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【摘要】串口通信作為傳統(tǒng)的通信方式仍然受到廣泛應(yīng)用，本文介紹了基于PIC16F877A單片機(jī)、TL16C754異步通信芯片和MAX485芯片實(shí)現(xiàn)異步通信串口擴(kuò)展的整體方案。方案實(shí)現(xiàn)了十四個(gè)串口同時(shí)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定可靠的雙向數(shù)據(jù)通信。通過開展相應(yīng)的試驗(yàn)，證明了該處理方案的有效性，并在某工程項(xiàng)目中得到應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】PIC16F877A；TL16C754；MAX485；串口擴(kuò)展

1引言

針對(duì)艦船、車輛、飛機(jī)等特種操作平臺(tái)封閉的特點(diǎn)，內(nèi)部人員無法獲取周圍環(huán)境的全景信息，大大限制了觀測(cè)和偵查的范圍。全景視覺態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)采用的感知探測(cè)器分布在不同的焦平面上，采用各自成像獨(dú)立的感知探測(cè)器把采集到的視頻拼接成一幅360°同屏、無縫的全景視頻，時(shí)刻提供周圍全景的、高清的、實(shí)時(shí)的視頻，同時(shí)捕獲、跟蹤并測(cè)量目標(biāo)，使指揮官能夠感知其周圍全面的態(tài)勢(shì)，提高其快速反應(yīng)能力和技戰(zhàn)水平。其中全景視覺態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)需要對(duì)多個(gè)感知探測(cè)器進(jìn)行協(xié)同控制并實(shí)時(shí)獲取其狀態(tài)信息，才能對(duì)圖像中的目標(biāo)進(jìn)行精確提取、實(shí)時(shí)跟蹤并準(zhǔn)確測(cè)量目標(biāo)的位置信息，因此對(duì)通信實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和同步性要求較高，全景視覺態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)在通信方面主要面臨以下幾個(gè)問題：（1）多串口的程序控制問題；（2）多串口并行工作的控制協(xié)同問題；（3）串口的數(shù)據(jù)保護(hù)、時(shí)間同步、異常處理、故障分析等問題；（4）串口程序與其他程序間的接口問題；（5）多傳感器協(xié)同工作問題；（6）實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和兼容性問題。因此需要設(shè)計(jì)一種多通道的通信方式來解決全景視覺態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)的以上問題。而串口通信設(shè)計(jì)仍然是目前被廣泛使用的實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與各設(shè)備間相互通信的方法之一，具有傳輸可靠、實(shí)時(shí)性高以及設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，能夠全面解決其通信設(shè)計(jì)問題

2總體設(shè)計(jì)

針對(duì)全景視覺態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)需要同時(shí)與十四個(gè)設(shè)備進(jìn)行通信的情況，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種簡(jiǎn)單可靠的異步串口擴(kuò)展方法，即在單片機(jī)的并行總線上擴(kuò)展UART芯片，用硬件實(shí)現(xiàn)異步數(shù)據(jù)傳輸。該方法的優(yōu)點(diǎn)是軟件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，代價(jià)是在總線上需擴(kuò)展其它設(shè)備。綜合考慮硬件連接和軟件編程的便捷性，采用四通道擴(kuò)展芯片TL16C754實(shí)現(xiàn)四串口的擴(kuò)展。硬件通過級(jí)聯(lián)，可選配4~16個(gè)串口的的靈活配置方式，系統(tǒng)通用性極強(qiáng)。本設(shè)計(jì)實(shí)際只用了其中的14個(gè)串口通道，用最簡(jiǎn)單的硬件連接和軟件編程就能實(shí)現(xiàn)多路異步的串行通信，能滿足系統(tǒng)實(shí)際性能要求。14路級(jí)聯(lián)的多通道串口通信系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。通過本多通道串口通信系統(tǒng)，全景視覺態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)能夠與10路感知探測(cè)器、視頻發(fā)送光端機(jī)、軸編碼器和上位機(jī)進(jìn)行通信，并向10路感知探測(cè)器發(fā)送同步信號(hào)，同時(shí)使用了14路串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，能夠滿足設(shè)計(jì)需求。

3硬件設(shè)計(jì)

