基于PC/104模塊的多串口通信擴(kuò)展設(shè)計(jì)與工程實(shí)現(xiàn)

摘要：應(yīng)用PC/104模塊486DX和EMM-8M-XT實(shí)現(xiàn)多串口通信。擴(kuò)展后，10個(gè)串口可以同時(shí)進(jìn)行全雙工通信。結(jié)合工程實(shí)例，給出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、軟硬件設(shè)計(jì)方法以及多串口通信在DOS平臺(tái)上的典型應(yīng)用。

2004年12月31日收到修改稿。
引言
    串行通信方式具有使用方便、傳輸可靠、信號(hào)線數(shù)量少等優(yōu)點(diǎn)，因而倍受青睞。
基于PC/104模塊的嵌入式系統(tǒng)，串行通信是常用的通信方式之一。通過串行數(shù)據(jù)端口，可以實(shí)現(xiàn)PC/104與PC機(jī)以及PC/104模塊之間的通信。無人機(jī)飛控系統(tǒng)是一個(gè)典型的多外設(shè)平臺(tái)，因此工程設(shè)計(jì)中必須解決多串行口數(shù)據(jù)通信問題，完成數(shù)據(jù)采集或信號(hào)傳輸。在其它工程應(yīng)用中，研究多串口數(shù)據(jù)通信也尤其重要。應(yīng)用PC/104模塊在嵌入式系統(tǒng)中擴(kuò)展8個(gè)以上的串行端口，并同時(shí)進(jìn)行雙工數(shù)據(jù)通信是本文要重點(diǎn)討論。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件設(shè)計(jì)
    隨著技術(shù)的進(jìn)步，PC/104結(jié)構(gòu)的嵌入式模塊可以根據(jù)實(shí)際的要求通過簡(jiǎn)單的搭積木的方法進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展，其豐富的功能模塊為設(shè)計(jì)人員帶來了諸多方便。在無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)中，部分傳感器、測(cè)控終端、任務(wù)設(shè)備通常采用串行數(shù)據(jù)接口。本文將結(jié)合某型無人機(jī)飛控系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)，介紹應(yīng)用486DX和EMM-8M-XT嵌入式模塊，實(shí)現(xiàn)多串口數(shù)據(jù)通信擴(kuò)展設(shè)計(jì)的方法和工程應(yīng)用情況。

    某型無人機(jī)飛控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。實(shí)際使用中，CPU板和串口板通過PC104總線棧接，根據(jù)使用需要還外擴(kuò)了AD/DA、DIO等其它功能模塊。本文僅對(duì)與串口相關(guān)的模塊進(jìn)行介紹。系統(tǒng)CPU板自帶兩個(gè)串行口（P9~P10），外擴(kuò)的串口板提供8個(gè)串行口（P1~P8）,分別完成不同的數(shù)據(jù)通信功能。各口具體功能及通信模式見表1。
表1   串口工作模式及功能
串口號(hào)
工作模式
功             能
P1、P2
RS422
與測(cè)控設(shè)備數(shù)據(jù)通信用
P3
RS422
接收GPS信息，發(fā)送初始信息
P4
RS485
采集航向角數(shù)據(jù)
P5
RS485
采集高度、空速數(shù)據(jù)
P6~P8
RS422
與3臺(tái)任務(wù)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信
P9
RS232
CPU板電子盤程序更新用
P10
RS232
飛控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、航路裝定
圖1  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
486DX模塊
    486DX是一種高度集成、具有自棧結(jié)構(gòu)、與IBM-PC/AT兼容的PC/104 CPU模塊。采用增強(qiáng)型的80486嵌入式中央處理器INTEL DX4作為核心元件，工作頻率33~133MHz，4~16M字節(jié)的在板DRAM。
    486DX模塊在板包含了與PC/AT兼容的DMA控制器、8259類型的中斷控制器及定時(shí)器，帶擴(kuò)展的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ROM-BIOS及鍵盤喇叭接口。在板的外部接口包括一個(gè)PC/AT兼容的標(biāo)準(zhǔn)雙向并行口、兩個(gè)16550兼容的RS232串行通訊接口、一個(gè)用外接后備電池支持實(shí)時(shí)時(shí)鐘，應(yīng)用EEPROM存儲(chǔ)BIOS參數(shù)設(shè)置，省去了大多數(shù)硬件配置跳線。該板功耗極低，典型值為2.8W，外部電源要求為＋5V，可以寬溫工作。
    本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要應(yīng)用該模塊的兩個(gè)串行端口，端口1（P9）用于實(shí)現(xiàn)模塊電子盤上用戶程序的在線改寫，端口2（P10）主要用于飛控系統(tǒng)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和航路裝定?？紤]到實(shí)際設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中串口設(shè)備多，需要外擴(kuò)串口模塊實(shí)現(xiàn)多串口通信。這里選用DIAMOND公司的EMM-8M-XT串口通信模塊來實(shí)現(xiàn)。
EMM-8M-XT模塊擴(kuò)展設(shè)計(jì)
    EMM-8M-XT串口通信模塊，在板集成了兩個(gè)單元高性能的16C554控制芯片（相當(dāng)于8個(gè)16C550），可以達(dá)到更高的通訊速率而無需占用過多的CPU資源，模塊的主要特點(diǎn)如下：
·8個(gè)通道各有獨(dú)立的16字節(jié)接收緩沖器和16字節(jié)發(fā)送緩沖器；
·每個(gè)串口可通過硬件跳線設(shè)置工作模式（RS232\RS422\RS485任選）；
·標(biāo)準(zhǔn)配置波特率可達(dá)115.200Kbps（460.8Kbps可選）；
·16個(gè)不同的I/O地址項(xiàng)；
·10個(gè)不同中斷級(jí)可選；
·上電時(shí)8串口的基地址和中斷選擇從EEPROM中取數(shù)據(jù)配置，上電后可通過軟件配置；
    EMM-8M-XT模塊中，J3、J4為模塊的串行端口。除了包括八個(gè)可設(shè)置的全信號(hào)串行口外，還包括了8路離散的DIO，本例中沒有使用DIO。模塊中包括J5~J9 共5組跳線，通過正確設(shè)置這些跳線，可以確定串口工作模式、基地址和中斷號(hào)使用。這里需要說明一點(diǎn)，由于串口模塊為外擴(kuò)方式，其地址不能與CPU模塊串口地址相沖突，因此J9的跳線設(shè)置為B(in)、C(in)，串口板的基地址為240H。使用的中斷號(hào)為3和11，其中P1~P4共享11號(hào)中斷，P5~P8共享3號(hào)中斷。

