居 曉，李志宇，肖莉萍

（1.南京航空航天大學 自動化學院，江蘇 南京 210016; 2.南京航空航天大學 無人機研究院，江蘇 南京 210016）

在一些復雜的控制領域中，控制計算機往往需要與多個終端進行信息的交互通信。但由于工程現(xiàn)場環(huán)境的限制和應用設備的日漸增多，近距離集中式的通信管理已不再具有普遍適用性。

隨著遠程集散控制理念的出現(xiàn)，串行數(shù)據(jù)通信因其結(jié)構(gòu)簡單、設計方便、價格低廉、占用資源少[1]、傳輸距離遠等優(yōu)勢而得到了廣泛普及。而近年來串口通信正朝著帶寬、速度、穩(wěn)定性逐漸增加的方向發(fā)展[2]，利用多個串口進行信號采集或數(shù)據(jù)傳輸為多設備分布式布局提供了可能。但一般的處理器板卡只有一至兩個RS232串口，難以滿足控制系統(tǒng)對串口數(shù)量和數(shù)據(jù)傳輸過程中抗干擾性能的要求，因此需要對串口進行擴展設計。

傳統(tǒng)的串口擴展設計多以微控制器與串口芯片在板集成的方式實現(xiàn)，需單獨設計其控制電路和外圍接口電路，周期較長，靈活性低，且穩(wěn)定性和抗干擾性仍有待驗證。MPC565與EMM串口卡技術(shù)相對更加成熟，各性能指標已經(jīng)過長期的實踐驗證，同樣具有的PC/104總線結(jié)構(gòu)使其能夠以簡單的插拔方式實現(xiàn)串口功能的擴展，使用靈活、方便。因此本文結(jié)合以PowerPC嵌入式處理器MPC565為核心的飛控計算機開發(fā)平臺，介紹一種多串口通信在實際工程應用中的擴展方法。利用MPC565與EMM-8M-XT組成串口擴展系統(tǒng)，通過簡單的搭積木方式實現(xiàn)8個通信方式可配置的串口擴展。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設計

本文涉及的內(nèi)容已成功應用于某型無人機飛控系統(tǒng)的預研開發(fā)。眾所周知，無人機飛行控制系統(tǒng)是個典型的多輸入、多輸出系統(tǒng)，其多外設平臺大多采用分布式布局[3]，串行通信逐漸成為了各傳感器及任務設備與飛控計算機內(nèi)核之間的主要通信方式，高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸尤其重要。

本文中飛控計算機內(nèi)核采用具有PC/104結(jié)構(gòu)的MPC565板卡。PowerPC系列的MPC565處理器具有較高的硬件穩(wěn)定性和抗干擾性，工作頻率可達50 MHz以上，在無操作系統(tǒng)的情況下也能可靠、靈活的直接操作硬件，運算處理能力強大，可靠性高，工作溫度范圍-40℃～+85℃，同時應用PC/104總線結(jié)構(gòu)還可以外接串口、A/D、D/A、I/O等功能組件，為其提供了方便的資源擴展能力，且有利于功能的模塊化集成。MPC565可通過簡單的插拔方式與同樣具有PC/104結(jié)構(gòu)的EMM-8M-XT實現(xiàn)串口功能的擴展。EMM-8M-XT串口板提供8個通信模式可配置的串行接口，分別連接磁羅盤、大氣機、GPS、慣導等設備，完成不同的任務功能。擴展串口通信后飛控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 多串口通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Schematic diagram of multi-serial ports communication system

本文應用的MPC565板卡設有3個RS232通信串口，主要用于程序裝訂和飛控參數(shù)的測試，因此需額外的串口模塊來滿足飛控計算機的基本功能。這里選用DIAMOND公司的EMM-8M-XT串口模塊實現(xiàn)串口功能的擴展。

EMM-8M-XT串口模塊集成了兩個高性能的16C654控制芯片，8個獨立的串口通道各有64字節(jié)的接收緩沖器和發(fā)送緩沖器，自動軟硬件流程控制，最高配置波特率可達1.5 Mb/s，有10個不同的中斷優(yōu)先級可選。每個通道的狀態(tài)可以通過CPU的操作讀取寄存器。三態(tài)輸出為雙向數(shù)據(jù)總線和控制總線提供TTL驅(qū)動能力、優(yōu)先級中斷系統(tǒng)控制、可編程的串行接口特性[4-5]。串口基地址、中斷號和通信模式（RS232/422/485可選）亦可通過硬件跳線靈活配置，如圖2和圖3所示。

圖2 基地址和中斷號跳線設置示意圖Fig. 2 Sketch map of jumper configuration for base address and interrupt number

圖3 通信模式跳線設置示意圖Fig. 3 Sketch map of jumper configuration for communication mode

為防止與其他PC/104結(jié)構(gòu)的板卡沖突，在這里把串口板的基地址設為200H，port1～port8共用3號中斷。基地址跳線J9的A、B、C、D定義如圖4所示，“In”表示放置跳線，“Out”表示不放置跳線。每個串行口的基地址和中斷號信息均保存在EEPROM中，上電后板卡從中讀取這些數(shù)據(jù)，自動完成基地址和中斷號的初始配置。

圖4 基地址跳線定義圖Fig. 4 Definition chart of jumper for base address

2 應用軟件設計

應用軟件采用C語言編程，可讀性好，主要分為串口板初始化軟件和串口中斷服務軟件。EMM-8M-XT的8個串口相對獨立。除共用中斷級外，MPC565可對每個串口的特性進行單獨控制，因此波特率、數(shù)據(jù)格式、緩沖區(qū)深度等需通過初始化軟件依次設置。8串口初始化流程和中斷處理流程如圖5所示。

