隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，通信系統(tǒng)信號處理越來越快。在這種情況下，對于高速通信系統(tǒng)性能的檢驗，就需要高速誤碼測試儀,。目前市而上已有多種誤碼測試儀。國內(nèi)產(chǎn)品的信號處理速度較低,，而國外產(chǎn)品的功能雖然比較完善,，處理速度很高，但其價格也相對較高,。本文根據(jù)Vitesse公司的VSC8228芯片特點,，利用C8051F005單片機設計出一種價廉的高速誤碼測試儀。下面將對其軟硬件設計,，特別是C8051F005與上位機的串口通信以及與VSC8228的SPI通信進行詳細探討,。
1誤碼測試系統(tǒng)概述
Cygnal公司的單片機C8051F005具有高速8051微控制器內(nèi)核，速度可達25MIPS,，指令為流水線指令結(jié)構(gòu),，70％的指令的執(zhí)行時間為1個或2個系統(tǒng)時鐘周期；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60KB的FlashROM和2KB RAM，用戶無需再外擴存儲器,；可同時使用的硬件SMBus(I2C兼容),、SPI及UART串口，4個通用16位計數(shù)器／定時器,。
VSC8228可提供的一個雙通道重發(fā)器或重定時器,，能應用于光纖信道、千比特以太網(wǎng),、SONET／SDH以及無限帶寬等多種領域,。設備支持速率從125Mbps～4.25Gbps。該芯片可以將輸入的串行數(shù)據(jù)在重定時器模式下與本地的參考時鐘同步,，內(nèi)置的碼型產(chǎn)生器與檢測器可以產(chǎn)生與探測27、223,、231的偽隨機碼,，40或64位用戶定義碼型以及光纖信號CRPAT、CJTPAT,、CSPAT碼型,。它含128個寄存器，可通過SPI或者I2C串行總線設置相關寄存器,，可以實現(xiàn)誤碼檢測功能,。
誤碼測試系統(tǒng)可分為兩個部分：誤碼測試部分和人機界面。測試部分由VSC8228芯片來實現(xiàn),。它完成偽隨機碼型的產(chǎn)生,、同步及對比檢測，計算出誤碼個數(shù),。人機界面子系統(tǒng)在整個測試系統(tǒng)中作為系統(tǒng)控制核心單元,，通過人機界面完成系統(tǒng)作業(yè)。以C8051F005單片機作為人機界面硬件的控制部分,，對VSC8228芯片的控制,、誤碼率的計算以及測試子系統(tǒng)的各狀態(tài)的顯示都通過PC機的界面來實現(xiàn)。PC界面采用Delphi語言編寫,。
誤碼測試儀的工作流程如下：PC界面通過RS232串口實現(xiàn)與C8051F005的通信,，將對VSC8228各寄存器的沒置發(fā)送給C8051F005單片機，每個控制命令為16位,；單片機通過SPI口將上位機發(fā)送過來的控制命令轉(zhuǎn)發(fā)給VSC8228,，完成VSC8228各寄存器的設置。為了實時地顯示誤碼測試儀的工作狀態(tài),，單片機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單片機起著VSC8228與上位機通信的橋梁作用,，它與上位機的串口通信以及與VSC8228的SPI通信在誤碼測試儀的實現(xiàn)過程中起著十分重要的作用,。下面通過軟硬件設計詳細分析這兩種通信。
2 誤碼測試系統(tǒng)的實現(xiàn)
2.1 硬件設計
利用C8051F005單片機的串行接口,，通過RS232異步通信接口與上位機進行通信,。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)存儲器,；同樣,，C8051F005通過串行口直接把數(shù)據(jù)傳送給PC機。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,。
C8051F005有一個特別的交叉開關,，可將數(shù)字I／O資源分配到物理I／O端口引腳。C8051F005通過設置交叉開關來同時使用SMBus(I2C兼容),、SPI及UART串口等,。VSC8228也可通過SPI或者I2C串行總線設置相關寄存器，但由于SPI通信的速率比I2C通信快,，因此為了實現(xiàn)誤碼的高速測試,，這里選擇SPI作為C8051F005與VSC8228的通信協(xié)議。
SPI接口協(xié)議要求接口設備按主從方式進行配置,，且同一時間內(nèi)總線上只能有一個主器件,。一般情況下，實現(xiàn)SPI接口需要3或4根線,。其中：主出從入(MOSI)信號是主器件的輸出和從器件的輸入,，數(shù)據(jù)傳輸時最高位在先；主人從出(MISO)信號是從器件的輸出和主器件的輸入,，數(shù)據(jù)傳輸時也是最高位在先,。當SPI從器件未被選中時，它將MISO引腳置于高阻狀態(tài),。串行時鐘(SCK)信號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)信號是一個輸入信號，主器件用它來選擇處于從方式的SPI模塊,，在主方式時用于禁止SPI模塊,。當處于從方式時，它被拉為低電平以啟動一次數(shù)據(jù)傳輸,，并在傳輸期間保持低電平,。
