并重新使能DMA接收，以等待下一幀報(bào)文。方案設(shè)計(jì)原理如圖1所示。

圖1 方案設(shè)計(jì)原理圖

1.2 串口DMA接收設(shè)計(jì)

使用DMA進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，需要對(duì)DMA控制器進(jìn)行配置。首先，選擇串口DMA接收通道。本文所述的接收通道為6。其次，配置DMA對(duì)應(yīng)通道的源地址。本文所述的是串口接收數(shù)據(jù)的寄存器地址。最后，配置DMA通道的目的地址，即存儲(chǔ)串口數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)數(shù)組首地址，并設(shè)置目的地址為自增模式。

1.3 外部中斷設(shè)計(jì)

設(shè)置一個(gè)GPIO引腳(PC14引腳)為外部中斷模式，并把此引腳與串口的接收引腳RXD相連。配置外部引腳為下降沿模式，即下降沿產(chǎn)生外部中斷。當(dāng)產(chǎn)生第一個(gè)下降沿時(shí)，使能定時(shí)器TC0。當(dāng)產(chǎn)生外部中斷時(shí)，同時(shí)配置產(chǎn)生EVENT事件。此事件與定時(shí)器TC0的輸入事件相關(guān)聯(lián)。

1.4 定時(shí)器設(shè)計(jì)

定時(shí)器TC0設(shè)置為Retrigger模式，即接收到EVENT事件后，把定時(shí)器的累計(jì)時(shí)間清零。因?yàn)榇趫?bào)文是以低電平作為起始位，所以在串口發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，一定會(huì)產(chǎn)生下降沿，使定時(shí)器TC0不會(huì)因溢出而產(chǎn)生定時(shí)中斷。當(dāng)串口沒(méi)有數(shù)據(jù)報(bào)文發(fā)送時(shí)，保持高電平，使定時(shí)器溢出，產(chǎn)生定時(shí)中斷。在定時(shí)中斷服務(wù)程序中，關(guān)閉定時(shí)器，重啟DMA接收通道以等待下一幀報(bào)文，并進(jìn)行串口報(bào)文處理。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

本文采用的硬件是由Microchip公司提供的Atmel系列ATSAME54N20A芯片。該芯片具有豐富的外圍接口，包括32路可配置的DMA通道、16路可配置的外部中斷引腳、8路可配置的UART串口。相關(guān)串口硬件電路圖如圖2所示。ATSAME54N20A芯片可配置的UART引腳與RS-485芯片的A/B引腳相連接，RS-485芯片的接收引腳RXD與外部中斷引腳PC14相連。

圖2 串口硬件電路圖

3 軟件設(shè)計(jì)

為了使軟件能正常運(yùn)行，需要對(duì)芯片的一些模塊進(jìn)行初始化，主要包括晶振初始化、時(shí)鐘初始化等。本文主要設(shè)置如下。

①串口初始化，包括波特率設(shè)置(本文設(shè)置為5 Mbit/s)、奇偶校驗(yàn)位、停止位設(shè)置。

②DMA通道初始化，包括設(shè)置串口接收的DMA通道、DMA的源地址、目的地址。

③外部中斷初始化，包括設(shè)置PC14引腳為外部中斷模式，并產(chǎn)生事件，置下降沿首次檢測(cè)標(biāo)志start_timer_flag = 0[11]。

④定時(shí)器初始化，包括設(shè)置定時(shí)器超時(shí)時(shí)間，并設(shè)置定時(shí)器接收事件。

UART接收數(shù)據(jù)流程如圖3所示。

圖3 UART接收數(shù)據(jù)流程圖

當(dāng)完成初始化后，檢測(cè)PC14引腳是否有下降沿產(chǎn)生。如果檢測(cè)到下降沿并且start_timer_flag=0，那么啟動(dòng)定時(shí)器并置start_timer_flag=1；否則下降沿產(chǎn)生EVENT事件驅(qū)動(dòng)定時(shí)器累計(jì)時(shí)間清零。當(dāng)沒(méi)有下降沿產(chǎn)生時(shí)，定時(shí)器超時(shí)進(jìn)入超時(shí)中斷服務(wù)程序。首先，關(guān)閉定時(shí)器；然后，進(jìn)行串口報(bào)文的處理，重新初始化DMA并置start_timer_flag = 0。

