李 強，李志宇，高艷輝

（1.南京航空航天大學 自動化學院，江蘇 南京210016；2.南京航空航天大學 無人機研究院，江蘇 南京210016）

異步串行通信是一種串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議， 用于雙向通信，可以實現(xiàn)半雙工和全雙工傳輸，因其結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計方便、價格低廉、占用資源少[1]、傳輸距離遠等優(yōu)勢而得到廣泛應(yīng)用。 近年來串行通信正朝著帶寬、速度、穩(wěn)定性逐漸增強的方向發(fā)展[2]。 586-Engine 是TERN 公司推出的一款為了高精度和高可靠性的植入式應(yīng)用所設(shè)計的核心板卡， 運算速率高，適用于工業(yè)程序控制和高精度的數(shù)學計算。 該板卡提供了2 路異步串行通信接口，這在很多應(yīng)用場合遠遠不夠。為了增加串口數(shù)量并保證較高的傳輸速率， 使用高性能的UR8 擴展卡是一種可行方案， 本文結(jié)合UR8 串口擴展卡在586-Engine 上的成功應(yīng)用， 對UR8 串口擴展方法進行詳細介紹。

1 器件介紹

586-Engine 是TERN 公司生產(chǎn)的基于AMD Elan SC520處理器的C/C++可編程微控制模塊，成本低，功耗低，結(jié)構(gòu)緊湊。 它提供了多種算法指令用于處理各類數(shù)字格式以及正弦、余弦、正切、對數(shù)等超越函數(shù)，擅長高強度的運算應(yīng)用[3]。

586-Engine 的主要參數(shù)指標如下：

1)CPU 是 主 頻 為133 MHz 的32 位AMD ElanSC520 處 理器，兼容Intel80x86；

2)尺寸為3.6*2.3*0.3 英寸，適用溫度為-40oC—85oC；

3)支持114 字節(jié)內(nèi)置RAM,高達512KB 電池供電的SRAM，512 kB 的Flash，不支持SDRAM、PCI、DMA。

4)提供兩個工業(yè)標準通用異步串口（UART），最高達到1.152 Mbit/s。

5)提供32 路多功能I/O 總線。包括總共19 路12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器， 其中11 路串行模數(shù)轉(zhuǎn)換和8 路并行模數(shù)轉(zhuǎn)換；6 路12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其中2 路串行數(shù)模轉(zhuǎn)換和4 路并行數(shù)模轉(zhuǎn)換。

6)可編程中斷控制器（PIC)支持22 個中斷優(yōu)先級，包括15 個外部中斷。 共有7 個定時器，其中1 個可編程內(nèi)部定時器，3 個16 位PIT 定時器和3 個16 位GP 定時器[4]。

UR8 是TERN 公司生產(chǎn)的8 路異步串口擴展卡。 它提供了多種串口工作方式，如RS232、RS485、RS422。 其核心部件是2 片TL16C754B 芯片， 每片TL16C754B 具有4 路異步串口， 每個通道具有64 字節(jié)的發(fā)送FIFO 和64 字節(jié)的接收FIFO。在FIFO 模式下，可以減小CPU 的中斷數(shù)量并降低軟件開銷。 它有3 種工作模式：查詢模式、中斷模式和DMA 模式，并可編程選擇中斷和DMA 模式的FIFO 深度[5]。 它提供了可編程的波特率發(fā)生器用于產(chǎn)生14 種不同的波特率，最高波特率可達230400bit/s，可見UR8 的串口傳輸速度非?？?。

2 硬件設(shè)計

2.1 UR8 擴展卡串口的可配置方案

UR8 擴展卡提供了3 種可配置的串口標準方案 （即RS232、RS485、RS422）以滿足不同的需求。其中8 個串口均可配置為RS232 串口標準；COM2－COM5 4 個串口可配置為RS485 串口標準；COM2 可配置為RS422 串口標準。若采用后兩種方案與PC 機進行通信需在中間加裝一個RS232/RS485轉(zhuǎn)換器。 以上3 種配置方案均已成功應(yīng)用， 本文僅以RS232為例對該方法進行介紹。

