摘 要：设计了一种高速RS-422串行通信接口板，采用通用的异步串行通信控制器，以嵌入式PC为控制核心，以双端口RAM作为数据缓存，并对双端口RAM的程序设计进行了详细说明。应用结果表明，该接口板通信速率高，数据缓存能力强，使用简单。
关键词：串行通信；嵌入式PC；高速；双端口RAM
RS-422串行通信方式以其传输距离远、可靠性高、使用灵活等特点，目前仍被大量应用[1]。某型装备测试时，为了实现状态监测与故障诊断，需要对设备间12路通信速率为614.4 kb/s的RS-422串行通信接口进行实时的数据转存，而通用串行通信接口板的通信速率最高为128 kb/s，数据缓存能力差，不能满足要求。本文设计了一种由异步串行通信控制器、嵌入式PC和双端口RAM为主的高速RS-422串行通信接口板，通信速率高，数据缓存强，使用简单。
1 总体方案
高速RS-422串行通信接口板总体方案如图1所示。
该接口板采用通用的异步串行通信控制器ST16C554D，其传输速度可以由输入时钟的频率来控制，最高可以达到1.5 Mb/s，通过计算，本接口板采用9.830 4 MHz的晶振，可以达到614.4 kb/s通信速率，该控制器具有通用并行端口，可以把PC总线扩展为4个异步串行通信端口。选用高速全双工422通信收发器MAX1490，其传输速度可以达到2.5 Mb/s，收发互不影响。为了实现高速实时数据转存，采用嵌入式PC对异步串行通信控制器ST16C554D进行读写操作，并把读取的数据存入双端口RAM[2]。数据接收完毕后，主控PC通过PC104总线对双端口RAM进行读写操作，读出数据并存储在数据文件中，既充分发挥了主控PC的多任务处理能力，又不会对高速数据通信产生影响。
2 硬件设计
2.1 嵌入式PC对异步串行通信控制器的读写控制
采用嵌入式PC完成串行通信任务，其任务单一，可以保证数据的实时收发[3]。如图2所示，本接口板嵌入式PC采用德国控创公司的DIMM-PC/520-I，由133 MHz的高性能CPU、32 MB内存、32 MB板载电子盘、标准ISA总线接口等组成[4]。由于异步串行通信控制器ST16C554D具有并行PC总线接口，可以直接和DIMM-PC的ISA总线相连接。DIMM-PC与ST16C554D的连接方式为IO映射，即ST16C554D作为外部器件，其读写控制由IO读写信号决定。
ST16C554D的传输速度由外接晶振的频率进行调节，传输速率为外接晶振的1/16、1/32、…、1/256，可由软件对寄存器进行设置。ST16C554D扩展了4个标准串行接口，由DIMM-PC的地址线A3~A9经GAL译码后进行选择；每个串行接口有多个寄存器，由DIMM-PC的地址线A0~A2进行选择。
2.2 嵌入式PC对双端口RAM的读写控制
采用大容量双端口RAM主要是为了数据的缓冲和中继传输。双端口RAM 器件IDT7006以内存映射方式与DIMM-PC相连，如图3所示。其数据线D0~D7和地址线A0~A13与DIMM-PC的数据线D0~D7和地址线A0~A13直接连接。内存映射时，双端口RAM的读写信号由DIMM-PC的内存读写控制信号-SMEMR和-SMEMW控制，这样当DIMM-PC访问IO端口时，不会因地址相同而产生冲突，同时提高了寻址能力。由于DIMM-PC的基本640 KB内存空间是公用的，很多程序都访问这个区间，不能把地址映射到这个区域，而1 MB以上的区间为扩展内存时（加内存条）使用的，也不能任意使用，在640 KB～1 MＢ之间有很多空闲区间，可以供扩展板卡进行内存映射时使用。本接口板使用0E0000H~0EFFFFH区间（32 KB）。
2.3 PC104总线对双端口RAM的读写控制
