胡立群，陳敦軍

（南京大學電子科學與工程學院江蘇省光電信息功能材料重點實驗室，江蘇南京210093）

許多數(shù)字化設備、測量儀器都具有RS232串行接口[1]。在某些場合需要多臺這樣的設備聯(lián)合測量，并與計算機等主控設備交換數(shù)據(jù)，接受主控設備的控制。最簡單的方法是直接將設備連接到計算機的串口上，但一般臺式計算機本身所帶的串口數(shù)量只有1～2個，有時難以滿足需要。盡管還可以采用具有PCI總線的多串口卡對計算機系統(tǒng)進行擴充，但需要額外占用系統(tǒng)資源，并且一些情況下的局限性限制了這種方法的應用。

本文介紹了一種不同于多串口卡的串口擴展方法，采用該方法建立的多串口系統(tǒng)，主體由多個單片機組成，單片機同時具有串口和SPI接口，單片機之間基于SPI總線“主—從”互連，系統(tǒng)中的1個“主串口”用于連接計算機，其余的“從串口”可以連接其他的串口設備。因此，系統(tǒng)工作時只需占用計算機的1個串口資源或1個USB接口。連接到該系統(tǒng)上的其他串口設備通過該系統(tǒng)的控制轉發(fā)，可以與計算機進行正常的數(shù)據(jù)交換。

1 系統(tǒng)的設計

1.1 設計構想

一片單片機一般只有1個全雙工異步串行口（UART），也就是說，一片單片機只能連接1個外部串口設備。如果一個系統(tǒng)需要同時連接多個外部串口設備，則可采用多片單片機構成系統(tǒng)的主體，這些單片機各自分別與1個串口設備連接并交換數(shù)據(jù)。系統(tǒng)中的主控制單元采用某種方式協(xié)調(diào)這些單片機與上位計算機的數(shù)據(jù)交換，從而達到計算機串口擴展的目的。

現(xiàn)在一些通用的單片機功能都很強大，片上不僅集成有全雙工異步串行口（UART），還集成有全雙工同步串行接口（SPI），這為上述構想的實現(xiàn)提供了必要條件。

根據(jù)上述構想，設計一個系統(tǒng)，主體是由多個具有全雙工同步串行接口（SPI）的單片機構成，將其中的1個CPU作為主機（主控制單元），其余為從機。通過SPI總線，可以很方便地將這些單片機進行連接，形成“單主—多從”的結構，主器件主導SPI通訊[2-7]。系統(tǒng)中，主機的UART與上位計算機的串口連接，每個從機的UART與1個外部串口設備連接，由此形成一個“基于SPI互連的多串口系統(tǒng)”，實現(xiàn)對計算機串口資源的擴展。

這種基于SPI的多串口收發(fā)控制系統(tǒng)，不同于多串口卡，采用外置式設計，僅占用1個計算機的串口或1個USB口。系統(tǒng)中各從機獨立運行，并行工作。系統(tǒng)中的主機完成“一對多”的任務調(diào)配，起到溝通上位計算機與多個外部串口設備的作用。圖1顯示了該系統(tǒng)中的主—從互連結構及與計算機、外部串口設備的連接。

圖1 基于SPI主—從互連多串口系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of multi-serial-port system based on master/slave mode SPI

1.2 單片機的選擇[4，8]

STC12C5410系列單片機，以8051為內(nèi)核，并具有以下特點：1 T周期單片機，在線可編程（ISP），I/O可配置為4種方式，具有SPI同步串行高速接口、UART異步串行接口，片上擴展外部數(shù)據(jù)存儲器XRAM等。由于具有上述特點，STC12C5410很適合用來構成基于SPI的多串口收發(fā)控制系統(tǒng)。

1.3 單片機STC12C5410的SPI接口[4]

STC12C5410系列單片機具有SPI接口，有2種操作模式：主模式和從模式。在主模式中支持高達3 Mbit/s的速率（工作頻率為12 MHz時，如果CPU主頻采用20～36 MHz，則可更高），還具有傳輸完成標志和寫沖突標志保護。

SPI接口有4個管腳：CLK/P1.7，MOSI/P1.5，MISO/P1.6，SS/P1.4。

CLK，MOSI，MISO通常和2個或更多SPI器件連接在一起。數(shù)據(jù)通過MOSI由主機傳送到從機，通過MISO由從機傳送到主機。CLK信號在主模式時為輸出，在從模式時為輸入。如果SPI被禁止，這些管腳都可作為I/O口使用。

SS為從機選擇管腳。在典型配置中，SPI主機使用I/O口選擇1個SPI器件作為當前的從機。

該系列單片機，有3個與SPI功能模塊相關的特殊功能寄存器，分別是SPI控制寄存器（SPCTL），SPI狀態(tài)寄存器（SPSTAT），SPI數(shù)據(jù)寄存器（SPDAT），如表1所示。寄存器的各位功能描述見表2、表3。

