1 引言

PC/104嵌入式控制PC出現(xiàn)于80年代末，并于 1992年形成IEEEP966.1標(biāo)準(zhǔn)。它一方面繼承了所有的PC資源，另一方面又對PC機的結(jié)構(gòu)、體積、功耗、可靠性等方面重新優(yōu)化設(shè)計，使它與IBM PC完全兼容，并具有了體積小、功耗低、工作溫度寬、可靠性高等特點。PC/104嵌入式控制PC采用了獨特的“自棧式”總線連接，模塊化結(jié)構(gòu)，使用起來靈活方便。它所采用的面向?qū)ο蟮挠布O(shè)計方法使得在PC/104標(biāo)準(zhǔn)上開發(fā)的擴展模塊具有更強的通用性和更長的生命期。正因為具有了這么多的優(yōu)點，PC/104被越來越多地使用于各種嵌入式系統(tǒng)中，特別是在一些可靠性要求高而工作環(huán)境又比較惡劣的地方，比如軍事指揮系統(tǒng)、武器控制系統(tǒng)或工業(yè)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。在這些系統(tǒng)中往往不是單個計算機的控制，而是多個計算機組成通信網(wǎng)絡(luò)共同完成控制作用，因此，對于每一個嵌入式計算機除了連接必需的外設(shè)之外，還需要考慮計算機之間的通信。計算機間最常用的通信方式是利用串行口來實現(xiàn)的，所以在設(shè)計這些控制系統(tǒng)的時候，常常面臨串行口資源短缺的問題。

同臺式PC機一樣，PC/104嵌入式控制PC一般也提供兩個RS-232串行口，常用的串行通信有RS-232和RS-485兩種。RS-232主要用于點對點通信，特別是通過MODEM進行遠距離的兩點之間的通信；RS-485主要用于多機通信，采用平衡差分電路雙線傳輸，總線連接的方式，距離在1km以內(nèi)時最大速率是100kbps，允許并聯(lián)32臺驅(qū)動器和32臺接收器以半雙工方式工作。PC/104所提供的兩個串行口資源在很多情況下會不夠用，因為使用串行口的外設(shè)的數(shù)量和種類在增加，而且串行口的功能也在擴展，比如有些PC/104可將接到串行口的設(shè)備作為系統(tǒng)控制臺使用，它們都要占用寶貴的串行口資源；此外，隨著計算機之間通信需求的增加，在多機通信或需要采用多種通信方式的系統(tǒng)中，串行口資源就不夠用了。另外，在一些PC/ 104中兩個串口的地址往往是不能改變的，這給使用帶來不便； PC/104也不提供RS-442或RS-485串行口，在需要利用RS-485總線實現(xiàn)多機通信時就必須另外配備RS-232到RS-485的轉(zhuǎn)換器。對于這些困難，最好的解決方法就是按照PC/104標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)嵌入式擴展通信板。

本設(shè)計是根據(jù)實際系統(tǒng)的需求開發(fā)的，為了在有限的空間中提供盡可能多的功能并保證電路的可靠性，設(shè)計中利用了高集成度的異步通信單元芯片，外圍控制電路由可編程邏輯器件實現(xiàn)，接口按照PC/104標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。板上提供兩個RS-232串行口和兩個RS-485串行口，串行口地址和中斷請求號可由用戶選擇。設(shè)計中也考慮了擴展通信板的通用性，所設(shè)計的通信板符合PC/104標(biāo)準(zhǔn)，支持即插即用功能，用戶可根據(jù)系統(tǒng)資源條件和實際需要設(shè)置串行口地址和中斷請求號，因此本設(shè)計可作為開發(fā)PC/104標(biāo)準(zhǔn)嵌入式串口通信板的參考。另外，在本設(shè)計中RS-485串行口的硬件電路中有一個獨特的結(jié)構(gòu)，結(jié)合通信協(xié)議，可實現(xiàn)信號極性的自動設(shè)別和轉(zhuǎn)換。

2 通信板的設(shè)計方法

2.1 總體結(jié)構(gòu)

本設(shè)計的總體原理如圖1所示。圖中PC/104總線是兼容于PC/AT的ISA總線，設(shè)計中使用了8位數(shù)據(jù)信號D 0～D7，它們通過數(shù)據(jù)緩沖電路連接異步通信單元；10根地址線A0～A9，讀寫控制信號 IOR、IOW，地址使能信號AEN和復(fù)位信號RESET，這些信號同地址選擇電路以及PLD電路中設(shè)計的邏輯電路一起完成串行口的地址選擇和各種邏輯控制，對每一個串口的內(nèi)部寄存器的操作由地址的低三位A 0、A1、A2選擇確定；利用中斷號選擇電路結(jié)合PLD電路內(nèi)部邏輯提供了IRQ3、4、5、7、9、10、11、15八個中斷請求號供選擇。

異步通信單元使用TI公司的TL16C554，它包含了四個異步收發(fā)單元，每一個都與16550兼容，加上電平轉(zhuǎn)換電路就可構(gòu)成一個串行口。