3.1PIC16F877A單片機(jī)簡(jiǎn)介

PIC16F877A是Microchip公司生產(chǎn)的使用高性能RISCCPU核心的微處理器，其工作頻率范圍為DC-20MHz，內(nèi)置POR(Power-onReset)和BOR(Brown-outReset)兩種復(fù)位功能和上電延時(shí)定時(shí)器(Power-upTimer，PWRT)，振蕩器起振定時(shí)器(OscillatorStart-upTimer，OSC)，除了一個(gè)看門狗定時(shí)器之外，另外還有3個(gè)定時(shí)器及2個(gè)CCP模塊，輸出具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，程序存儲(chǔ)器最多可到8K的字(14位寬)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)最多到368的字節(jié)(8位)以及256字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，除了部分程序分支(Branch)的指令需要兩個(gè)指令周期外，所有的指令執(zhí)行時(shí)間都只需要一個(gè)指令周期，支持中斷處理(14個(gè)中斷源)。引腳分布圖如圖2所示。

3.2TL16C754通信芯片簡(jiǎn)介

TL16C754是TI公司推出的UART收發(fā)器，是目前最常用的串口擴(kuò)展芯片之一。TL16C754的引腳與PIC16F877A兼容，內(nèi)置4套可獨(dú)立工作的UART系統(tǒng)，最高波特率可達(dá)3Mbit/s。芯片內(nèi)部具有64B觸發(fā)等級(jí)可控的收/發(fā)FIFO，因而能減少CPU的中斷次數(shù)；具有軟/硬件流控功能，并支持DMA方式。可選擇不同的波特率，并可選擇各種串行數(shù)據(jù)格式。該芯片還具有內(nèi)部閉環(huán)測(cè)試功能。以下引腳功能對(duì)驅(qū)動(dòng)開發(fā)是必要的：CS[A：D]為4套UART的片選信號(hào)，低電平有效；A[0：2]為3-bit地址線；D[0：7]為雙向8-bit數(shù)據(jù)線；TX/RX[A：D]為所要發(fā)送和接受的數(shù)據(jù)端口；INT[A：D]為4套UART的中斷信號(hào)，RESET為芯片復(fù)位信號(hào)，高電平有效。引腳分布圖如圖3所示。該器件內(nèi)部共有20個(gè)寄存器，這些寄存器可分別用于實(shí)現(xiàn)通信參數(shù)的設(shè)置、對(duì)線路及MODEM狀態(tài)的訪問、數(shù)據(jù)的發(fā)送和接受以及中斷管理等功能。在硬件連接正確的情況下，只要地址正確，就能像讀取MCU內(nèi)部寄存器那樣讀取芯片的內(nèi)部寄存器。對(duì)于有的芯片需要通過軟件使芯片正確復(fù)位后才能讀取寄存器。要通過A0~A2這3根地址線的8種狀態(tài)來區(qū)分20個(gè)寄存器，這20個(gè)寄存器中一定有一些地址是重疊的。這就需要通過讀寫信號(hào)及某些寄存器的特定位來唯一確定。

3.3MAX485收發(fā)器簡(jiǎn)介

MAX485是一個(gè)8個(gè)引腳的芯片，它是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的RS485收發(fā)器，只能進(jìn)行半雙工的通信，內(nèi)含一個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)信號(hào)接收器。MAX485具有低功耗設(shè)計(jì)，靜態(tài)電流僅為300uA。MAX485具有三態(tài)輸出特性，在使用MAX485時(shí)，總線最多可以同時(shí)連接32個(gè)MAX485芯片。通信波特率可以達(dá)到2.5M。引腳分布圖如圖4所示。下面是MAX485的引腳定義：RO（引腳1）：接收信號(hào)的輸出引腳。可以把來自A和B引腳的總線信號(hào)，輸出給單片機(jī)。是COMS電平，可以直接連接到單片機(jī)。RE（引腳2）：接收信號(hào)的控制引腳。當(dāng)這個(gè)引腳低電平時(shí)，RO引腳有效，MAX485通過RO把來自總線的信號(hào)輸出到單片機(jī)；當(dāng)這個(gè)引腳高電平時(shí)，RO引腳處于高阻狀態(tài)。DE（引腳3）：輸出信號(hào)的控制引腳。當(dāng)這個(gè)引腳低電平時(shí)，輸出驅(qū)動(dòng)器無效；當(dāng)這個(gè)引腳高電平時(shí)，輸出驅(qū)動(dòng)器有效，來自DI引腳的輸出信號(hào)通過A和B引腳被加載到總線上。是COMS電平，可以直接連接到單片機(jī)。DI（引腳4）：輸出驅(qū)動(dòng)器的輸入引腳。是COMS電平，可以直接連接到單片機(jī)。當(dāng)DE是高電平時(shí)，這個(gè)引腳的信號(hào)通過A和B腳被加載給總線。GND（引腳5）：電源地線。A（引腳6）：連接到RS485總線的A端。B（引腳7）：連接到RS485總線的B端。Vcc（引腳8）：電源線引腳。電源4.25V≤Vcc≤5.75V。

