基于雙向透明串口擴展技術的多參數(shù)監(jiān)護儀設計方案

嵌入式多參數(shù)監(jiān)護儀系統(tǒng)中一般包括多個獨立的硬件采集模塊，每個硬件采集模塊分別完成對人體的心電、呼吸率、體溫、血壓和血氧飽和度等生理參數(shù)的采集，并通過其串口接收HOST端的控制信息，定時向HOST端發(fā)送采集數(shù)據(jù)。

本嵌入式多參數(shù)監(jiān)護儀HOST端使用AT91RM9200處理器，該處理器具有4個通用同步/異步接收/發(fā)送器（USART），其中一個是DEBUG串口,但它們都是分時復用的。為了使HOST端更好地與各采集模塊進行通信，必須解決其串口擴展的問題。

目前比較通用的串口擴展方案主要有2種。一種通過硬件實現(xiàn)，使用多串口ARM/MCU或?qū)Ｓ么跀U展芯片，可供選擇的串口擴展芯片有TI公司開發(fā)的 16C55X系列串口擴展芯片和國騰公司開發(fā)的GM812X系列串口擴展芯片等。TI公司的16C55X系列芯片通過并行口擴展串行口，功能比較強大、通信速度高，但控制復雜，同時價格較高，主要應用于PC機串口擴展。另一種串口擴展方案通過軟件實現(xiàn)，但用軟件模擬串口存在缺點：(1)采樣次數(shù)低，一般只能做到2次/bit，這樣，數(shù)據(jù)的正確性就難以保證；(2)不能實現(xiàn)高波特率通信，軟件模擬串口一般不能實現(xiàn)高于4 800 b/s的波特率。

不管是采用硬件還是軟件方案，大多數(shù)串口擴展產(chǎn)品幾乎都是單向傳輸，不夠透明化[4-7]。本文根據(jù)參與的多參數(shù)監(jiān)護儀項目的需要，提出一種雙向透明的串口擴展設計方案，并通過了實驗驗證。

1 硬件設計

1.1 串口擴展模塊拓撲圖

在設計中，串口擴展模塊可以外接4個用戶設備，每個用戶設備都可以在與HOST端進行雙向數(shù)據(jù)傳輸，采用分時復用技術，即在任一時刻，最多僅有一個串口與HOST端連接，串口擴展模塊負責4個通道的切換/選擇。雙方通過硬件和軟件機制進行仲裁。如圖1所示。

1.2 硬件設計方案

串口擴展模塊主要由2部分組成：單片機AT89C2051及模擬開關CD4052、雙4通道模擬開關。

串口擴展模塊拓撲結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，其中虛線框內(nèi)為串口擴展模塊的主要部分。

2 通信協(xié)議設計

2.1數(shù)據(jù)由用戶設備發(fā)送到HOST端

由于各模塊是分時復用的，為了避免用戶設備之間發(fā)生競爭，需要AT89C2051對4個用戶設備通道進行仲裁，本文采用以下方案。

4個用戶設備各用一根I/O口線分別與AT89C2051的P1.0～P1.3引腳相連，同時還與一個4輸入或非門相連，將某根或某幾根I/O口線置高電平并經(jīng)過該4輸入或非門來觸發(fā)中斷，通知AT89C2051有用戶設備請求向HOST終端發(fā)送數(shù)據(jù)，同時AT89C2051進行用戶設備號查詢。AT89C2051收到請求信號后，首先判斷 HOST端與其他用戶設備之間的數(shù)據(jù)發(fā)送是否結(jié)束，若結(jié)束，則根據(jù)仲裁機制通過與各用戶設備相連的P1.4～P1.7引腳置高給出應答響應信號，同時 AT89C2051根據(jù)中斷查詢到的用戶設備號對P3.4和P3.5引腳進行設置來控制CD4052模擬開關選通對應通道，用戶設備收到應答響應信號后就開始發(fā)送數(shù)據(jù)；若未結(jié)束，則屏蔽此次中斷，直到數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束才開中斷。用戶設備數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束時則將通過一個4輸入或非門來觸發(fā)中斷，通知AT89C2051此次數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束。在響應數(shù)據(jù)發(fā)送請求時會涉及到多個用戶設備請求，從而需要AT89C2051進行仲裁。仲裁機制如下：心電和血氧模塊是50 ms定時發(fā)送數(shù)據(jù)，而血壓模塊需要HOST端發(fā)來啟動測量命令后才向HOST端發(fā)送血壓數(shù)據(jù)，因此需要將血壓模塊發(fā)送數(shù)據(jù)的請求設置為較高優(yōu)先級，才能保證血壓數(shù)據(jù)正確及時地發(fā)送到HOST端，而心電和血氧模塊設置為低優(yōu)先級輪流發(fā)送。

2.2數(shù)據(jù)由HOST端發(fā)送到用戶設備

為了使HOST端的數(shù)據(jù)能夠及時準確地發(fā)送到各個用戶設備，就需要和AT89C2051之間定義好通信協(xié)議。其協(xié)議如下。

AT89C2051始終監(jiān)視HOST終端發(fā)出的信息，一旦收到HOST終端發(fā)出的串口選擇命令，如表1所示，立即對P3.4和P3.5引腳進行設置來控制 CD4052模擬開關選通對應通道并控制相應的LED燈以作指示。串口選擇后， HOST終端需要根據(jù)AT89C2051指令執(zhí)行和模擬開關切換時間延遲一定時間后再開始向?qū)脩粼O備發(fā)送數(shù)據(jù)/命令。HOST端數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束則由接收端的用戶設備向AT89C2051發(fā)送中斷結(jié)束信號，其結(jié)束處理與數(shù)據(jù)由用戶設備發(fā)送到HOST端的結(jié)束處理相同。如果同時有用戶設備向 AT89C2051請求發(fā)送數(shù)據(jù)到HOST端，則優(yōu)先響應HOST端的發(fā)送數(shù)據(jù)/命令請求，即HOST端的發(fā)送數(shù)據(jù)/命令請求的優(yōu)先級最高。

本文在設計中將HOST端的TXD引腳連接到AT89C2051的RXD引腳，這樣就可以通過AT89C2051的串口接收中斷和HOST端通信， HOST端發(fā)送數(shù)據(jù)/命令時首先發(fā)送串口選擇命令字，其次再發(fā)送數(shù)據(jù)/命令去控制用戶設備的數(shù)據(jù)采集，例如增益大小、是否啟動血壓測量等命令。

3 軟件設計

軟件設計分為主函數(shù)、串口中斷服務程序、外部中斷0和1服務程序4個部分，如圖3所示。

在很多場合需要進行串口擴展以滿足系統(tǒng)集成多個串口設備，擴展方法很多，各有優(yōu)缺點。本文提出的用單片機AT89C2051為AT91RM9200擴展串口的方案是基于單片機價格低廉、體積小，完全可以替代一般的專用接口芯片，作為真正意義上的可編程接口，實現(xiàn)雙向通信，使串口擴展模塊變得透明。這種方案使用靈活，與一般接口芯片相比對外部用戶設備具有更好的適用性，經(jīng)實驗驗證達到了設計目標。將單片機等同于普通接口芯片使用，是一種新思路，具有一定的啟迪作用和實際參考價值。

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