李玨穎，張 斌，賴文娟

(中國(guó)兵器工業(yè)第五八研究所軍品部，四川 綿陽(yáng) 621000)

近些年來(lái)，模塊化電腦(computer on module-express，COM-E)主板以其核心集成化、二次開(kāi)發(fā)容易、定制周期短等優(yōu)勢(shì)，成為了X86架構(gòu)下嵌入式計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的重要資源。

COM-E主板作為一種嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用的標(biāo)準(zhǔn)化CPU模塊，根據(jù)Intel新一代芯片組的要求，取消了PS2、串行接口、并行接口等配置。取而代之的是Intel公司所倡導(dǎo)的更節(jié)省芯片資源的LPC總線(low pin count)。但是在工程應(yīng)用中，依然有大量設(shè)備采用串行接口作為通信接口，串口通信依然是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必不可少的功能。本文介紹了一種基于Super I/O芯片和Cortex-M3 ARM芯片的COM-E主板接口擴(kuò)展設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了工程應(yīng)用中多路串口、I/O口的功能需求。

1 設(shè)計(jì)方案

本接口設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。設(shè)計(jì)中采用德國(guó)控創(chuàng)Intel? CoreTMi7-2655LE+QM67 PCH架構(gòu)的 Type2 COM-E主板為核心板，自行設(shè)計(jì)載板，通過(guò)W83627HG芯片和LPC1758 ARM處理器實(shí)現(xiàn)4個(gè)串口及多個(gè)I/O口的擴(kuò)展。

圖1 接口擴(kuò)展設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，3個(gè)擴(kuò)展串口為通信接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)即可。第4個(gè)擴(kuò)展串口需要與姿態(tài)儀連接，姿態(tài)儀將每10 ms發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，為保證信息的實(shí)時(shí)性，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，由微處理器LPC1758對(duì)串口數(shù)據(jù)和I/O口信息進(jìn)行計(jì)算和修正處理后，再通過(guò)另一串口與主板進(jìn)行通信。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 W83627

W83627是臺(tái)灣WINBOND公司的一款使用廣泛的Super I/O芯片，采用了Intel標(biāo)準(zhǔn)的LPC總線，較ISA標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)節(jié)省了更多的芯片資源，可擴(kuò)展2路高速串口，支持雙向打印機(jī)端口、增強(qiáng)并行接口、PS/2接口、MIDI接口等。

W83627使用兼容PNP協(xié)議訪問(wèn)配置寄存器以進(jìn)行不同類(lèi)型的配置，共包含11個(gè)邏輯設(shè)備，相應(yīng)代表了11個(gè)獨(dú)立的設(shè)備功能:FDC邏輯設(shè)備0/PRT邏輯設(shè)備1，UART1邏輯設(shè)備2，UART2邏輯設(shè)備3KBC邏輯設(shè)備5等。每一個(gè)邏輯設(shè)備都有它自己的配置寄存器，通過(guò)將相應(yīng)邏輯設(shè)備號(hào)寫(xiě)入邏輯設(shè)備選擇寄存器，主機(jī)就可以訪問(wèn)這些寄存器，從而實(shí)現(xiàn)功能的擴(kuò)展。

2.2 LPC1758

LPC1758是NXP公司的一款Cortex-M3微控制器芯片，具備3級(jí)流水線和哈佛結(jié)構(gòu)，最高操作頻率達(dá)100 MHz，其外設(shè)組件包括512kFlash，64k片內(nèi) SRAM，以太網(wǎng) MAC，USB2.0，4個(gè)UART、2條CAN通道，8通道的12位ADC、10位DAC以及多達(dá)70個(gè)通用I/O口。

LPC1758 ARM處理器具有4個(gè)符合16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的異步串口，內(nèi)置小數(shù)分頻器、16字節(jié)FIFO，支持DMA發(fā)送接收。其中 UART1支持 Modem和 RS485/EIA485模式，UART0，2，3 支持 IrDA 接口。

LPC1758包含了5組多達(dá)70個(gè)GPIO管腳，同常用于LED、蜂鳴器、高低電平狀態(tài)信息等數(shù)字量信號(hào)的輸入/輸出。支持系統(tǒng)配置為上拉/下拉電阻、開(kāi)漏和中繼模式。

2.3 硬件方案

接口擴(kuò)展設(shè)計(jì)電路圖如圖2所示，COM-E主板首先通過(guò)LPC總線與W83627HG芯片連接，W83627的第22至29腳為L(zhǎng)PC總線接口，與主板B3至B8腳對(duì)應(yīng)相連;第19腳為PME電源管理引腳，與主板C15腳連接;21腳為PCI時(shí)鐘輸入，與主板LPC總線時(shí)鐘B10連接;30腳為復(fù)位信號(hào)，應(yīng)注意不能與主板的系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)連接，應(yīng)與主板PCI復(fù)位信號(hào)B50連接。外接24MHZ時(shí)鐘后，W83627的第53/54和第82/83腳可實(shí)現(xiàn)LPC總線2個(gè)UART串口的擴(kuò)展。

