高速RS-422串行通信接口板設(shè)計

李曉建，余維榮，張 霞，王向東，吳金才

（第二炮兵裝備研究院，北京100085）

RS-422串行通信方式以其傳輸距離遠、可靠性高、使用靈活等特點，目前仍被大量應用[1]。某型裝備測試時，為了實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷，需要對設(shè)備間12路通信速率為614.4 kb/s的RS-422串行通信接口進行實時的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存，而通用串行通信接口板的通信速率最高為128 kb/s，數(shù)據(jù)緩存能力差，不能滿足要求。本文設(shè)計了一種由異步串行通信控制器、嵌入式PC和雙端口RAM為主的高速RS-422串行通信接口板，通信速率高，數(shù)據(jù)緩存強，使用簡單。

1 總體方案

高速RS-422串行通信接口板總體方案如圖1所示。該接口板采用通用的異步串行通信控制器ST16C554D，其傳輸速度可以由輸入時鐘的頻率來控制，最高可以達到1.5 Mb/s，通過計算，本接口板采用9.830 4 MHz的晶振，可以達到614.4 kb/s通信速率，該控制器具有通用并行端口，可以把PC總線擴展為4個異步串行通信端口。選用高速全雙工422通信收發(fā)器MAX1490，其傳輸速度可以達到2.5 Mb/s，收發(fā)互不影響。為了實現(xiàn)高速實時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存，采用嵌入式PC對異步串行通信控制器ST16C554D進行讀寫操作，并把讀取的數(shù)據(jù)存入雙端口RAM[2]。數(shù)據(jù)接收完畢后，主控PC通過PC104總線對雙端口RAM進行讀寫操作，讀出數(shù)據(jù)并存儲在數(shù)據(jù)文件中，既充分發(fā)揮了主控PC的多任務處理能力，又不會對高速數(shù)據(jù)通信產(chǎn)生影響。

2 硬件設(shè)計

2.1 嵌入式PC對異步串行通信控制器的讀寫控制

采用嵌入式PC完成串行通信任務，其任務單一，可以保證數(shù)據(jù)的實時收發(fā)[3]。如圖2所示，本接口板嵌入式PC采用德國控創(chuàng)公司的DIMM-PC/520-I，由133 MHz的高性能CPU、32 MB內(nèi)存、32 MB板載電子盤、標準ISA總線接口等組成[4]。由于異步串行通信控制器ST16C554D具有并行PC總線接口，可以直接和DIMM-PC的ISA總線相連接。DIMM-PC與ST16C554D的連接方式為IO映射，即ST16C554D作為外部器件，其讀寫控制由IO讀寫信號決定。

ST16C554D的傳輸速度由外接晶振的頻率進行調(diào)節(jié)，傳輸速率為外接晶振的 1/16、1/32、…、1/256，可由軟件對寄存器進行設(shè)置。ST16C554D擴展了4個標準串行接口，由DIMM-PC的地址線A3～A9經(jīng)GAL譯碼后進行選擇；每個串行接口有多個寄存器，由DIMM-PC的地址線A0～A2進行選擇。

2.2 嵌入式PC對雙端口RAM的讀寫控制

采用大容量雙端口RAM主要是為了數(shù)據(jù)的緩沖和中繼傳輸。雙端口RAM器件IDT7006以內(nèi)存映射方式與DIMM-PC相連，如圖3所示。其數(shù)據(jù)線D0～D7和地址線A0～A13與 DIMM-PC的數(shù)據(jù)線 D0～D7和地址線 A0～A13直接連接。內(nèi)存映射時，雙端口RAM的讀寫信號由DIMM-PC的內(nèi)存讀寫控制信號-SMEMR和-SMEMW控制，這樣當DIMM-PC訪問IO端口時，不會因地址相同而產(chǎn)生沖突，同時提高了尋址能力。由于DIMM-PC的基本640 KB內(nèi)存空間是公用的，很多程序都訪問這個區(qū)間，不能把地址映射到這個區(qū)域，而1 MB以上的區(qū)間為擴展內(nèi)存時 （加內(nèi)存條）使用的，也不能任意使用，在640 KB～1 MB之間有很多空閑區(qū)間，可以供擴展板卡進行內(nèi)存映射時使用。本接口板使用0E0000H～0EFFFFH區(qū)間（32 KB）。

2.3 PC104總線對雙端口RAM的讀寫控制

雙端口RAM IDT7006以內(nèi)存映射方式與PC104總線相連，原理如圖4所示。其數(shù)據(jù)線D0～D7和地址線A0～A13與 PC104總線的數(shù)據(jù)線 D0～D7和地址線 A0～A13直接連接。同樣原因，內(nèi)存映射時，雙端口RAM的讀寫信號由PC104總線的內(nèi)存讀寫控制信號-SMEMR和-SMEMW控制。主控PC對本接口板訪問時，本接口板雖然在硬件上獨立于主控PC，但主控PC可以把本接口板作為其內(nèi)存的一段來進行讀寫操作，這樣就方便了程序的設(shè)計。本接口板映射的地址也在主控PC內(nèi)存640 KB～1 MB之間，具體地址因主控PC型號的不同而有所區(qū)別，可以編程控制。

