基于异步通信单元芯片实现嵌入式扩展通信板的设计
作者：徐惠钢，薄煜明
1 引言
PC/104嵌入式控制PC出现于80年代末，并于 1992年形成IEEEP966.1标准。它一方面继承了所有的PC资源，另一方面又对PC机的结构、体积、功耗、可靠性等方面重新优化设计，使它与IBM PC完全兼容，并具有了体积小、功耗低、工作温度宽、可靠性高等特点。PC/104嵌入式控制PC采用了独特的“自栈式”总线连接，模块化结构，使用起来灵活方便。它所采用的面向对象的硬件设计方法使得在PC/104标准上开发的扩展模块具有更强的通用性和更长的生命期。正因为具有了这么多的优点，PC/104被越来越多地使用于各种嵌入式系统中，特别是在一些可靠性要求高而工作环境又比较恶劣的地方，比如军事指挥系统、武器控制系统或工业控制系统中的应用。在这些系统中往往不是单个计算机的控制，而是多个计算机组成通信网络共同完成控制作用，因此，对于每一个嵌入式计算机除了连接必需的外设之外，还需要考虑计算机之间的通信。计算机间最常用的通信方式是利用串行口来实现的，所以在设计这些控制系统的时候，常常面临串行口资源短缺的问题。
同台式PC机一样，PC/104嵌入式控制PC一般也提供两个RS-232串行口，常用的串行通信有RS-232和RS-485两种。RS-232主要用于点对点通信，特别是通过MODEM进行远距离的两点之间的通信；RS-485主要用于多机通信，采用平衡差分电路双线传输，总线连接的方式，距离在1km以内时最大速率是100kbps，允许并联32台驱动器和32台接收器以半双工方式工作。PC/104所提供的两个串行口资源在很多情况下会不够用，因为使用串行口的外设的数量和种类在增加，而且串行口的功能也在扩展，比如有些PC/104可将接到串行口的设备作为系统控制台使用，它们都要占用宝贵的串行口资源；此外，随着计算机之间通信需求的增加，在多机通信或需要采用多种通信方式的系统中，串行口资源就不够用了。另外，在一些PC/ 104中两个串口的地址往往是不能改变的，这给使用带来不便； PC/104也不提供RS-442或RS-485串行口，在需要利用RS-485总线实现多机通信时就必须另外配备RS-232到RS-485的转换器。对于这些困难，最好的解决方法就是按照PC/104标准开发嵌入式扩展通信板。
本设计是根据实际系统的需求开发的，为了在有限的空间中提供尽可能多的功能并保证电路的可靠性，设计中利用了高集成度的异步通信单元芯片，外围控制电路由可编程逻辑器件实现，接口按照PC/104标准设计。板上提供两个RS-232串行口和两个RS-485串行口，串行口地址和中断请求号可由用户选择。设计中也考虑了扩展通信板的通用性，所设计的通信板符合PC/104标准，支持即插即用功能，用户可根据系统资源条件和实际需要设置串行口地址和中断请求号，因此本设计可作为开发PC/104标准嵌入式串口通信板的参考。另外，在本设计中RS-485串行口的硬件电路中有一个独特的结构，结合通信协议，可实现信号极性的自动设别和转换。
2 通信板的设计方法
2.1 总体结构
本设计的总体原理如图1所示。图中PC/104总线是兼容于PC/AT的ISA总线，设计中使用了8位数据信号D 0～D7，它们通过数据缓冲电路连接异步通信单元；10根地址线A0～A9，读写控制信号 IOR、IOW，地址使能信号AEN和复位信号RESET，这些信号同地址选择电路以及PLD电路中设计的逻辑电路一起完成串行口的地址选择和各种逻辑控制，对每一个串口的内部寄存器的操作由地址的低三位A 0、A1、A2选择确定；利用中断号选择电路结合PLD电路内部逻辑提供了IRQ3、4、5、7、9、10、11、15八个中断请求号供选择。
异步通信单元使用TI公司的TL16C554，它包含了四个异步收发单元，每一个都与16550兼容，加上电平转换电路就可构成一个串行口。