誤碼測試系統(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,，故在對單片機的SPI控制器進行設置時必須考慮這點,。圖2是VSC8228的SPI通信時序。在SPI通信時,，先傳輸7位地址,，后傳輸讀寫控制位OP(OP為0時表示讀，OP為1時表示寫),，最后傳輸8位數(shù)據(jù),，故SPI通信的命令字長度為16位。
2.2 下位機軟件設計
下位機采用中斷方式實現(xiàn)與上位機的通信,，單片機用SPI與VSC8228誤碼測試模塊的通信,。每當串行口接收或發(fā)送完一組串行數(shù)據(jù)時，就產(chǎn)生一個中斷請求,。串行中斷請求在單片機芯片內(nèi)部自動由硬件置位發(fā)生，具有實時性高的特點,。圖3是單片機的控制程序流程,。
對單片機進行程序初始化，包括看門狗,、系統(tǒng)時鐘,、I／O口、SPI寄存器,、UART口等,。C8051F005單片機具有看門狗，但是看門狗到一定時間,，將重啟單片機,，為防止這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，初始化里禁止了看門狗,。SPI的初始化主要是對啟動SPI的相關控制寄存器進行配置,。UART的初始化主要是對串口的控制字進行設置。I／O口的初始化通過設置交叉開關來啟動SPI與UART口,，并將有關輸出設置為推挽輸出,。
系統(tǒng)時鐘初始化模塊，由于是選擇外部晶振作為時鐘源,，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,。
C8051F005使用4個特殊功能寄存器來實現(xiàn)對SPI的控制和訪問,。這4個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)和時鐘頻率寄存器(SPI0CKR),。當以C8051F005為主器件時，應將主允許標志(MSTEN,，SPI0CN.1)置1,，同時將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,，從而實現(xiàn)SPI通信的四種模式,，但因為VSC8228只支持一種方式，所以將它們同時置為0,，則空閑時SCK為低,，此時的系統(tǒng)將在上升沿發(fā)送數(shù)據(jù)，下降沿接收數(shù)據(jù)(時序圖見圖2),。由于在MCU中,，SCK的頻率可從系統(tǒng)時鐘分頻得到，因此該頻率可由下式給出：
其中fsysclk是系統(tǒng)時鐘頻率,，SPI0CKR是SPI0CKR寄存器中的8位值,。
為了防止上次測試對本次的影響，在程序的初始化之后,，對VSC8228寫入重肩命令,，這樣每次運行程序都將VSC8228的寄存器恢復為默認值。界面發(fā)送的數(shù)據(jù)為16位,，其中8位地址,，8位數(shù)據(jù)，而且每個數(shù)據(jù)是一個字符,。為讓單片機識別控制命令已發(fā)完,，最后一個16位數(shù)據(jù)設為FFFF。另外,，每16位數(shù)據(jù)之間加入了100 ms的延時,，這樣Spcomm控件就會把每16位數(shù)據(jù)當成1幀，單片機也能夠正確地接收所有數(shù)據(jù),。
單片機用中斷的方法來接收界面?zhèn)鬟^來的數(shù)據(jù),。每接到一個數(shù)據(jù),，即一個字符，就執(zhí)行中斷子程序,，將接收到的數(shù)據(jù)的最低位存人數(shù)組,。串口中斷子程序流程如圖4所示。當接收到16個,，就接收完1幀,，轉(zhuǎn)入執(zhí)行主程序去對收到的16位進行處理。處理過程就是將收到的16個數(shù)據(jù)(存放在數(shù)組中),，通過移位跟“或”運算,，綜合成16位的數(shù)據(jù)。然后,，通過移位運算,，取高8位作為地址，低8位作為數(shù)據(jù),。對于接收的16位數(shù)據(jù),，如果不是FFFF，則將提取出來的8位數(shù)據(jù),，發(fā)送給提取出來的8位地址對應的寄存器,；如果接收的16位數(shù)據(jù)為FFFF，表示所有的控制命令已經(jīng)發(fā)完,，這時VSC8228的全部寄存器設置完畢,，VSC8228的碼型產(chǎn)生模塊以及檢測模塊開始工作。此時,，單片機每秒掃描一次所有寄存器的值,，并將其值通過串口傳給界面,，界面對串口傳送過來的數(shù)據(jù)進行處理,。
本設計中，SPI的數(shù)據(jù)傳輸過程如下：
