摘要：PC/104標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)正被越來(lái)越多地使用于各種嵌入式控制系統(tǒng)中。在這些系統(tǒng)中，PC/104計(jì)算機(jī)的串行口往往既要用來(lái)連接必要的外圍設(shè)備又要通過它實(shí)現(xiàn)各部分之間的通信。PC/104所提供的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)RS-232串行口一般不能滿足控制系統(tǒng)的需求，因此需要開發(fā)擴(kuò)展通信板。本文介紹了利用 TL16C554和PLD電路設(shè)計(jì)四串口通信板的方法，電路板結(jié)構(gòu)緊湊，兼容性好，能實(shí)現(xiàn)RS-232和RS-485通信，RS-485通信還具有自動(dòng)識(shí)別信號(hào)極性的功能。
1 引言
PC/104嵌入式控制PC出現(xiàn)于八十年代末，并于1992年形成IEEEP966.1標(biāo)準(zhǔn)。它一方面繼承了所有的PC資源，另一方面又對(duì)PC機(jī)的結(jié)構(gòu)、體積、功耗、可靠性等方面重新優(yōu)化設(shè)計(jì)，使它與IBM PC完全兼容，并具有了體積小、功耗低、工作溫度寬、可靠性高等特點(diǎn)。PC/104嵌入式控制PC采用了獨(dú)特的"自棧式"總線連接，模塊化結(jié)構(gòu)，使用起來(lái)靈活方便。它所采用的面向?qū)ο蟮挠布O(shè)計(jì)方法使得在PC/104標(biāo)準(zhǔn)上開發(fā)的擴(kuò)展模塊具有更強(qiáng)的通用性和更長(zhǎng)的生命期。正因?yàn)榫哂辛诉@么多的優(yōu)點(diǎn)， PC/104被越來(lái)越多地使用于各種嵌入式系統(tǒng)中，特別是在一些可靠性要求高而工作環(huán)境又比較惡劣的地方，比如軍事指揮系統(tǒng)、武器控制系統(tǒng)或工業(yè)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。在這些系統(tǒng)中往往不是單個(gè)計(jì)算機(jī)的控制，而是多個(gè)計(jì)算機(jī)組成通信網(wǎng)絡(luò)共同完成控制作用，因此，對(duì)于每一個(gè)嵌入式計(jì)算機(jī)除了連接必需的外設(shè)之外，還需要考慮計(jì)算機(jī)之間的通信。計(jì)算機(jī)間最常用的通信方式是利用串行口來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以在設(shè)計(jì)這些控制系統(tǒng)的時(shí)候，我們常常會(huì)面臨串行口資源短缺的問題。
同臺(tái)式PC機(jī)一樣，PC/104嵌入式控制PC一般也提供兩個(gè)RS-232串行口，常用的串行通信有RS-232和RS-485兩種。RS-232主要用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，特別是通過MODEM進(jìn)行遠(yuǎn)距離的兩點(diǎn)之間的通信；RS-485主要用于多機(jī)通信，采用平衡差分電路雙線傳輸，總線連接的方式，距離在 1km以內(nèi)時(shí)最大速率是100kbps，允許并聯(lián)32臺(tái)驅(qū)動(dòng)器和32臺(tái)接收器以半雙工方式工作。PC/104所提供的兩個(gè)串行口資源在很多情況下會(huì)不夠用，這是因?yàn)椋菏褂么锌诘耐庠O(shè)的數(shù)量和種類在增加，而且串行口的功能也在擴(kuò)展，比如有些PC/104可將接到串行口的設(shè)備作為系統(tǒng)控制臺(tái)使用，它們都要占用寶貴的串行口資源；此外，隨著計(jì)算機(jī)之間通信需求的增加，在多機(jī)通信或需要采用多種通信方式的系統(tǒng)中，串行口資源就不夠用了。另外，在一些 PC/104中兩個(gè)串口的地址往往是不能改變的，這給使用帶來(lái)不便； PC/104也不提供RS-442或RS-485串行口，在需要利用RS-485總線實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信時(shí)就必須另外配備RS-232到RS-485的轉(zhuǎn)換器。對(duì)于這些困難，最好的解決方法就是按照PC/104標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)嵌入式擴(kuò)展通信板。