2.2 接口電路原理框圖

586－Engine 的數(shù)據(jù)總線D0－D7 連接到UR8 的D0－D7，用于雙向數(shù)據(jù)交換，/RD 和/CS1 分別和UR8 內(nèi)部HCT245 芯片的DIR 及G 相連來選擇傳輸方向；586－Engine 的地址總線A1、A2、A3、寫使能端/WR、讀使能端/RD 以及RST 與UR8 的A0、Al、A2、寫使能端/WR、讀使能端/RD 以及RST 相連,實現(xiàn)TL16C754B 的片內(nèi)寄存器尋址和讀寫控制；586－Engine 的地址總線A4、A5、A6、A7 與UR8 的A4、A5、A6、A7 相連， 經(jīng)過TL16C754B 內(nèi)部譯碼器芯片進行譯碼實現(xiàn)片選功能[6]。

UR8 的8 個串口（COM2－COM9)選用RS232 通訊方式。可以采用兩種方案進行試驗，第一種是UR8 的8 個串口與8臺PC 機同時通信， 第二種是UR8 的8 個串口級聯(lián)的接線方式， 為了操作簡潔采用第二種方案， 即： 外部數(shù)據(jù)發(fā)送到COM2 的 接 收 端/RXD2，/TXD2 連 到/RXD3，/TXD3 連 到/RXD4，以此類推，最終數(shù)據(jù)由COM9 的發(fā)送端/TXD9 發(fā)送到PC 機的接收端，通過串口調(diào)試助手檢測數(shù)據(jù)的正確性和完整性。 整個接線關(guān)系如圖1 所示。

圖1 接口設(shè)計電路原理圖Fig. 1 Interface circuit schematic design

3 軟件設(shè)計

3.1 UR8 的初始化配置

TL16C754B 內(nèi)部寄存器地址如下表所示，每一個串口的定義都完全相同。

表1 TL16C754B 內(nèi)部寄存器Tab.1 TL16C754B internal registers

UR8 的地址設(shè)置非常靈活，每個通道的基地址可以自由選擇，采用基地址加偏移量的方法可以確定各寄存器的地址，然后就可以對各寄存器進行讀寫操作。 值得注意的是，A0 沒有使用，各偏移量和基地址為偶地址，這樣就增加了系統(tǒng)的抗干擾能力。

UR8 是一款可靈活選擇配置的擴展卡, 其每一通道的初始化配置均可根據(jù)實際需要來進行。下面以串口2 為例，給出初始化配置。

************************************ 設(shè) 置 串 口2*********************************

baud=13; // 波特率選擇115200

qur_init(2, baud);

outportb(LCR2,0x83); // 線路控制寄存器，8 位，無奇偶校驗，使能DLL、DLH

outportb(DLL2,(unsigned char)(ctlr&0xff) ); // 波特率因子寄存器低位

outportb (DLH2,(unsigned char)((ctlr＞＞8)&0xff)); // 波特率因子寄存器高位

outportb(LCR2,0x03); // 線路控制寄存器，8 位，無奇偶校驗

outportb(IER2,0x00); // 中斷允許寄存器,不允許中斷outportb(FCR2,0x07); // 清空FIFO

outportb(MCR2,0x00); // Modem 控制寄存器歸零

3.2 串口函數(shù)說明

void qur_init( char ch, unsigned char baud) //ch=2－9，串口初始化

void put_ch (char ch, unsigned char dat) //串口數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)

unsigned char qur_hit ( char ch) //檢查接收FIFO是否有數(shù)據(jù)

unsigned char get_ch( char ch) //串口數(shù)據(jù)接收函數(shù)

