基于EPM7064的多串口管理系統(tǒng)設(shè)計
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1 概述
本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/20971.htm串行接口在數(shù)據(jù)通信中一直扮演著重要角色。他不僅沒有因為時代的進(jìn)步被淘汰，反而在性能上越來向其極限挑戰(zhàn)。usb接口是當(dāng)前pc機上的主流接口，但仍然有許多外設(shè)使用串口與pc機通信，尤其是在工業(yè)控制領(lǐng)域。普通pc機所提供的串口資源往往是不夠的。
傳統(tǒng)擴展多個串行口的方法是利用多個中斷源，每個中斷通常被分配給單一的設(shè)備。這是因為當(dāng)多于1個的設(shè)備被設(shè)置成使用同一個特定中斷時，系統(tǒng)不能辨認(rèn)哪個設(shè)備使用中斷線，所以就會產(chǎn)生混亂。但在嵌入式系統(tǒng)中，花費大量的中斷源來擴展串口無疑是資源的浪費。針對這種情況，為了節(jié)省緊張的系統(tǒng)資源，本方案通過對cpld的設(shè)計，采用1個中斷源高效管理多個串口的有效方法實現(xiàn)了將pc主機上的一個usb接口擴展為8個通用串口接口，同時保證了多個串口中斷的無漏監(jiān)測與服務(wù)。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
本設(shè)計方案(參見圖1)采用atmel公司的89c52單片機來控制串口到usb接口之間的數(shù)據(jù)收發(fā)工作，選用philips公司的usb接口芯片pdiusbd12實現(xiàn)單片機與usb器件之間的連接，多串口擴展以tl16c554芯片實現(xiàn)，并由一片cpld(altera的epm7064)實現(xiàn)高效多串口中斷源管理，利用單一的中斷源來管理多個擴展串口。在pc主機端，設(shè)計開發(fā)了wdm設(shè)備驅(qū)動程序?qū)sb口進(jìn)行虛擬管理，從而使得windows應(yīng)用程序能以訪問普通串口的方式訪問串口服務(wù)器上的多個串口。
3 cpld設(shè)計
本設(shè)計中用cpld設(shè)計了譯碼電路、鎖存電路、邏輯或電路、三態(tài)門電路、狀態(tài)機電路。由于對宏單元和管腳的要求不是很多，因此選用altera epm7064，44腳，plcc封裝。
3.1 譯碼電路
用cpld進(jìn)行pdiusbd12的選址，2片tl16c554共8個口的選址，以及對cpld中一位寄存器的選址，共用到a3～a7以及do進(jìn)行譯碼，譯碼設(shè)計圖如圖2所示。
(1) pdiusbd12的選址
由于po口為數(shù)據(jù)地址線，所以要經(jīng)過地址鎖存器，以及a7，a6一起連到一個138譯碼器上。因為pdiusbd12奇地址表示命令，偶地址表示數(shù)據(jù)，所以把2個地址接異或非門后再接到pdiusbd12的片選端。如圖2上的cs2，其地址為0x7000，0x7001。
(2) tl16c554的選址
為了選中擴展的8個串口，將a3～a5連入另一個138譯碼器，將其譯碼為8個選通端連到每個芯片的片選上，然后用a6，a7，do的譯碼cs0(見圖2)作為第二個138譯碼器的低使能端。其8個口的地址依次為0x0c000，0x0c800，0x0d000，0x0d800，0x0e000，0x0e800，0x0f000，0x0f800。
(3) 一位寄存器的選址
cpld內(nèi)的一位寄存器的地址設(shè)定為0x0c001。
3.2 多串口中斷源解決方案
其基本原理如圖3所示。
rs232串口通過驅(qū)動芯片max202或max232轉(zhuǎn)化成ttl電平，通過串口異步通信器件16c554輸出中斷請求，通過或門獲得多個串口的中斷請求，再通過cpld與中斷控制器相連接。中斷控制線intreq通過cpld主要是在cpld中做一個一位寄存器inten(如圖4所示)，用作中斷允許位，并根據(jù)16c554的中斷請求intreq和inten的狀態(tài)來最終生成中斷dly_irq，cpu將實時響應(yīng)該中斷請求。
在中斷服務(wù)過程中，cpu按順序逐個檢查多個擴展口的串口中斷源，有中斷請求的就給予服務(wù)。當(dāng)剛剛檢測過的中斷又出現(xiàn)時，一方面靠cpld中的移位寄存器intreq鎖存，另一方面，當(dāng)上一中斷服務(wù)完成時，cpld中的8位狀態(tài)機(如圖7)保證了一定的延時。此延時中，中斷控制程序把堆棧中的內(nèi)容返回給cpu的寄存器，恢復(fù)能獲得的響應(yīng)。這樣，即使在多個串口中斷密集發(fā)生的環(huán)境下，擴展的多個串口仍可獲得實時性和可靠性較高的中斷。具體做法如下：
(1) intreq為n個中斷的或結(jié)果。
(2) cpu對inten只寫，操作過程分3步：
①中斷安裝后設(shè)置inten=1；
②進(jìn)入中斷服務(wù)程序后cpu設(shè)置inten=0；
③退出中斷服務(wù)程序的最后指令再將inten=1。
(3)中斷響應(yīng)的時序圖，如圖5所示。
在isr置位期間，有中斷請求intreq產(chǎn)生時，此時如果觸發(fā)了中斷，則會使上次中斷服務(wù)無法完成，因而造成中斷丟失。因此，在isr配置期間，將中斷允許inten設(shè)置為o，防止其他中斷請求觸發(fā)中斷，并用intreq鎖存未被響應(yīng)的中斷請求。退出中斷服務(wù)后，得中斷允許inten設(shè)置為1，保證其他中斷請求被響應(yīng)，并延遲50μs，以確保此次中斷服務(wù)完全退出。
(4)中斷控制寄存器的狀態(tài)圖(描述8位狀態(tài)機的轉(zhuǎn)換)如圖6所示。
3.3 epm7064的接口電路圖
本設(shè)計支持epm7064在線下載功能，其接口圖如圖8所示。
4 虛擬串口驅(qū)動程序設(shè)計
為實現(xiàn)主機可以如操作本機串口一樣通過主機usb口對串口設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，主機端設(shè)備驅(qū)動程序需將串口服務(wù)器的8個串口對應(yīng)到主機的8個虛擬串口上。在wdm設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計中，這樣的功能可以通過在usb功能驅(qū)動程序上層加上一個過濾驅(qū)動層來實現(xiàn)。應(yīng)用程序發(fā)送數(shù)據(jù)到虛擬串口，而過濾驅(qū)動程序則將虛擬串口中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給usb功能驅(qū)動程序，反之亦然。基于wdm的usb設(shè)備驅(qū)動程序分層結(jié)構(gòu)如圖9所示。
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