用中斷方式實現(xiàn)芯片功能比查詢方式能更有效地利用CPU，具有更好的實時性，大批量數(shù)據(jù)傳輸時中斷方式更能顯示出其優(yōu)勢。

圖5 串口初始化流程圖Fig. 5 Flow chart of serial port initialization

圖6 中斷處理函數(shù)流程圖Fig. 6 Flow chart of interrupt service routine

本例中8個串口共用3號中斷，由內(nèi)部硬件機制完成板級中斷狀態(tài)寄存器相應位的置位與清零。在中斷處理子程序中，首先要關閉 CPU 響應其他中斷的能力，以免造成多層中斷嵌套可能導致的程序死機[6-7]。這樣即使中斷同時到來各串口也能正常工作，不會出現(xiàn)搶占現(xiàn)象，亦不會產(chǎn)生中斷阻塞或丟失情況。8個串口共用3號中斷，具體哪一個通道產(chǎn)生中斷由位于202H的中斷狀態(tài)寄存器指示（bit0～bit7分別代表1～8號串口）。中斷發(fā)生后，CPU將“一視同仁”，按照3號中斷處理函數(shù)內(nèi)設置的中斷狀態(tài)查詢次序，對到來的中斷依次響應。數(shù)據(jù)接收或發(fā)送時，各串口采用相同的中斷處理流程，下面以串口中斷服務程序為例，對軟件設計思路進行描述。

串口中斷處理程序EMMComInterrupt：

3 性能驗證

多串口通信擴展系統(tǒng)實物圖如圖7所示。實際應用中分別對8個串口進行了局部測試和系統(tǒng)測試，如圖8所示。在115200bps的高波特率下，長時間的通信驗證未出現(xiàn)幀格式錯誤和丟幀現(xiàn)象。中斷的收發(fā)方式亦同時保證了較高的傳輸速度和對其它任務的實時響應。

圖7 多串口通信系統(tǒng)實物圖Fig. 7 Real picture of multi-serial ports communication system

圖8 多串口通信系統(tǒng)實物圖Fig. 8 Real picture of multi-serial ports communication system

4 結(jié) 論

文中利用PC/104總線結(jié)構(gòu)的PowerPC嵌入式處理器MPC565和串口模塊EMM-8M-XT成功構(gòu)建了多串口通信擴展系統(tǒng)。各串口在帶有校驗機制的長時間連續(xù)串行通信測試中，RS232、RS422、RS485 3種工作模式下均收發(fā)正常，幀格式正確且誤碼率極低。系統(tǒng)測試中，8個串口工作于無人機機載復雜電磁環(huán)境和溫變循環(huán)（-40℃、+85℃）等惡劣條件下，能夠長時間連續(xù)穩(wěn)定的進行數(shù)據(jù)傳輸，具有較強的抗干擾能力和良好的實時性能。

該多串口通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，插拔式的PC/104總線結(jié)構(gòu)使其具備了豐富的資源擴展能力。該設計方法已成功應用于某型無人機相似余度結(jié)構(gòu)飛控計算機的原理樣機開發(fā)中，對工業(yè)控制領域的其它類似應用可提供參考和借鑒。

[1]蘭立榮,閆繼英,林海土, 等.基于 ARM 處理器設備的多串口設計與實現(xiàn)[J]. 儀表技術(shù),2011(5):19-21.LAN Li-rong, YAN Ji-ying,LIN Hai-tu,et al.Design and implementation of multi-channel UART based on ARM apparatus[J]. Instrumentation Technology,2011(5):19-21.

[2]Chen Z H,Shi M, Yi Q M.A method for DSP asynchronous serial port expansion based on TL16C752B[C]//Business Management and Electronic Information (BMEI),2011 International Conference on.IEEE, 2011(1):844-847.

[3]李志宇,肖前貴.應用PC/104模塊實現(xiàn)多串口通訊擴展設計[J].工業(yè)控制計算機,2004,17(9): 43-44.LI Zhi-yu,XIAO Qian-gui.Design of extending multi-serial ports communication by applying PC/104 modules[J].Industrial Control Computer, 2004,17(9):43-44.

[4]林為傳,韓曉晨,陳覺之.基于MPC860與ST16C654的串行通信設計[J].電子設計工程,2010,18(7):158-160.LIN Wei-chuan, HAN Xiao-chen, CHEN Jue-zhi. Design of serial communications based on MPC860 and ST16C654[J].Electronic Design Engineering, 2010, 18(7): 158-160.

[5]宋宇,于耀,周余,等.智能配電數(shù)字終端的轉(zhuǎn)串口芯片驅(qū)動設計[J].電子測量技術(shù),2013, 36(2): 68-71.SONG Yu,YU Yao, ZHOU Yu, etc. Serial chip driver design of digital terminal for intelligent power distribution[J].Electronic Measurement Technology,2013,36(2):68-71.

[6]李偉. 基于中斷方式的TL16C754B的串口通信驅(qū)動程序的開發(fā)[J]. 測控技術(shù),2012,31(4): 93-95.LI Wei.Driver program development of TL16C754B based on interrupt[J].Measurement & Control Technology,2012,31(4):93-95.

[7]吳春瑜，李璟，王相森. 通用異步收發(fā)器TL16C554分析[J].遼寧大學學報: 自然科學版,2007,34(4):315-318.WU Chun-yu,LI Jing, WANG Xiang-sen.Analysis of UART TL16C554[J].Journal of Liaoning University: Natural Sciences Edition, 2007,34(4):315-318.