本設(shè)計(jì)是根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的需求開發(fā)的，為了在有限的空間中提供盡可能多的功能并保證電路的可靠性，設(shè)計(jì)中利用了高集成度的異步通信單元芯片，外圍控制電路由可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)，接口按照PC/104標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。板上提供兩個(gè)RS-232串行口和兩個(gè)RS-485串行口，串行口地址和中斷請(qǐng)求號(hào)可由用戶選擇。設(shè)計(jì)中也考慮了擴(kuò)展通信板的通用性，所設(shè)計(jì)的通信板符合PC/104標(biāo)準(zhǔn)，支持即插即用功能，用戶可根據(jù)系統(tǒng)資源條件和實(shí)際需要設(shè)置串行口地址和中斷請(qǐng)求號(hào)，因此本設(shè)計(jì)可作為開發(fā)PC/104標(biāo)準(zhǔn)嵌入式串口通信板的參考。另外，在本設(shè)計(jì)中RS-485串行口的硬件電路中有一個(gè)獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，結(jié)合通信協(xié)議,可實(shí)現(xiàn)信號(hào)極性的自動(dòng)設(shè)別和轉(zhuǎn)換。
2 通信板的設(shè)計(jì)方法
2.1 總體結(jié)構(gòu)
本設(shè)計(jì)的總體原理如圖1所示。圖中PC/104總線是兼容于PC/AT的ISA總線，設(shè)計(jì)中使用了8位數(shù)據(jù)信號(hào)D0～D7，它們通過數(shù)據(jù)緩沖電路連接異步通信單元；10根地址線A0～A9，讀寫控制信號(hào)IOR、IOW，地址使能信號(hào)AEN和復(fù)位信號(hào)RESET，這些信號(hào)同地址選擇電路以及PLD電路中設(shè)計(jì)的邏輯電路一起完成串行口的地址選擇和各種邏輯控制，對(duì)每一個(gè)串口的內(nèi)部寄存器的操作由地址的低三位A0、A1、A2選擇確定；利用中斷號(hào)選擇電路結(jié)合 PLD電路內(nèi)部邏輯提供了IRQ3、4、5、7、9、10、11、15八個(gè)中斷請(qǐng)求號(hào)供選擇。
圖1 總結(jié)構(gòu)原理圖
異步通信單元使用TI公司的TL16C554，它包含了四個(gè)異步收發(fā)單元，每一個(gè)都與16550兼容，加上電平轉(zhuǎn)換電路就可構(gòu)成一個(gè)串行口。
RS-232電平轉(zhuǎn)換電路采用MAX213，它提供了五路232到TTL電平的轉(zhuǎn)換和四路TTL到232電平的轉(zhuǎn)換，一片MAX213就可實(shí)現(xiàn)完整的RS-232接口功能。
RS-485電平轉(zhuǎn)換電路采用SN75176，它提供了485標(biāo)準(zhǔn)電平與TTL電平之間的轉(zhuǎn)換，接收和發(fā)送部分可單獨(dú)控制。
數(shù)據(jù)緩沖由74HC245承擔(dān)，其傳輸方向由主機(jī)IOR信號(hào)控制，片選信號(hào)由PLD產(chǎn)生。
地址選擇電路提供給用戶設(shè)置串行口地址，通過短路塊將地址的高四位A6～A9置0或置1實(shí)現(xiàn)地址的設(shè)定。
2.2 異步通信單元
TL16C554是TI公司的產(chǎn)品，集成度高，性能穩(wěn)定。其內(nèi)部包含了四個(gè)可獨(dú)立操作的可編程異步收發(fā)單元16C550，它們共用了數(shù)據(jù)線D7～D0、內(nèi)部寄存器地址線A2～A0、讀寫信號(hào)線IOR和IOW、DMA讀寫控制TXRDY和RXRDY、復(fù)位RESET、時(shí)鐘XTL1和XTL2。每個(gè)收發(fā)單元都有自己的片選信號(hào)CS、中斷請(qǐng)求INT、數(shù)據(jù)輸出TX、數(shù)據(jù)輸入RX及MODEM邏輯控制信號(hào)CTS、DCD、DSR、DTR、RI、RTS。其內(nèi)部功能模塊如圖2所示。
每一個(gè)內(nèi)部的異步收發(fā)單元都等同于一個(gè)16550，它向下兼容16450，包含了16字節(jié)的先進(jìn)先出寄存器，從而減少了對(duì)CPU的中斷次數(shù)�？删幊淘O(shè)定的波特率最大可達(dá)1Mbps，接口的字符結(jié)構(gòu)可由用戶選擇，自動(dòng)完成起始位、停止位、奇偶校驗(yàn)位的加入和刪除，具有可程序化中斷控制和完整的MODEM控制邏輯功能。