表1 SPI功能模塊特殊功能寄存器Tab.1 Special function registers of SPI functional module

表2 SPI控制寄存器的位描述Tab.2 Bits description of SPI control register

表3 SPI狀態(tài)寄存器的位描述Tab.3 Bits description of SPI state register

SPI操作時，主機和從機的2個SPI數(shù)據(jù)寄存器都可以看成1個16位循環(huán)移位寄存器，當數(shù)據(jù)從主機移位傳送到從機的同時，數(shù)據(jù)也以相反的方向移入。這意味著在1個移位周期，主機和從機數(shù)據(jù)相互交換[2，4]。

1.4 單片機STC12C5410的UART[4]

STC12C5410的UART的控制方式，與其他8051系列單片機基本一樣，只是由于STC12C5410是1 T周期單片機，通過對輔助寄存器（AUXR）的設置，可以改變定時器0、定時器1、UART的速度。AUXR地址為8EH。表4為AUXR有關的位描述。

表4 AUXR有關的位描述Tab.4 Related bit description of AUXR

為了兼容傳統(tǒng)的8051單片機，定時器0、定時器1復位后是12分頻。如果UART以定時器1作為波特率發(fā)生器，則T1_12決定了UART串口是1T還是12T。

ESPI是SPI中斷控制位。SPI的中斷順序號為5[4]。

2 數(shù)據(jù)交換協(xié)議的設計

2.1 主—從SPI數(shù)據(jù)交換

SPI通訊可以看成主機控制下的主機—從機SPI數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)容的互換，主機不僅得到從機中的數(shù)據(jù)，也同時將數(shù)據(jù)發(fā)送給從機[2，4]。因此，采用SPI通訊，主機既可以得到從機連接的串口設備傳來的數(shù)據(jù)，也可以通過從機將來自主機的控制數(shù)據(jù)傳遞給外部串口設備。

為了描述方便，將主機向從機傳遞的信息分為2種類型，“命令信息（command-info.）”和“數(shù)據(jù)信息（data-info.）”。從機將接收到的外部串口設備的數(shù)據(jù)暫存在接收緩沖區(qū)中，主機為了得到這些數(shù)據(jù)向從機所發(fā)送的信息稱為“命令信息”。主機為了控制外部串口設備而向從機發(fā)送的信息稱為“數(shù)據(jù)信息”。

主機所傳遞的兩類“信息”，通過字節(jié)的第7位（特征位）來區(qū)別，1代表是“命令信息”，0代表是“數(shù)據(jù)信息”。從機根據(jù)接收到的信息類型，采取對應的處理方式，將接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)傳回給主機，或?qū)⒅鳈C數(shù)據(jù)暫放在發(fā)送緩沖區(qū)中，等待傳遞給外部設備，圖2顯示了數(shù)據(jù)流動方向。

2.1.1 定 義命令信息（Command-info.）

由于從機只能被動地與主機交換數(shù)據(jù)，“命令信息”可使從機知道主機的操作意圖，準備好要交換的數(shù)據(jù)。表5列出了所定義的4個“命令信息”。

通過“命令信息”，主機得到從機“數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)”中的數(shù)據(jù)，也就是得到與該從機連接的外部串口設備傳來的數(shù)據(jù)。

圖2 數(shù)據(jù)流動示意圖Fig.2 Diagram of data transfers

表5 定義的4個命令信息Tab.5 Defined four command-info.

2.1.2 數(shù) 據(jù)信息（Data-info）及構成

“數(shù)據(jù)信息”由主機發(fā)出，通知從機將有關數(shù)據(jù)發(fā)往所連接的外部串口設備。

“數(shù)據(jù)信息”含有特征位，第7位固定為0，不能完整表達所要傳送的一個數(shù)據(jù)字節(jié)（見圖3），所以1個“數(shù)據(jù)字節(jié)”要用2個“數(shù)據(jù)信息”字節(jié)表達。表達方式是：將該數(shù)據(jù)字節(jié)分割為字節(jié)的高4位和字節(jié)的低4位兩部分，并分別作為2個“數(shù)據(jù)信息”字節(jié)的低4位，然后在這2個“數(shù)據(jù)信息”的高4位添加特征位。其中“數(shù)據(jù)信息”的第6位用來區(qū)分數(shù)據(jù)字節(jié)的高4位或低4位（見圖4）。

圖3 數(shù)據(jù)字節(jié)的格式Fig.3 Format of data byte

圖4 “數(shù)據(jù)信息”字節(jié)的格式Fig.4 Format of data_info.