其中UARTB用做對(duì)外數(shù)據(jù)通信接口直接引出，UARTA與LPC1758芯片第39/40腳UART2連接，實(shí)現(xiàn)主板與ARM芯片通信，通過(guò)ARM芯片實(shí)現(xiàn)其他3個(gè)串口和多個(gè)IO口的擴(kuò)展。

LPC1758芯片的1至5腳為JTAG接口，做程序燒寫(xiě)時(shí)使用;19/20和13/15腳分別為內(nèi)部時(shí)鐘和RTC時(shí)鐘引腳，分別接 12 MHz和 32.768 kHz無(wú)源晶振;第 79/80、47/48、37/38分別設(shè)置為UART0、UART1、UART33個(gè)擴(kuò)展串口，擴(kuò)展串口與電平轉(zhuǎn)換芯片SP211E連接，實(shí)現(xiàn)與外設(shè)的RS232串口通信。LPC1758的 P2［0］至 P2［9］腳和 P1［18］至 P1［22］腳為通用輸入輸出接口，直接配置為GPIO引腳，與狀態(tài)開(kāi)關(guān)/LED/蜂鳴器等外設(shè)連接。

圖2 接口擴(kuò)展設(shè)計(jì)電路

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過(guò)LPC1758處理器擴(kuò)展了4個(gè)串口和多個(gè)I/O接口。其中UART0為外部姿態(tài)儀信息輸入接口，UART2為主板通信接口。9個(gè)I/O接口與外部狀態(tài)按鍵/開(kāi)關(guān)連接，實(shí)現(xiàn)快捷控制開(kāi)關(guān)量輸入。姿態(tài)儀每10 ms發(fā)送一次完整數(shù)據(jù)，系統(tǒng)軟件采用中斷接收方式實(shí)時(shí)監(jiān)控UART0，當(dāng)接收到新數(shù)據(jù)后，由ARM芯片對(duì)其進(jìn)行解算和修正后，每10 ms將當(dāng)前狀態(tài)幀的修正結(jié)果和當(dāng)前開(kāi)關(guān)量結(jié)果一同由UART2發(fā)送至COM-E主板。2個(gè)I/O接口做LED指示燈和蜂鳴器控制電平輸出使用，當(dāng)ARM芯片從UART2接收到主板發(fā)送的控制指令時(shí)，控制I/O輸出電平變化，激活或關(guān)閉LED和蜂鳴器。另3個(gè)串口做為擴(kuò)展通信接口，當(dāng)有新數(shù)據(jù)接收或發(fā)送時(shí)，不進(jìn)行任何處理，原樣與主板通信。

3.2 軟件流程

串口擴(kuò)展軟件的工作流程圖如圖3所示。首先LPC1758的UART0處于接收狀態(tài)，當(dāng)程序接收到姿態(tài)儀傳輸?shù)脑夹畔r(shí)，進(jìn)入接收中斷，自動(dòng)接收數(shù)據(jù)，同時(shí)根據(jù)姿態(tài)儀的傳輸協(xié)議判斷是否接收完;當(dāng)接收到完整的一幀信號(hào)后，程序退出接收中斷，并調(diào)用解算程序?qū)π畔⑦M(jìn)行解算，將計(jì)算結(jié)果存入緩沖區(qū)中，同時(shí)程序讀取當(dāng)前GPIO口的狀態(tài)信息，將GPIO信息同解算結(jié)果信息按照ARM與COME-E主機(jī)的通訊協(xié)議成幀，并從UART2發(fā)送至主機(jī)。

圖3 軟件工作流程

3.3 程序設(shè)計(jì)

UART0采用中斷接收模式接收姿態(tài)儀信息:

4 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了COM-E主板多串口/IO口的擴(kuò)展使用以及高實(shí)時(shí)性要求下串口信息的預(yù)處理。該設(shè)計(jì)已成功應(yīng)用于某軍用型號(hào)項(xiàng)目中，經(jīng)驗(yàn)證，系統(tǒng)具備設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、硬件尺寸小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)能滿足姿態(tài)儀信息的高實(shí)時(shí)性要求，在嵌入式電子設(shè)備設(shè)計(jì)中具備廣泛的應(yīng)用前景。

［1］PICMG.COM ExpressTMCarrier Design Guide［EB/OL］.［2009-04-23］.http：//cn.kontron.com/_etc/scripts/download/getdownload.php?downloadId=OTE5NQ==.

［2］王維，蔣景宏，劉垚，等基于COM Express架構(gòu)的數(shù)據(jù)記錄儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2011(12)：29-32.