4 性能分析

為了更好地理解上述設(shè)計(jì)方案，本節(jié)結(jié)合波形關(guān)系圖進(jìn)行詳細(xì)的性能分析。波形關(guān)系圖如圖4所示。

當(dāng)串口接收數(shù)據(jù)時(shí)，串口數(shù)據(jù)波形如圖4(a)所示。首先，總線會(huì)檢測(cè)到一個(gè)低電平，代表有數(shù)據(jù)需要發(fā)送。該低電平就是RXD引腳的起始位。由于PC14外部引腳與RXD相連，所以PC14的波形與RXD引腳的波形一致。外部引腳波形如圖4(b)所示。將PC14設(shè)為外部中斷模式，而且是下降沿產(chǎn)生外部中斷，則當(dāng)RXD的起始位或串口數(shù)據(jù)位由“1”變“0”時(shí)，會(huì)產(chǎn)生下降沿，PC14會(huì)產(chǎn)生外部中斷。外部中斷波形如圖4(c)所示。該外部中斷會(huì)產(chǎn)生一個(gè)EVENT事件。由于此事件與TC0的輸入事件相關(guān)聯(lián)，TC0檢測(cè)到此事件后清除定時(shí)器的累計(jì)時(shí)間，然后重新從零開始計(jì)時(shí)。當(dāng)串口沒(méi)有數(shù)據(jù)要接收時(shí)，總線保持高電平，即串口的RXD引腳一直保持在“1”狀態(tài)。此時(shí)，沒(méi)有EVENT事件去清除定時(shí)器TC0的累計(jì)時(shí)間，導(dǎo)致定時(shí)器溢出產(chǎn)生定時(shí)中斷。該過(guò)程的定時(shí)器波形如圖4(d)所示。本文中設(shè)置的定時(shí)器超時(shí)時(shí)間是20 μs。在定時(shí)中斷服務(wù)程序中，重新使能DMA接收通道，以等待下一幀報(bào)文的到來(lái)，并進(jìn)行串口報(bào)文的處理。

圖4 波形關(guān)系圖

5 測(cè)試驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述分析的正確性，搭建5 bit/s串口通信測(cè)試環(huán)境，如圖5所示。

圖5 測(cè)試環(huán)境示意圖

①主備串口RS-485芯片進(jìn)行物理連接，即把主Atmel芯片的RS-485引腳與備Atmel的RS-485引腳相連。

②配置外部中斷引腳，即把RXD引腳與PC14引腳相連。

③為了監(jiān)視TC0何時(shí)進(jìn)入中斷服務(wù)程序，設(shè)置PC13為GPIO。當(dāng)TC0進(jìn)入超時(shí)中斷服務(wù)程序時(shí)置高電平，退出中斷服務(wù)程序時(shí)置低電平。

④驗(yàn)證程序是通過(guò)TC0超時(shí)中斷處理報(bào)文，而非DMA中斷處理報(bào)文。配置DMA接收緩沖區(qū)數(shù)值為300 B，但是主Atmel只發(fā)送200 B，通過(guò)示波器查看PC13是否能輸出脈沖信號(hào)。

⑤當(dāng)備Atmel接收到處理數(shù)據(jù)后，返回200 B至主Atmel。

測(cè)試結(jié)果分析如圖6所示。

圖6 測(cè)試結(jié)果分析圖

6 結(jié)束語(yǔ)

本文在分析串口通過(guò)DMA進(jìn)行數(shù)據(jù)接收的優(yōu)缺點(diǎn)基礎(chǔ)上，提出了一種通過(guò)外部中斷與定時(shí)器配合的通信方案。該方案既兼顧了DMA傳輸不需要CPU干預(yù)的優(yōu)點(diǎn)，又解決了DMA只能接收固定長(zhǎng)度數(shù)據(jù)的缺點(diǎn)；在節(jié)省了CPU處理時(shí)間的同時(shí)，提高了串口接收數(shù)據(jù)的效率，有效擴(kuò)展了DMA在串口通信中接收不定長(zhǎng)報(bào)文的應(yīng)用。但此方案需要額外占用一個(gè)GPIO引腳和定時(shí)器，在芯片資源有限的情況下需要謹(jǐn)慎考慮。