?、?關閉中斷允許,。
② MCU將VSC8228的NSS拉低(即置P2.4=0)，以選中從器件VSC8228,。
③ 將待發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)寄存器(SPI0DAT),，即寫發(fā)送緩沖器。如果SPI移位寄存器為空,，發(fā)送緩沖器中的數(shù)據(jù)字節(jié)被傳送到移位寄存器,，數(shù)據(jù)傳輸開始。
④ 在SCK上提供串行時鐘,，同時在MOSI線上串行移出數(shù)據(jù),。傳輸結(jié)束后,，SPIF(SPI0CN.7)標志被置1。
⑤ 傳輸結(jié)束,，將NSS拉高,，打開中斷允許。
以下是SPI寫VSC8228測試程序的關鍵代碼：
2.3 上位機軟件設計
上位機主要實現(xiàn)以下功能：顯示當前日期和時間,；根據(jù)檢測需要設置檢測參數(shù)(產(chǎn)生碼型,、檢測碼型、速率,、輸出去重,、擺動輸入均衡、探測門限等),；運行時間及BER的計算,，控制按鈕及LED顯示檢測狀態(tài)。狀態(tài)燈可以顯示的狀態(tài)有“無信號”,、“同步態(tài)”,、“失同步態(tài)”與“等待態(tài)”等。它是在WindowsXP環(huán)境下采用Delphi語言編寫的,。首先在Delphi里加載串行通信功能的SPCOMM控件,，它使用非常方便。由于Delphi采用事件驅(qū)動模式,，程序員只需要對Delphi組件的屬性,、事件進行編程，然后再由這些組件對相應的事件進行響應,。這樣就使得各個事件彼此完全獨立,，減少事件間的耦合性，可以大大提高程序的穩(wěn)定性和可靠性,，同時簡化程序的編碼過程,。
SPCOMM應用的核心在于主線程、讀線程和寫線程之間的消息傳遞機制,，而通信數(shù)據(jù)相關信息的傳遞也是以消息傳遞的方式進行的,。在使用SPCOMM進行串口通信編程時，需特別注意以下兩個問題：首先,，SPCOMM是通過ReadIntervalTimeout屬性的設置來確定所接收到的數(shù)據(jù)是否屬于同一幀數(shù)據(jù)的,，其默認值是100 ms。也就是說,，只要任何兩個字節(jié)到達的時間間隔小于100 ms,，都被認為是屬于同一幀數(shù)據(jù)。另外，SPCOMM的默認屬性設置是支持軟件流控制的,，用于流控制的字符是13H(XoffChar)和11H(XonChar),，當單片機以二進制方式發(fā)送數(shù)據(jù)時，必須禁用SPCOMM對于軟件流控制的支持,，即Inx_XonXoff-Flow屬性設為False,，否則，在數(shù)據(jù)幀中出現(xiàn)的13H,、11H會被SPCOMM作為控制字符而加以忽略,。
由于單片機的SPI口對VSC8228進行控制時須向每個寄存器發(fā)控制字，所以界面就要求發(fā)送1個地址加1個字節(jié)數(shù)據(jù)的形式,，這樣就有16位,；同時為單片機能夠方便地分清每個幀(1字節(jié)地址加1字節(jié)數(shù)據(jù))，每次發(fā)送1幀就延時100 ms,。單片機每秒掃描1次VSC8228的全部寄存器,，并將數(shù)據(jù)傳送給界面，因此,，界面首先要一幀一幀地識別出來,，然后對于某些地址的數(shù)據(jù)進行特定的操作。
誤碼率是誤碼個數(shù)與碼總個數(shù)的比值,。碼總個數(shù)是檢測時間和速率的乘積,。對不同的速率有不同的總數(shù)。由此,，得出誤碼率,。
關鍵代碼如下：
3 誤碼測試性能
本設計經(jīng)實驗測試，上位機與下位機的串口通信以及MCU與誤碼測試模塊的通信都能正確傳輸,。為適應高速測試,，目前SPI的傳輸速率(指SCK頻率)為2 MHz。根據(jù)本方案設計誤碼檢測儀已運用于EPON光收發(fā)模塊的連續(xù)碼測試,。與臺灣宜捷威科技的FMTS-3000以及安立的MP1630的測試比較結(jié)果看,，本誤碼測試儀其誤碼數(shù)量級與上述兩種設備基本一致，但是不能支持突發(fā)誤碼的測試,。對突發(fā)誤碼測試的支持是項目組下一步研究的目標,。
結(jié) 語
VSC8228芯片支持速率多樣,，它內(nèi)置PBRS及其他碼型的產(chǎn)生及探測模塊,。筆者利用該特點設計出一種基于C8051F005單片機的廉價高速誤碼儀，探討了利用Delphi里的SPCOMM控件來實現(xiàn)PC機與C8051F005之間串行通信的方法,，以及C8051F005與VSC8228的SPI通信過程,。設計的誤碼儀支持的測試碼型有27、223、231的偽隨機碼,，40或64位用戶定義碼型以及光纖信號CRPAT,、CJT-PAT、CSPAT碼型等,，一次可測誤碼高達43億個,，可測碼速高達4.25 Gbps在EPON光收發(fā)模塊中實現(xiàn)了誤碼測試，效果較好,，而且功耗低,，有較高的實用價值。