嵌入式系統(tǒng)中擴(kuò)展串行口的幾種方法

引言
    串行接口設(shè)備憑借其控制靈活、接口簡單、占用系統(tǒng)資源少等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、家庭安防、GPS衛(wèi)星定位導(dǎo)航以及水、電、氣表的抄表等領(lǐng)域。在這些嵌入式系統(tǒng)中，可能會有很多從設(shè)備都通過串行接口與主機(jī)進(jìn)行通信，如GPRS MODEM、紅外發(fā)送和接收模塊、RS485總線接口等。這使得開發(fā)人員常常面臨嵌入式系統(tǒng)中主機(jī)串行通信接口不足的問題，針對此問題，本文介紹了幾種常見的解決方法。
    
軟件模擬法
    軟件模擬法可根據(jù)串行通訊的傳送格式，利用定時器和主機(jī)的I/O口來模擬串行通訊的時序，以達(dá)到擴(kuò)展串口的目的。

    接收過程中需要檢測起始位，這可以使用查詢方式，或者，在端口具有中斷功能的主機(jī)中也可以使用端口的中斷進(jìn)行處理。接收和發(fā)送過程中，對定時的處理既可以使用查詢方式也可以使用定時器中斷方式。為了確保數(shù)據(jù)的正確性，在接收過程中可以在檢測異步傳輸?shù)钠鹗夹盘柼幖由弦恍┓栏蓴_處理，在接收每個位時可以采用多次采樣。
　　
利用并口轉(zhuǎn)串口擴(kuò)展串行口 
基于Intel8251的串行口擴(kuò)展
    Intel8251是一種通用的同步/異步發(fā)送器(USART)，它的工作方式可以通過編程設(shè)置，并具有獨立的接收/發(fā)送器。能以同步或異步串行通信方式工作，自動完成幀格式，具有奇、偶校驗和錯誤檢測電路。

基于TL16C554的串行口擴(kuò)展
    TL16C554是TI公司生產(chǎn)的4通道異步收發(fā)器集成芯片。對TL16C554串行通道的控制，是通過對控制寄存器LCR、IER、DLL、DLM、MCR和FCR編程來實現(xiàn)的。這些控制字決定字符長度、停止位的個數(shù)、奇偶校驗、波特率以及調(diào)制解調(diào)器接口。控制寄存器可以任意順序?qū)懭?，但是IER必須最后一個寫入，因為它控制中斷使能。串行通道內(nèi)的波特率發(fā)生器(BRG)允許時鐘除以1至65535之間的任意數(shù)，BRG根據(jù)其不同的三種通用頻率中的一種來決定標(biāo)準(zhǔn)波特率。
16C55x系列芯片還包括16C550、16C552，分別可以擴(kuò)展1個和2個串行口。

利用串行口擴(kuò)展串行口
基于GM8123/25系列芯片的串行口擴(kuò)展
    GM8123/25系列串口擴(kuò)展芯片可以全硬件實現(xiàn)串口擴(kuò)展，通訊格式可設(shè)置，并與標(biāo)準(zhǔn)串口通訊格式兼容。

    GM8125可擴(kuò)展5個標(biāo)準(zhǔn)串口，通過外部引腳選擇串口擴(kuò)展模式：單通道工作模式和多通道工作模式。單通道模式下，無需設(shè)置芯片的通訊格式，子串口和母串口以相同的波特率工作，同一時刻只允許一組子串口和母串口通訊，工作子串口由地址線選擇。單通道工作模式適用于所有從機(jī)不需要同時通訊，并且通訊過程完全由主機(jī)控制的系統(tǒng)。多通道模式下，各子串口波特率相同，允許所有子串口同時與母串口通訊，母串口以子串口波特率的6倍工作。發(fā)送時由地址線選擇用來發(fā)送數(shù)據(jù)的子串口；接收時子串口能主動響應(yīng)從機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，再由母串口發(fā)送給主機(jī)，同時由地址線返回接收到數(shù)據(jù)的子串口地址，主機(jī)在接收到子串口送來的數(shù)據(jù)后，可以根據(jù)地址線的狀態(tài)判斷數(shù)據(jù)是由哪一個從機(jī)發(fā)送的。

    多通道工作模式下，在進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊前要對芯片進(jìn)行工作方式設(shè)置，包括串口幀格式設(shè)置和通訊波特率設(shè)置。

    通過串行口和控制引腳相互配合可對芯片進(jìn)行工作方式設(shè)置，引腳MS為0、且STADD2~STADD0為000時寫命令字，引腳MS為1、STADD2~STADD0為000時讀命令字。進(jìn)行工作方式設(shè)置時，芯片的幀格式和母串口工作波特率與上一次進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊時一致；而復(fù)位后的幀格式為11bit，母串口波特率為7200bps。    

基于SP2338的串行口擴(kuò)展
     SP2338是采用低功耗CMOS 工藝設(shè)計的通用異步串行口擴(kuò)展芯片，它可輕松將主機(jī)原有的1個串行口擴(kuò)展成3 個全新的全雙工串行口。

    SP2338適用于1個起始位、8個數(shù)據(jù)位、1個停止位的多串口系統(tǒng)，也就是說其幀格式是不可編程的。主機(jī)通過改變ADRI1、ADRI0地址線狀態(tài)的方式選擇3個子串口中的任意一個，3個子串口的地址分別為00、01、10。地址11用于執(zhí)行SP2338 芯片本身的復(fù)位指令0x35 或0xB5、睡眠指令0x55或0xD5、延時指令0x00。向RX0~RX3中的任意一個接收端口寫任意數(shù)據(jù)即可將SP2338喚醒，但由于SP2338的喚醒時間需要25ms左右，故用于芯片喚醒的數(shù)據(jù)將不會被主機(jī)接收。因此，可以先發(fā)送一個字節(jié)數(shù)據(jù)用于喚醒芯片，延時25ms后即可進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)傳輸。