RS-232電平轉(zhuǎn)換電路采用MAX213，它提供了五路232到TTL電平的轉(zhuǎn)換和四路TTL到232電平的轉(zhuǎn)換，一片MAX213就可實現(xiàn)完整的RS-232接口功能。

RS-485電平轉(zhuǎn)換電路采用SN75176，它提供了 485標(biāo)準(zhǔn)電平與TTL電平之間的轉(zhuǎn)換，接收和發(fā)送部分可單獨控制。

數(shù)據(jù)緩沖由74HC245承擔(dān)，其傳輸方向由主機 IOR信號控制，片選信號由PLD產(chǎn)生。

地址選擇電路提供給用戶設(shè)置串行口地址，通過短路塊將地址的高四位A6～A9置0或置1實現(xiàn)地址的設(shè)定。

2.2 異步通信單元

TL16C554是TI公司的產(chǎn)品，集成度高，性能穩(wěn)定，其內(nèi)部包含了四個可獨立操作的可編程異步收發(fā)單元16C550，它們共用了數(shù)據(jù)線D 7～D0、內(nèi)部寄存器地址線A2 ～A0、讀寫信號線IOR和IOW、DMA讀寫控制TXRDY和RXRDY、復(fù)位RESET、時鐘XTL1和XTL2。每個收發(fā)單元都有自己的片選信號CS、中斷請求INT、數(shù)據(jù)輸出TX、數(shù)據(jù)輸入RX及MODEM邏輯控制信號CTS、DCD、DSR、 DTR、RI、RTS。其內(nèi)部功能模塊如圖2所示。

每一個內(nèi)部的異步收發(fā)單元都等同于一個 16550，它向下兼容16450，包含了16字節(jié)的先進先出寄存器，從而減少了對CPU的中斷次數(shù)。可編程設(shè)定的波特率最大可達1Mbps，接口的字符結(jié)構(gòu)可由用戶選擇，自動完成起始位、停止位、奇偶校驗位的加入和刪除，具有可程序化中斷控制和完整的MODEM控制邏輯功能。

2.3 PLD電路

考慮到104標(biāo)準(zhǔn)的尺寸限制，設(shè)計中應(yīng)盡量采用緊湊的結(jié)構(gòu)，因此用PLD電路來產(chǎn)生異步通信單元、數(shù)據(jù)緩沖電路的控制信號，還利用此電路實現(xiàn) 485連接時信號極性的自動轉(zhuǎn)換。PLD電路采用了ALTERA公司的EPM7064，它包含了4個邏輯陣列塊，64個宏單元，有1250個邏輯門可供使用。開發(fā)工具使用MAX+PLUSⅡ。

PLD電路主要完成以下功能：

（1）每一個異步收發(fā)單元的選擇。利用八根地址信號A9～A3和讀寫控制信號IOR、IOW之間的邏輯關(guān)系產(chǎn)生片選信號，其中A9～A6 位地址信號同地址選擇電路的信號一起先送到一個4位比較器中進行地址比較，地址選擇電路可由用戶設(shè)定，這樣，通過改變地址選擇電路中的短路塊就改變了相應(yīng)位的地址，從而增加了用戶對地址的選擇范圍和使用的靈活性。

（2）雙向數(shù)據(jù)緩沖器的片選。利用A 9～A6和讀寫控制信號產(chǎn)生。

（3）485信號極性選擇。485采用總線方式連接，利用差分方式傳輸，兩根連接線之間的信號正負極性不同，使用時必須使同極性端相連。

當(dāng)節(jié)點之間比較遠或者使用者并不清楚信號線的極性關(guān)系時往往不能保證正確接線，需要多次改變接線和調(diào)試，因此我們設(shè)計了極性的自動轉(zhuǎn)換電路以方便嵌入式系統(tǒng)使用。基本思路是這樣的，設(shè)置一個電子開關(guān)，在通信初始化期間由主機發(fā)一個固定的測試信號，如果從機發(fā)現(xiàn)接收到的信號不對，就自動切換電子開關(guān)換向，如果接收到的測試信號正確就保持原來的連接。電子開關(guān)由異或門充當(dāng)，它可以反轉(zhuǎn)或保持發(fā)送和接收的信號，即當(dāng)輸入端中的一個信號置1時就可使另一個輸入信號在輸出端反相，而當(dāng)將其置0時輸出信號保持不變。電子開關(guān)的控制由D觸發(fā)器實現(xiàn)，在初始化期間從機根據(jù)所接收信號的正誤，選通D觸發(fā)器，產(chǎn)生合適的控制電平，實現(xiàn)電子開關(guān)的控制。其邏輯原理如圖3所示。

2.4 RS-485接口電路

當(dāng)計算機利用RS-485總線方式通信，在進行系統(tǒng)連接時，需要在拓撲結(jié)構(gòu)最遠端的兩個計算機的RS-485接口上加匹配電阻以消除信號的反射，還需要給信號傳輸線加一個固定的偏置電壓以增加抗干擾能力。為了提高電路的通用性，方便嵌入式系統(tǒng)的使用，RS-485接口電路設(shè)計如圖4。圖中R 1＝120Ω，R2=R3 =560Ω，在進行總線連接時就可以根據(jù)需要設(shè)置不同節(jié)點的計算機的RS-485 接口電路。

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