RS-232电平转换电路采用MAX213，它提供了五路232到TTL电平的转换和四路TTL到232电平的转换，一片MAX213就可实现完整的RS-232接口功能。
RS-485电平转换电路采用SN75176，它提供了 485标准电平与TTL电平之间的转换，接收和发送部分可单独控制。
数据缓冲由74HC245承担，其传输方向由主机 IOR信号控制，片选信号由PLD产生。
地址选择电路提供给用户设置串行口地址，通过短路块将地址的高四位A6～A9置0或置1实现地址的设定。
2.2 异步通信单元
TL16C554是TI公司的产品，集成度高，性能稳定，其内部包含了四个可独立操作的可编程异步收发单元16C550，它们共用了数据线D 7～D0、内部寄存器地址线A2 ～A0、读写信号线IOR和IOW、DMA读写控制TXRDY和RXRDY、复位RESET、时钟XTL1和XTL2。每个收发单元都有自己的片选信号CS、中断请求INT、数据输出TX、数据输入RX及MODEM逻辑控制信号CTS、DCD、DSR、 DTR、RI、RTS。其内部功能模块如图2所示。
每一个内部的异步收发单元都等同于一个 16550，它向下兼容16450，包含了16字节的先进先出寄存器，从而减少了对CPU的中断次数。可编程设定的波特率最大可达1Mbps，接口的字符结构可由用户选择，自动完成起始位、停止位、奇偶校验位的加入和删除，具有可程序化中断控制和完整的MODEM控制逻辑功能。
2.3 PLD电路
考虑到104标准的尺寸限制，设计中应尽量采用紧凑的结构，因此用PLD电路来产生异步通信单元、数据缓冲电路的控制信号，还利用此电路实现 485连接时信号极性的自动转换。PLD电路采用了ALTERA公司的EPM7064，它包含了4个逻辑阵列块，64个宏单元，有1250个逻辑门可供使用。开发工具使用MAX+PLUSⅡ。
PLD电路主要完成以下功能：
（1）每一个异步收发单元的选择。利用八根地址信号A9～A3和读写控制信号IOR、IOW之间的逻辑关系产生片选信号，其中A9～A6 位地址信号同地址选择电路的信号一起先送到一个4位比较器中进行地址比较，地址选择电路可由用户设定，这样，通过改变地址选择电路中的短路块就改变了相应位的地址，从而增加了用户对地址的选择范围和使用的灵活性。
（2）双向数据缓冲器的片选。利用A 9～A6和读写控制信号产生。
（3）485信号极性选择。485采用总线方式连接，利用差分方式传输，两根连接线之间的信号正负极性不同，使用时必须使同极性端相连。
当节点之间比较远或者使用者并不清楚信号线的极性关系时往往不能保证正确接线，需要多次改变接线和调试，因此我们设计了极性的自动转换电路以方便嵌入式系统使用。基本思路是这样的，设置一个电子开关，在通信初始化期间由主机发一个固定的测试信号，如果从机发现接收到的信号不对，就自动切换电子开关换向，如果接收到的测试信号正确就保持原来的连接。电子开关由异或门充当，它可以反转或保持发送和接收的信号，即当输入端中的一个信号置1时就可使另一个输入信号在输出端反相，而当将其置0时输出信号保持不变。电子开关的控制由D触发器实现，在初始化期间从机根据所接收信号的正误，选通D触发器，产生合适的控制电平，实现电子开关的控制。其逻辑原理如图3所示。
2.4 RS-485接口电路
当计算机利用RS-485总线方式通信，在进行系统连接时，需要在拓扑结构最远端的两个计算机的RS-485接口上加匹配电阻以消除信号的反射，还需要给信号传输线加一个固定的偏置电压以增加抗干扰能力。为了提高电路的通用性，方便嵌入式系统的使用，RS-485接口电路设计如图4。图中R 1＝120Ω，R2=R3 =560Ω，在进行总线连接时就可以根据需要设置不同节点的计算机的RS-485 接口电路。
