摘 要： 設計了一種高速RS-422串行通信接口板，采用通用的異步串行通信控制器，以嵌入式PC為控制核心，以雙端口RAM作為數據緩存，并對雙端口RAM的程序設計進行了詳細說明。應用結果表明，該接口板通信速率高，數據緩存能力強，使用簡單。
關鍵詞： 串行通信；嵌入式PC；高速；雙端口RAM
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，為了實現狀態監測與故障診斷，需要對設備間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據轉存，而通用串行通信接口板的通信速率最高為128 kb/s，數據緩存能力差，不能滿足要求。本文設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，數據緩存強，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通信收發器MAX1490，其傳輸速度可以達到2.5 Mb/s，收發互不影響。為了實現高速實時數據轉存，采用嵌入式PC對異步串行通信控制器ST16C554D進行讀寫操作，并把讀取的數據存入雙端口RAM[2]。數據接收完畢后，主控PC通過PC104總線對雙端口RAM進行讀寫操作，讀出數據并存儲在數據文件中，既充分發揮了主控PC的多任務處理能力，又不會對高速數據通信產生影響。
2 硬件設計
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，可以保證數據的實時收發[3]。如圖2所示，本接口板嵌入式PC采用德國控創公司的DIMM-PC/520-I，由133 MHz的高性能CPU、32 MB內存、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節，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置。ST16C554D擴展了4個標準串行接口，由DIMM-PC的地址線A3~A9經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主要是為了數據的緩沖和中繼傳輸。雙端口RAM 器件IDT7006以內存映射方式與DIMM-PC相連，如圖3所示。其數據線D0~D7和地址線A0~A13與DIMM-PC的數據線D0~D7和地址線A0~A13直接連接。內存映射時，雙端口RAM的讀寫信號由DIMM-PC的內存讀寫控制信號-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生沖突，同時提高了尋址能力。由于DIMM-PC的基本640 KB內存空間是公用的，很多程序都訪問這個區間，不能把地址映射到這個區域，而1 MB以上的區間為擴展內存時（加內存條）使用的，也不能任意使用，在640 KB～1 MＢ之間有很多空閑區間，可以供擴展板卡進行內存映射時使用。本接口板使用0E0000H~0EFFFFH區間（32 KB）。
2.3 PC104總線對雙端口RAM的讀寫控制
雙端口RAM IDT7006以內存映射方式與PC104總線相連，原理如圖4所示。其數據線D0~D7和地址線A0~A13與PC104總線的數據線D0~D7和地址線A0~A13直接連接。同樣原因，內存映射時，雙端口RAM的讀寫信號由PC104總線的內存讀寫控制信號-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存的一段來進行讀寫操作，這樣就方便了程序的設計。本接口板映射的地址也在主控PC內存640 KB～1 MB之間，具體地址因主控PC型號的不同而有所區別，可以編程控制。
主控PC和嵌入式PC通過雙端口RAM進行數據交換，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信號，保證譯碼的正確有效，在軟件設計時保證不同時對一個內存單元進行寫操作；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，減小了電路規模。
2.4 RS-422端口驅動與收發
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收發器MAX1490進行端口驅動與收發，如圖5所示。
MAX1490把TTL電平的串行通信轉換為RS-422電平方式且相互隔離，可避免系統間干擾和瞬間高壓損傷。MAX1490的輸入端DI是其內部光耦的輸入端，需要一定的驅動電流，但ST16C554D的輸出驅動能低，因此增加了74HC86門電路進行驅動；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按RS-422通信協議進行通信。
3 嵌入式 PC主程序結構
嵌入式PC的主程序結構如圖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構進行設置和讀寫操作即可實現數據傳輸，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首字節的數據用于傳遞命令和狀態字，數據含義如表1所示。
雙端口RAM在嵌入式PC的內存映射地址為E0000。初始化設置模塊對接口板各串口進行初始化，執行自檢程序，測試內存和串口狀態。把測試結果寫在雙端口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據，重新初始化設置，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標識位，與接口板上嵌入式PC的DRAM交換數據。用戶軟件發送轉移數據命令，即修改E0000為AAH(或BBH或CCH或DDH)，接口板程序將串口1(或串口2或串口3或串口4)接收的數據轉移至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)的數據準備好，用戶軟件可以讀取。轉移數據長度寫在E0002和E0003地址中。所選擇串口是否還有未轉移數據標志寫在E0004地址中(11H有，00H無)。
4 應用結果
為形成對12路高速串行通信數據的轉存能力，數據采集系統中使用了3塊按照上述軟硬件設計方法所設計的接口板，應用結果表明，各串行通信接口板運行正常，數據接收與存儲能力達到了預期目標，對系統資源的占用少。
本文所提出的高速串行通信接口板設計方法應用了嵌入式PC，形成了專門處理數據的核心，提高了數據傳輸速率，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，通過修改軟件協議，即修改雙端口RAM的讀寫控制程序，實現全雙工高速串行通信。
參考文獻
[1] 孫淵，王仕成，閔海波，等.RS422高速串行通信在AT91-RM9200上的實現[J].彈箭與制導學報，2008，28（1）：329-332.
[2] 李正軍.計算機測控系統設計與應用[M].北京：機械工業出版社，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設計[J].光電技術應用，2006，21(5)：61-66.
[4] Kontron embedded computers AG.DIMM-PC/520-I user’s guide[S].2003