3.3 程序說明

軟件設(shè)計流程圖如圖2 所示，程序采用順序查詢模式，依次查詢COM2-COM9 的接收FIFO 中是否有數(shù)據(jù)， 如果有數(shù)據(jù)則存儲數(shù)據(jù)再將存儲的數(shù)據(jù)發(fā)出； 如果接收FIFO 中沒有數(shù)據(jù)，則繼續(xù)檢查下一個串口。 結(jié)合硬件的連線方式，一幀數(shù)據(jù)就會在8 個串口間循環(huán)一次。每一通道都有各自的接收/發(fā)送FIFO 和寄存器，各自數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送不受影響。

圖2 軟件設(shè)計流程圖Fig. 2 Flow chart of the software design

3.4 調(diào)試結(jié)果

調(diào)試過程中，PC 機串口發(fā)送端與UR8 的串口2 的RXD2 相連， 發(fā)送的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送端依次通過COM2、COM3、COM4、COM5、COM6、COM7、COM8、COM9， 最 終 由COM9 的發(fā)送端TXD9 傳送到PC 機的串口接收端，形成一個數(shù)據(jù)循環(huán)傳輸?shù)倪^程。PC 機通過串口調(diào)試助手控制串口的發(fā)送和接收，具體調(diào)試原理如圖3 所示。

圖3 調(diào)試原理框圖Fig. 3 Debugging principle diagram

串口調(diào)試助手當波特率設(shè)定為115 200 bit/s，一幀數(shù)據(jù)為01 到40 個字符時，逐步減小每幀數(shù)據(jù)的發(fā)送間隔，最終測試得到的最短時間間隔為20 ms。 即每20 ms 發(fā)送一幀數(shù)據(jù)。PC機接收到的數(shù)據(jù)顯示在窗口中，實驗最終結(jié)果如圖4 所示。

從結(jié)果可以看出，接收窗口接收到的數(shù)據(jù)沒有誤碼，說明數(shù)據(jù)在各個串口的接收發(fā)送過程中沒有出現(xiàn)錯誤； 界面最下面顯示S:153000 R:153000，發(fā)送和接收的字節(jié)數(shù)相等，說明沒有丟失數(shù)據(jù)。

圖5 給出了時間間隔減小到19 ms 的實驗結(jié)果， 從接收窗口可以看出第4 行39、40 兩個字符被01、02 替代， 說明串口發(fā)送一幀數(shù)據(jù)所需要時間已經(jīng)大于PC 機發(fā)送一幀數(shù)據(jù)的時間間隔， 串口還沒發(fā)完一幀數(shù)據(jù)已經(jīng)被強制執(zhí)行下一次的發(fā)送命令，第8、15、17、22 行反映了同樣的問題。 說明20 ms為這種擴展方案的極限值。

圖4 測試界面圖Fig. 4 Interface chart of the test system

圖5 測試界面圖(19ms/次)Fig. 5 Interface chart of the test system(19ms/次）

調(diào)試結(jié)果說明， 使用UR8 成功地擴展了586-Engine 的異步串行通信能力。

4 結(jié)論

本文介紹的這種串行通信擴展方案具有明顯的優(yōu)越性：一是增加了8 個串行通信接口，可以與更多的設(shè)備進行連接，極大地提高了586-Engine 的異步串行通信能力； 二是由于586-Engine 內(nèi)核處理數(shù)據(jù)的速度極快并盡最大限度的壓縮程序所占用時間，使得這種UR8 串口擴展方案達到很高的傳輸速率，能夠滿足譬如飛控計算機這種高實時性、高運算量設(shè)備的設(shè)計需求；三是UR8 不僅能擴展到586-Engine，還能直接 擴 展 到A-Engine、i386-Engine、i386-Drive、586-Drive 等TERN 公司生產(chǎn)的板卡，省去了設(shè)計接口電路的麻煩。 實驗證明,在實時性高、傳輸波特率高、CPU 運算量大的情況下,使用UR8 進行串口擴展是一種很實用的方案。

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