3.4芯片接口設(shè)計(jì)

PIC16F877A、TL16C754、MAX485及外設(shè)的組成如圖2所示。RE0-RE2連接A2-A0地址端，結(jié)合對(duì)TL16C754的讀、寫及LCR的BI1_7用于選擇TL16C754內(nèi)置的各個(gè)寄存器，根據(jù)需要對(duì)其進(jìn)行配置。RA0-RA2連接CSA-CSD，CPU根據(jù)約定的協(xié)議或者中斷信號(hào)源選擇相應(yīng)的通道，發(fā)送或者接收相應(yīng)通道的數(shù)據(jù)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。RB4-RB7連接INTA-INTD，TL16C754產(chǎn)生FIFO接收數(shù)據(jù)有效中斷、超時(shí)中斷、接收器線路狀態(tài)中斷、發(fā)送器保持寄存器空中斷等中斷時(shí)，將中斷信號(hào)發(fā)給CPU，CPU收到中斷信號(hào)后，進(jìn)入相應(yīng)的中斷處理程序。RC0-RC2分別連接IOW，IOR及RESET，由CPU控制所選TL16C754通道的寫操作、讀操作及內(nèi)部寄存器復(fù)位操作。硬件連接圖如圖5所示。

4軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括主程序和中斷服務(wù)子程序兩部分，主程序完成TL16C754寄存器的初始化，打開中斷，等待中斷的響應(yīng)；中斷服務(wù)子程序主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)工作。串行通信時(shí)所需要的參數(shù)通過初始化寄存器進(jìn)行設(shè)置，這些參數(shù)包括通信數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)位數(shù)、停止位數(shù)、奇偶校驗(yàn)等。另外還需要設(shè)置發(fā)送和接收的波特率及中斷方式，主要流程如圖6所示。本設(shè)計(jì)的參數(shù)設(shè)置是，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，奇校驗(yàn)，波特率為115200，中斷方式下，允許接收就緒中斷和發(fā)送緩沖區(qū)空中斷。程序設(shè)計(jì)可以同時(shí)完成與多路信號(hào)的通信與校驗(yàn)算法的快速解算驗(yàn)證，具有重要的實(shí)際意義。

5實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述軟硬件設(shè)計(jì)的正確性，可以將本系統(tǒng)的十四個(gè)串口分別與上位機(jī)、光端機(jī)、編碼器和10個(gè)感知探測(cè)器連接。根據(jù)事先編寫好的通信協(xié)議，啟動(dòng)各設(shè)備發(fā)送并接收數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)收到信號(hào)會(huì)觸發(fā)相應(yīng)的中斷，將收到的數(shù)據(jù)在程序中進(jìn)行校驗(yàn)，按照相應(yīng)的業(yè)務(wù)邏輯處理之后發(fā)送至下一節(jié)點(diǎn)設(shè)備。實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠、高效，可以滿足全景視覺態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)的多通道通信需求，證明了該設(shè)計(jì)方案的有效性。如圖7所示。

6結(jié)束語

本多通道串口通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全景視覺態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)所需的多路串口的雙向通信功能，能保證在高波特率的條件下實(shí)現(xiàn)串口擴(kuò)展，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效管理，大大降低了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理負(fù)擔(dān)，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，其已經(jīng)應(yīng)用于某工程項(xiàng)目中，運(yùn)行效果良好，并且可以在更多工程應(yīng)用領(lǐng)域加以推廣。

參考文獻(xiàn)

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作者：陳兆飛 周軍華 張長(zhǎng)江 郭炳 單位：中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所