PC/104標準四串口通信板設計

介紹了利用TL16C554和PLD電路設計四串口通信板的方法，電路板結構緊湊，兼容性好，能實(shí)現RS-232和RS-485通信，RS-485通信還具有自動(dòng)識別信號極性的功能。
關(guān)鍵詞：PC/104，PLD，RS-485,極性識別?

1 引言
PC/104嵌入式控制PC出現于80年代末，并于1992年形成IEEEP966.1標準，它既繼承了所有的PC資源，又在結構、體積、功耗、可靠性等方面重新進(jìn)行了設計，使之與IBM PC完全兼容，并具有了體積小、功耗低、工作溫度范圍寬、可靠性高等特點(diǎn)。PC/104嵌入式控制PC采用了獨特的“自棧式”總線(xiàn)連接，模塊化結構，使用起來(lái)靈活方便。它所采用的面向對象的硬件設計方法使得在PC/104標準上開(kāi)發(fā)的擴展模塊具有更強的通用性和更長(cháng)的生命期。同臺式PC機一樣，PC/104嵌入式控制PC也提供兩個(gè)RS-232串行口。串行通信端口在數據通信中一直扮演極重要的角色，它不僅沒(méi)有因為時(shí)代的進(jìn)步而被淘汰，反而在規格上愈來(lái)愈向其極限挑戰。常用的串行通信接口有RS-232和RS-485兩種，近年來(lái)盛行的USB和IEEE 1394也屬于串行通信的延伸。RS-232主要用于點(diǎn)對點(diǎn)通信，特別是通過(guò)MODEM進(jìn)行遠距離的兩點(diǎn)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(xiàn)傳輸，總線(xiàn)連接，距離在1km以?xún)葧r(shí)最大速率是100kbps，允許并聯(lián)32臺驅動(dòng)器和32臺接收器以半雙工方式工作。
PC/104所提供的兩個(gè)串行口資源在很多情況下會(huì )不夠用，這是因為，不僅使用串行口的外設在增加，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備作為系統控制臺使用，占用了寶貴的串行口資源；串行口通信所具有的優(yōu)點(diǎn)使其成為計算機之間通信的首選，隨著(zhù)計算機之間通信需求的增加，尤其在多機通信中，串行口資源就不夠用；在一些PC/104中，兩個(gè)串口的地址往往是不能改變的，給使用帶來(lái)不便； PC/104不提供RS?442或RS-485串行口，在需要利用RS?485總線(xiàn)實(shí)現多機通信時(shí)就必須另外配備轉換器。針對這些困難，解決的方法就是按照PC/104標準開(kāi)發(fā)擴展通信板。
本設計是根據實(shí)際系統的需求開(kāi)發(fā)的，設計中利用集成異步通信單元結合外圍接口電路并按照PC/104標準設計開(kāi)發(fā)了擴展串口通信板，板上提供了兩個(gè)RS-232串行口和兩個(gè)RS-485串行口，串行口地址和中斷請求號可由用戶(hù)選擇。設計中也考慮了擴展通信板的通用性，所設計的通信板符合PC/104標準，支持即插即用，用戶(hù)可根據需要和系統資源條件設置串行口地址和中斷請求號，因此，本設計也可作為開(kāi)發(fā)PC/104標準串口通信板的參考。另外，在本設計中RS-485串行口的硬件電路中有一個(gè)獨特的結構，結合通信協(xié)議,可實(shí)現信號極性的自動(dòng)識別和轉換。
2 通信板的設計方法
2.1 總體結構
本設計的總體結構原理如圖1所示。