“數(shù)據(jù)信息”的D4～D7位為特征位，D0～D3位為數(shù)據(jù)位。主機兩次SPI傳送，先高后低。從機將接收到的2個字節(jié)的“數(shù)據(jù)信息”重新合成1個完整的字節(jié)還原出原始數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)存放在發(fā)送緩沖區(qū)中，然后通過UART傳遞給所連接的串口設備上。

主機通過發(fā)送“0X70”，結束“數(shù)據(jù)信息”傳送。

2.2 系統(tǒng)的主機（主控單元）和計算機的數(shù)據(jù)交換

主機通過UART和計算機的串口連接，通過SPI與從機相連。計算機通過主機實現(xiàn)一對多操作，從而實現(xiàn)串口的擴展。主機根據(jù)上位計算機的指向，將數(shù)據(jù)傳遞給對應的從機，而將來自從機的數(shù)據(jù)加上相應從機信息發(fā)送給計算機。在數(shù)據(jù)交換時，必須指明數(shù)據(jù)來源或數(shù)據(jù)的去向。

主機—計算機間交換數(shù)據(jù)的格式如圖5所示。其中D5～D7位指明從機地址，可尋址8個從機；D4位用于區(qū)分D0～D3位是數(shù)據(jù)字節(jié)的高4位或數(shù)據(jù)字節(jié)低4位。兩個這樣的標識字節(jié)才能完整表達一個數(shù)據(jù)字節(jié)。

圖5 主機—計算機之間的數(shù)據(jù)交換格式Fig.5 Format of data exchange between master and computer

3 存儲器的組織和控制流程

從機的功能較為單一，主要是通過UART與連接的串口設備交換數(shù)據(jù)，以及與主機通過SPI交換數(shù)據(jù)。

在從機中開辟2個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，一個用于暫存接收到的外部串口數(shù)據(jù)，等待傳送給主機，即數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)；另一個暫存來源于主機的數(shù)據(jù)，用于控制所連接的外部串口設備，即數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)。

主機的工作相對復雜，需要溝通上位計算機和多個從機的聯(lián)絡。在主機中為每個從機開辟有2個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，分別用于保存接收到的從機數(shù)據(jù)和發(fā)送給從機的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)同時也用于與計算機交換。主機以SPI方式定時查詢各個從機，并交換數(shù)據(jù)；然后以UART方式與上位計算機交換。在數(shù)據(jù)交換時，主機需要對這些數(shù)據(jù)按前面介紹的方法進行重新編碼。

主機與計算機的數(shù)據(jù)交換量可能遠高于從機與外部串口設備之間的數(shù)據(jù)量，因此，適當提高主機的波特率加大數(shù)據(jù)吞吐，降低從機的波特率，開辟合適的緩沖區(qū)，可以不發(fā)生數(shù)據(jù)溢出丟失現(xiàn)象。

主機和從機的SPI中斷被允許。主機以定時方式順次啟動與各個從機的SPI傳送，一旦啟動，后續(xù)的SPI傳送在中斷處理程序中觸發(fā)，直至緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)交換完畢[4，9]。圖6為主機SPI中斷服務程序流程圖。

被主機選中的從機接收到主機傳來的數(shù)據(jù)，產(chǎn)生SPI中斷，在中斷程序中判斷信息類型，采用對應處理方式。圖7為從機SPI中斷服務程序流程圖。

圖6 主機SPI中斷服務程序流程圖Fig.6 Flow chart of SPI interrupt program in master

圖7 從機SPI中斷服務程序流程圖Fig.7 Flow chart of SPI interrupt program in slave

主機與上位計算機的數(shù)據(jù)交換，以及從機與外部串口設備的數(shù)據(jù)交換，采用串行口中斷方式處理[4，9，10]。從機與外部串口設備交換數(shù)據(jù)自主進行，不需要主機干預。

4 結束語

基于SPI“主—從”互連的多串口系統(tǒng)，從機獨立完成與外部設備的串口通訊，主機啟動SPI，分別獲取各個從機接收到的串口數(shù)據(jù)并通過從機控制所連接的外部串口設備；主機通過UART與上位計算機交換數(shù)據(jù)。因此，計算機通過該“多串口系統(tǒng)”，可以同時連接多個串口設備，實現(xiàn)了計算機串口擴展的目標。這種串口擴展方法，是“多串口卡”方案外的另一種選擇，由于采用外置方式，僅需占用計算機1個串口或1個USB口，相對于多串口卡，使用相對方便。

根據(jù)所設計的數(shù)據(jù)交換協(xié)議，基于SPI“主—從”互連的多串口系統(tǒng)，具有同時連接多達8個串口設備的能力。

由于主機與上位計算機通訊波特率高于從機與外設的若干倍，并且SPI通訊速率遠高于串口通訊速率，系統(tǒng)內(nèi)建數(shù)據(jù)接收/發(fā)送緩沖區(qū)，這就確保了主機的數(shù)據(jù)吞吐量大于所有從機數(shù)據(jù)吞吐量之和，因此盡管串口得到擴充，但傳送的數(shù)據(jù)不會丟失。

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