    未使用的輸入端口，如RX0、RX1、RX2等必須連接到VCC；未使用的輸出端口，如TX0、TX1、TX2等必須懸空；未使用的ADRI0、ADRI1必須連接到GND。

    主機(jī)收發(fā)數(shù)據(jù)時序為：主機(jī)TX3接收到一個字節(jié)后應(yīng)立即讀取SP2338的輸出地址ADRO0、ADRO1的狀態(tài)，判斷接收到的數(shù)據(jù)來自哪個子串口；主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先通過ADRI0、ADRI1選擇某一個子串口，再向TX3寫將發(fā)送的數(shù)據(jù)。

圖1 本文設(shè)計的擴(kuò)展串行口方法示意圖

    
本文設(shè)計的擴(kuò)展方法
    在電路設(shè)計的過程中，本文設(shè)計出一種適合自己系統(tǒng)需要、將1個串口擴(kuò)展為3個串口的方案，如圖1所示。

    其中，4001是四2輸入端或非門，40106是六施密特觸發(fā)器。4001的4腳和9腳分別為主機(jī)的RXD和TXD，40106的2腳和9腳為子串口的TXD0和RXD0，6腳和11腳為子串口的TXD1和RXD1，4腳和13腳為子串口的TXD2和RXD2。

    根據(jù)圖的連接方式和邏輯代數(shù)的推導(dǎo)可得：RXD的狀態(tài)等于40106的9腳、11腳、13腳的狀態(tài)相與。當(dāng)40106的9腳、11腳、13腳中的任意一個有數(shù)據(jù)信號時，由于在異步串行通訊中，無數(shù)據(jù)傳輸時的引腳狀態(tài)為高，因此RXD上就能接收到有數(shù)據(jù)信號的那個引腳上的數(shù)據(jù)狀態(tài)。40106的2腳、4腳、6腳的狀態(tài)等于TXD的狀態(tài)，所以可以利用40106的2腳、4腳、6腳做為子串口的TXD。

    這種設(shè)計方案適用于主機(jī)同時向多個串行設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，而從設(shè)備不同時向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的情況。再增加幾個信號線，就可以區(qū)分出向哪一個從設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)以及接收到的數(shù)據(jù)是來自哪一個從設(shè)備。在本文的系統(tǒng)中，主機(jī)是通信的發(fā)起者，接收到的數(shù)據(jù)來自哪個從設(shè)備是可以預(yù)知的，因此，只需再增加3個控制從設(shè)備使能的信號線即可。

幾種方法的比較
    在需要擴(kuò)展系統(tǒng)的串行口時，使用多串行口單片機(jī)的方法是最容易想到的。由于串口集成在單片機(jī)內(nèi)部，因此設(shè)備體積較小，抗干擾能力較高，但多串口單片機(jī)通常價格較高，而且，如果是開發(fā)人員所不熟悉的型號，還需要開發(fā)人員重新學(xué)習(xí)并購買與之配套的開發(fā)工具，這延長了產(chǎn)品的開發(fā)周期，也增加了產(chǎn)品的開發(fā)成本。

    軟件模擬法占用的系統(tǒng)資源少、成本低、易于實現(xiàn)。但其采樣次數(shù)較低，難以保證數(shù)據(jù)的正確性，而且一般不能模擬過高的波特率。

    并行口擴(kuò)展串口方法的功能比較強(qiáng)大，能提供MODEM控制信號、通訊速度高，但控制復(fù)雜，占用MCU的端口資源較多，同時價格也較高。

    利用串行口擴(kuò)展串行口，控制簡單，能最大限度地減少控制線，不需要占用太多的主機(jī)系統(tǒng)資源，而且通用性強(qiáng)，性能穩(wěn)定，可保證數(shù)據(jù)的正確性。GM812x的不足之處在于：不滿足超低功耗應(yīng)用要求；多通道模式下，所有子串口工作波特率只能設(shè)置成統(tǒng)一值，不適用于各從機(jī)工作波特率不一致、又要求同時工作的系統(tǒng)。SP2338雖然能滿足低功耗的要求，但其子串口波特率也需要設(shè)置為統(tǒng)一值，并且不能對數(shù)據(jù)幀格式編程，最高波特率也只有9600bps。

    本文提出的方法中，各個子串口的串行特性和母串口相同，使用簡單，占用系統(tǒng)資源少，易于控制(最少2個控制信號擴(kuò)展3個串口)，穩(wěn)定性好。其功耗取決于4001和40106，它們的功耗都在mA級。其最高波特率取決于4001和40106的響應(yīng)速度，4001和40106的最大響應(yīng)延遲是250ns，所以理論上最高波特率可達(dá)4Mbps。此方法已經(jīng)成功地應(yīng)用于三表遠(yuǎn)傳系統(tǒng)。該方法的缺點是，它不能用于從機(jī)工作波特率不一致、又要求同時工作的系統(tǒng)。

結(jié)語
    本文設(shè)計了一種擴(kuò)展串口的方法以解決在實際應(yīng)用中遇到的主機(jī)串行口資源不足的問題，目前該方法已經(jīng)成功地應(yīng)用于三表遠(yuǎn)傳系統(tǒng)中。在解決這個問題的過程中，本文也對其他解決方案進(jìn)行了比較。

參考文獻(xiàn)：
1.劉毓梅等，通過異步串口擴(kuò)展芯片GM8123/25的原理和應(yīng)用，成都國騰微電子公司，2004
2.李華艾編，Mcs-5系列單片機(jī)實用接口技術(shù)，北京航空航天大學(xué)出版社，2001