圖2 TL16C554結(jié)構(gòu)原理圖
2.3 PLD電路
考慮到104標(biāo)準(zhǔn)的尺寸限制，設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量采用緊湊的結(jié)構(gòu)，因此用PLD電路來(lái)產(chǎn)生異步通信單元、數(shù)據(jù)緩沖電路的控制信號(hào)，還利用此電路實(shí)現(xiàn)485連接時(shí)信號(hào)極性的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。PLD電路采用了ALTERA公司的EPM7064，它包含了4個(gè)邏輯陣列塊，64個(gè)宏單元，有1250個(gè)邏輯門可供使用。開發(fā)工具使用MAX+PLUSⅡ。
PLD電路主要完成以下功能：
（1）每一個(gè)異步收發(fā)單元的選擇。利用八根地址信號(hào)A9～A3和讀寫控制信號(hào)IOR、IOW之間的邏輯關(guān)系產(chǎn)生片選信號(hào)，其中A9～A6位地址信號(hào)同地址選擇電路的信號(hào)一起先送到一個(gè)4位比較器中進(jìn)行地址比較，地址選擇電路可由用戶設(shè)定，這樣，通過改變地址選擇電路中的短路快就改變了相應(yīng)位的地址，從而增加了用戶對(duì)地址的選擇范圍和使用的靈活性。
（2）雙向數(shù)據(jù)緩沖器的片選。利用A9～A6和讀寫控制信號(hào)產(chǎn)生。
（3）485信號(hào)極性選擇。485采用總線方式連接，利用差分方式傳輸，兩根連接線之間的信號(hào)正負(fù)極性不同，使用時(shí)必須使同極性端相連。
當(dāng)節(jié)點(diǎn)之間比較遠(yuǎn)或者使用者并不清楚信號(hào)線的極性關(guān)系時(shí)往往不能保證正確接線，需要多次改變接線和調(diào)試，因此我們?cè)O(shè)計(jì)了極性的自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路以方便嵌入式系統(tǒng)使用�；舅悸肥沁@樣的，設(shè)置一個(gè)電子開關(guān)，在通信初始化期間由主機(jī)發(fā)一個(gè)固定的測(cè)試信號(hào)，如果從機(jī)發(fā)現(xiàn)接收到的信號(hào)不對(duì)，就自動(dòng)切換電子開關(guān)換向，如果接收到的測(cè)試信號(hào)正確就保持原來(lái)的連接。電子開關(guān)由異或門充當(dāng)，它可以反轉(zhuǎn)或保持發(fā)送和接收的信號(hào)，即當(dāng)輸入端中的一個(gè)信號(hào)置1時(shí)就可使另一個(gè)輸入信號(hào)在輸出端反相，而當(dāng)將其置0時(shí)輸出信號(hào)保持不變。電子開關(guān)的控制由D觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)，在初始化期間從機(jī)根據(jù)所接收信號(hào)的正誤，選通D觸發(fā)器，產(chǎn)生合適的控制電平，實(shí)現(xiàn)電子開關(guān)的控制。其邏輯原理如圖3所示。
圖3 極性識(shí)別邏輯原理圖
2.4 RS-485接口電路
當(dāng)計(jì)算機(jī)利用RS-485總線方式通信，在進(jìn)行系統(tǒng)連接時(shí)我們需要在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最遠(yuǎn)端的兩個(gè)計(jì)算機(jī)的RS-485接口上加匹配電阻以消除信號(hào)的反射，還需要給信號(hào)傳輸線加一個(gè)固定的偏置電壓以增加抗干擾能力。為了提高電路的通用性，方便嵌入式系統(tǒng)的使用，RS-485接口電路設(shè)計(jì)如圖4。圖中R1＝ 120Ω，R2=R3=560Ω，在進(jìn)行總線連接時(shí)就可以根據(jù)需要設(shè)置不同節(jié)點(diǎn)的計(jì)算機(jī)的RS-485接口電路。
圖4 RS-485接口電路
3 結(jié)語(yǔ)
本設(shè)計(jì)中因?yàn)楦呒啥鹊拇锌诋惒绞瞻l(fā)芯片和PLD電路的使用提升了電路的性能，所制作的印刷電路板結(jié)構(gòu)緊湊，抗干擾性好，在幾種不同型號(hào)的PC/104標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)機(jī)上使用時(shí)表現(xiàn)出了良好的兼容性和穩(wěn)定性。