圖中PC/104總線(xiàn)是兼容于PC/AT的ISA總線(xiàn)，設計中使用了8位數據信號D0～D7，它們通過(guò)數據緩沖電路連接異步通信單元；10根地址線(xiàn)A0～A9，讀寫(xiě)控制信號IOR，IOW，地址使能信號AEN和復位信號RESET，這些信號同地址選擇電路以及PLD電路中設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(gè)串口的內部寄存器的操作由地址的低3位A0，A1，A2選擇確定；中斷號選擇電路結合PLD電路提供了IRQ3，4，5，7，9，10，11，15 這8個(gè)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4個(gè)異步收發(fā)單元，每一個(gè)都與16550兼容，加上電平轉換電路就可構成一個(gè)串行口。
RS-232電平轉換電路采用MAX213，它提供了5路232到TTL電平的轉換和4路TTL到232電平的轉換，一片MAX213就可實(shí)現完整的RS-232接口功能。
RS-485電平轉換電路采用SN75176，它提供了485標準電平與TTL電平之間的轉換，接收和發(fā)送部分可單獨控制。
數據緩沖由74HC245承擔，其傳輸方向由主機IOR信號控制，片選信號由PLD電路產(chǎn)生。
地址選擇電路提供用戶(hù)設置串行口地址，通過(guò)短路塊的連接將地址的高4位A6～A9置0或置1。
2.2 異步通信單元?
TL16C554是TI公司的產(chǎn)品，集成度高，性能穩定。其內部包含了4個(gè)可獨立操作的可編程異步收發(fā)單元16C550，它們共用了數據線(xiàn)D7～D0、內部寄存器地址線(xiàn)A2～A0、讀寫(xiě)信號線(xiàn)IOR和IOW、DMA讀寫(xiě)控制TXRDY和RXRDY、復位RESET、時(shí)鐘XTL1和XTL2。每個(gè)收發(fā)單元都有自己的片選信號CS、中斷請求INT、數據輸出TX、數據輸入RX及MODEM邏輯控制信號CTS，DCD，DSR，DTR，RI，RTS。其內部功能模塊如圖2所示。
每一個(gè)內部的異步收發(fā)單元都等同于一個(gè)16550，它向下兼容16450，包含了16字節的先進(jìn)先出寄存器，從而減少了對CPU的中斷次數?？删幊淘O定的波特率最大可達1Mbps，接口的字符結構可由用戶(hù)選擇，自動(dòng)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標準的尺寸限制，設計中應盡量采用緊湊的結構，因此，用PLD電路來(lái)產(chǎn)生異步通信單元、數據緩沖電路的控制信號，還利用此電路實(shí)現485連接時(shí)信號極性的自動(dòng)轉換。
PLD電路采用了ALTERA公司的EPM7064，它包含了4個(gè)邏輯陣列塊，64個(gè)宏單元，有1250個(gè)邏輯門(mén)可供使用。開(kāi)發(fā)工具為MAX+PLUSⅡ。
PLD電路主要完成以下功能：?
·每一個(gè)異步收發(fā)單元的選擇。利用8根地址信號A9-A3和讀寫(xiě)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(gè)四位比較器中進(jìn)行地址比較，地址選擇電路可由用戶(hù)設定，這樣就增加了用戶(hù)對地址的選擇范圍和使用的靈活性。
·雙向數據緩沖器的片選。利用A9-A6和讀寫(xiě)控制信號產(chǎn)生。?
·485信號極性選擇。485采用總線(xiàn)方式連接，利用差分方式傳輸，兩根連接線(xiàn)之間的信號正負極性不同，使用時(shí)必須使同極性端相連。當節點(diǎn)之間比較遠，或者使用者并不清楚信號線(xiàn)的極性關(guān)系時(shí)，往往不能保證接線(xiàn)的正確，因此，我們設計了極性的自動(dòng)轉換電路?；舅悸肥沁@樣的，設置一個(gè)電子開(kāi)關(guān)，在通信初始化期間由主機發(fā)一個(gè)固定的測試信號，如果從機發(fā)現接收到的信號不對，就切換電子開(kāi)關(guān)換向，如果接收到的測試信號正確，就保持原來(lái)的連接。電子開(kāi)關(guān)由異或門(mén)充當，它可以反轉或保持發(fā)送和接收的信號，即，當輸入端中的一個(gè)信號置1時(shí)就可使另一個(gè)輸入信號在輸出端反相，而當將其置0時(shí)輸出信號保持不變。電子開(kāi)關(guān)的控制由D觸發(fā)器實(shí)現，在初始化期間從機根據所接收信號的正誤，選通D觸發(fā)器，產(chǎn)生合適的電平，實(shí)現電子開(kāi)關(guān)的控制。以上邏輯關(guān)系都由PLD電路完成。
3 結束語(yǔ)
本設計中，因高集成度串行口異步收發(fā)芯片和PLD電路的使用提升了電路的性能，所制作的印刷電路板結構緊湊，抗干擾性好，在幾種不同型號104/PC機上使用時(shí)表現出了良好的兼容性和穩定性。