    要正確使用每個(gè)串行口，除了硬件跳線設(shè)置正確外，還要對(duì)EMM-8M-XT模塊的在板EEPROM進(jìn)行軟件設(shè)置。每個(gè)串行口的基地址和中斷號(hào)設(shè)置均保存在EEPROM中，上電后模塊將從中讀取這些數(shù)據(jù)，并且中斷號(hào)的軟件設(shè)置要與硬件跳線設(shè)置相一致。
    需要說明一點(diǎn)，一旦串口軟件設(shè)置成功后，這種設(shè)置同硬件跳線設(shè)置效果是相同的，這是由EEPROM的非易失性決定的。除非人為通過軟件進(jìn)行重寫操作，設(shè)置的參數(shù)才會(huì)改變。本例中，筆者用Borland C 編寫了一個(gè)軟件設(shè)置應(yīng)用程序（限于篇幅，本文從略），可以在PC/104開發(fā)裝置上對(duì)EMM-8M-XT模塊進(jìn)行EEPROM的軟件設(shè)置，并且設(shè)置后可以回讀、顯示以檢驗(yàn)設(shè)置的正確性。

軟件設(shè)計(jì)
    軟件采用C語言編程，工作于DOS6.22平臺(tái)系統(tǒng)下，可讀性好，能夠方便移植到其他平臺(tái)。串口通信程序中包含很多模塊，這里以EMM-8M-XT模塊串口服務(wù)程序部分代碼為例進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，486DX模塊的編程方法類似。軟件的基本流程參見圖2。
圖2  串口軟件基本流程
Server_COM_Int(CCOM* pCOM)串口服務(wù)程序：
void Server_COM_Int(CCOM* pCOM)    //串口服務(wù)程序
{
 int nDataInBuf;                            //如果還有中斷等待響應(yīng)
 while(!((pCOM->byteIIR=(0x0F&inportb(pCOM->Base+COM_IIR)))
&COM_NO_INT_PENDING)){
  switch(pCOM->byteIIR){
  case COM_INT_FROM_RDR:      //數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好
  case COM_INT_FROM_RTO:      //接收超時(shí)
   while(inportb(pCOM->Base+COM_LSR)&COM_STATUS_DR){ //FIFO中還有數(shù)據(jù)
    pCOM->pRBuffer[pCOM->pRBEndOff++]
     =inportb(pCOM->Base+COM_RB);   //數(shù)據(jù)進(jìn)環(huán)形緩沖區(qū)
    if(pCOM->pRBEndOff==pCOM->nRBSize)
     pCOM->pRBEndOff=0;      //調(diào)整環(huán)形緩沖區(qū)指針
   }
   pCOM->bCOM_Data_OK=TRUE;      //串口收據(jù)接收完畢
   break;
  case COM_INT_FROM_TRE:        //發(fā)送數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好
   nDataInBuf=pCOM->pTBEndOff-pCOM->pTBHeadOff; //計(jì)算緩沖區(qū)字符數(shù)
   if(nDataInBuf==0)     //如果字符數(shù)為零，禁止"發(fā)送空"中斷
    outportb(pCOM->Base+COM_IER,
     inportb(pCOM->Base+COM_IER)&(~COM_INT_THRE));
   else{    
    outportb(pCOM->Base+COM_MCR, //發(fā)送使能，Bit1 置1(拉低RTS)
    (inportb(pCOM->Base+COM_MCR)|COM_MCR_RTS)&(~COM_MCR_DTR));
    if(nDataInBuf<0) nDataInBuf+=pCOM->nTBSize;//計(jì)算緩沖區(qū)字符數(shù)    if(nDataInBuf>COM_MAX_FIFO_DEP)
nDataInBuf=COM_MAX_FIFO_DEP;
while(nDataInBuf>0){