主控PC和嵌入式PC通過雙端口RAM進行數(shù)據(jù)交換，同時對雙端口RAM進行讀寫操作，在控制邏輯上要避免發(fā)生沖突，又要保證信號時序的正確。應該充分利用雙端口RAM器件本身的接口資源和狀態(tài)信號，保證譯碼的正確有效，在軟件設(shè)計時保證不同時對一個內(nèi)存單元進行寫操作；另外，采用專用的可編程邏輯芯片替代傳統(tǒng)的邏輯門電路組合，提高了譯碼的速度、準確度和可靠性，減小了電路規(guī)模。

2.4 RS-422端口驅(qū)動與收發(fā)

異步串行通信控制器ST16C554D擴展了4個標準串行接口。在進行RS-422方式通信時可以只使用每個接口的TX和RX端，采用隔離RS-422收發(fā)器MAX1490進行端口驅(qū)動與收發(fā)，如圖5所示。

MAX1490把TTL電平的串行通信轉(zhuǎn)換為RS-422電平方式且相互隔離，可避免系統(tǒng)間干擾和瞬間高壓損傷。MAX1490的輸入端DI是其內(nèi)部光耦的輸入端，需要一定的驅(qū)動電流，但ST16C554D的輸出驅(qū)動能低，因此增加了74HC86門電路進行驅(qū)動；MAX1490的輸出端DO是集電極開路(OC)輸出，應在此端接一個上拉電阻，并用門電路74HC86把電平調(diào)理成標準的TTL電平后再由ST16C554D接收。MAX1490的422方式輸入輸出端（TX+，TX-，RX+，RX-）可以直接與其他系統(tǒng)按 RS-422通信協(xié)議進行通信。

3 嵌入式 PC主程序結(jié)構(gòu)

嵌入式PC的主程序結(jié)構(gòu)如圖6所示，其中有兩個重要組成部分，分別是異步串行通信控制器的采集程序和雙端口RAM間的控制程序。嵌入式PC與異步串行通信控制器間以IO映射的方式進行連接，控制方式比較簡單，只需要按照寄存器結(jié)構(gòu)進行設(shè)置和讀寫操作即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，在此不進行過多闡述，僅對雙端口RAM的控制程序進行詳細說明。

雙端口RAM首字節(jié)的數(shù)據(jù)用于傳遞命令和狀態(tài)字，數(shù)據(jù)含義如表1所示。

雙端口RAM在嵌入式PC的內(nèi)存映射地址為E0000。初始化設(shè)置模塊對接口板各串口進行初始化，執(zhí)行自檢程序，測試內(nèi)存和串口狀態(tài)。把測試結(jié)果寫在雙端口 RAM的 E0000位置，55H(或 66H或 77H或 88H)表示串口 1(或串口 2或串口 3或串口 4)自檢錯誤；EEH表示內(nèi)存自檢錯誤；FFH表示自檢正常；00H表示主機軟件的重啟動命令，主要用于主機非正常重啟時，強制嵌入式 PC主程序放棄已采集數(shù)據(jù)，重新初始化設(shè)置，等待采集命令；99H表示主機軟件的采集命令。

用戶軟件通過查看狀態(tài)標識位，與接口板上嵌入式PC的DRAM交換數(shù)據(jù)。用戶軟件發(fā)送轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)命令，即修改 E0000為 AAH(或 BBH或 CCH或 DDH)，接口板程序?qū)⒋?(或串口2或串口3或串口4)接收的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移至E00005以后的地址中，并回復命令，即將E0000修改為11H（或 22H或 33H或 44H），表明串口 1(或串口 2或串口3或串口4)的數(shù)據(jù)準備好，用戶軟件可以讀取。轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)長度寫在E0002和E0003地址中。所選擇串口是否還有未轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)標志寫在E0004地址中(11H有，00H無)。

表1 雙端口RAM首字節(jié)的數(shù)據(jù)含義

4 應用結(jié)果

為形成對12路高速串行通信數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)存能力，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中使用了3塊按照上述軟硬件設(shè)計方法所設(shè)計的接口板，應用結(jié)果表明，各串行通信接口板運行正常，數(shù)據(jù)接收與存儲能力達到了預期目標，對系統(tǒng)資源的占用少。

本文所提出的高速串行通信接口板設(shè)計方法應用了嵌入式PC，形成了專門處理數(shù)據(jù)的核心，提高了數(shù)據(jù)傳輸速率，對外部CPU和總線的要求寬松；同時，可以在硬件電路不變的情況下，通過修改軟件協(xié)議，即修改雙端口RAM的讀寫控制程序，實現(xiàn)全雙工高速串行通信。

[1]孫淵，王仕成，閔海波，等.RS422高速串行通信在 AT91-RM9200 上的實現(xiàn)[J].彈箭與制導學報，2008，28（1）：329-332.

[2]李正軍.計算機測控系統(tǒng)設(shè)計與應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004：127-132.

[3]胡宏偉，宋斌，趙秀娟.基于 CPLD和 DIMM-PC微處理器模塊的圖像采集處理系統(tǒng)設(shè)計[J].光電技術(shù)應用，2006，21(5)：61-66.

[4]Kontron embedded computers AG.DIMM-PC/520-I user’s guide[S].2003