outportb(pCOM->Base+COM_THB,
pCOM->pTBuffer[pCOM->pTBHeadOff++]);
    if(pCOM->pTBHeadOff==pCOM->nTBSize) pCOM->pTBHeadOff=0;
    nDataInBuf--;
    }
   }
   outportb(pCOM->Base+COM_MCR,  //發(fā)送禁止，接收使能
   (inportb(pCOM->Base+COM_MCR)&(~COM_MCR_RTS))|COM_MCR_DTR);
   break;
  }
 }
}

應(yīng)用情況
    應(yīng)用過程中，首先利用自編軟件對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行了測(cè)試。以EMM-8M-XT為例，試驗(yàn)流程分為三個(gè)步驟：?jiǎn)未诠ぷ鳌?串口同時(shí)工作→8串口同時(shí)工作。在測(cè)試8串口同時(shí)工作時(shí)，串口工作在RS232工作模式，將串口模塊直接與4臺(tái)工控機(jī)共8個(gè)串口相連，運(yùn)行自編軟件進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)的通信測(cè)試，并進(jìn)行收發(fā)計(jì)數(shù)，工控機(jī)和串口模塊各自顯示的收發(fā)計(jì)數(shù)是相等的，表明工作正常。同時(shí)在工控機(jī)上配接串口轉(zhuǎn)換器，對(duì)RS422、RS485工作模式也進(jìn)行了測(cè)試，得出的結(jié)果與RS232類似。
    在單個(gè)模塊調(diào)試成功的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了系統(tǒng)聯(lián)試，系統(tǒng)的詳細(xì)配置如圖1。仍使用工控機(jī)或PC機(jī)模擬外圍設(shè)備的方法，進(jìn)行通信試驗(yàn)。PC/104模塊的開發(fā)裝置配接了顯示器，屏顯每個(gè)串口的工作情況，本文測(cè)試了9個(gè)串口同時(shí)工作的情況，因?yàn)榇赑9用于程序更新，用戶程序通過該口寫入，沒有用于實(shí)時(shí)通信。如果P9不用于此功能，10個(gè)串口完全可以同時(shí)進(jìn)行通信。經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，多串口可以長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)穩(wěn)定進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而且各個(gè)串口可以設(shè)置為不同波特率進(jìn)行工作。
    除了大量的常溫測(cè)試外，還對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了溫度試驗(yàn)，模塊在高溫＋85℃工作和低溫-40℃啟動(dòng)工作均正常。
    多項(xiàng)試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)工作溫度范圍寬、抗干擾能力強(qiáng)，實(shí)時(shí)性好、可靠性高，適合用于無人機(jī)飛控系統(tǒng)及其他工業(yè)控制場(chǎng)合。

結(jié)語
    本文薪檣苡τ肞C/104模塊486DX和EMM-8M-XT實(shí)現(xiàn)多串口通訊擴(kuò)展設(shè)計(jì)的方法，已成功應(yīng)用于某型無人機(jī)飛控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)中。在后續(xù)研制工作中，稍作改動(dòng)，該設(shè)計(jì)方法還將用于開發(fā)飛控系統(tǒng)仿真平臺(tái)，替代使用臺(tái)式PC機(jī)仿真的傳統(tǒng)方案，可與飛控系統(tǒng)配套進(jìn)行仿真試驗(yàn)。
    這種串口擴(kuò)展設(shè)計(jì)方法易于掌握，構(gòu)建的系統(tǒng)工作穩(wěn)定，同時(shí)在功耗、體積、成本方面有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，為多串口通信的工程實(shí)現(xiàn)提供了重要參考。