双端口RAM IDT7006以内存映射方式与PC104总线相连，原理如图4所示。其数据线D0~D7和地址线A0~A13与PC104总线的数据线D0~D7和地址线A0~A13直接连接。同样原因，内存映射时，双端口RAM的读写信号由PC104总线的内存读写控制信号-SMEMR和-SMEMW控制。主控PC对本接口板访问时，本接口板虽然在硬件上独立于主控PC，但主控PC可以把本接口板作为其内存的一段来进行读写操作，这样就方便了程序的设计。本接口板映射的地址也在主控PC内存640 KB～1 MB之间，具体地址因主控PC型号的不同而有所区别，可以编程控制。
主控PC和嵌入式PC通过双端口RAM进行数据交换，同时对双端口RAM进行读写操作，在控制逻辑上要避免发生冲突，又要保证信号时序的正确。应该充分利用双端口RAM器件本身的接口资源和状态信号，保证译码的正确有效，在软件设计时保证不同时对一个内存单元进行写操作；另外，采用专用的可编程逻辑芯片替代传统的逻辑门电路组合，提高了译码的速度、准确度和可靠性，减小了电路规模。
2.4 RS-422端口驱动与收发
异步串行通信控制器ST16C554D扩展了4个标准串行接口。在进行RS-422方式通信时可以只使用每个接口的TX和RX端，采用隔离RS-422收发器MAX1490进行端口驱动与收发，如图5所示。
MAX1490把TTL电平的串行通信转换为RS-422电平方式且相互隔离，可避免系统间干扰和瞬间高压损伤。MAX1490的输入端DI是其内部光耦的输入端，需要一定的驱动电流，但ST16C554D的输出驱动能低，因此增加了74HC86门电路进行驱动；MAX1490的输出端DO是集电极开路(OC)输出，应在此端接一个上拉电阻，并用门电路74HC86把电平调理成标准的TTL电平后再由ST16C554D接收。MAX1490的422方式输入输出端（TX+，TX-，RX+，RX-）可以直接与其他系统按RS-422通信协议进行通信。
3 嵌入式 PC主程序结构
嵌入式PC的主程序结构如图6所示，其中有两个重要组成部分，分别是异步串行通信控制器的采集程序和双端口RAM间的控制程序。嵌入式PC与异步串行通信控制器间以IO映射的方式进行连接，控制方式比较简单，只需要按照寄存器结构进行设置和读写操作即可实现数据传输，在此不进行过多阐述，仅对双端口RAM的控制程序进行详细说明。
双端口RAM首字节的数据用于传递命令和状态字，数据含义如表1所示。
双端口RAM在嵌入式PC的内存映射地址为E0000。初始化设置模块对接口板各串口进行初始化，执行自检程序，测试内存和串口状态。把测试结果写在双端口RAM的E0000位置，55H(或66H或77H或88H)表示串口1(或串口2或串口3或串口4)自检错误；EEH表示内存自检错误；FFH表示自检正常；00H表示主机软件的重启动命令，主要用于主机非正常重启时，强制嵌入式 PC主程序放弃已采集数据，重新初始化设置，等待采集命令；99H表示主机软件的采集命令。
用户软件通过查看状态标识位，与接口板上嵌入式PC的DRAM交换数据。用户软件发送转移数据命令，即修改E0000为AAH(或BBH或CCH或DDH)，接口板程序将串口1(或串口2或串口3或串口4)接收的数据转移至E00005以后的地址中，并回复命令，即将E0000修改为11H（或22H或33H或44H），表明串口1(或串口2或串口3或串口4)的数据准备好，用户软件可以读取。转移数据长度写在E0002和E0003地址中。所选择串口是否还有未转移数据标志写在E0004地址中(11H有，00H无)。
4 应用结果
为形成对12路高速串行通信数据的转存能力，数据采集系统中使用了3块按照上述软硬件设计方法所设计的接口板，应用结果表明，各串行通信接口板运行正常，数据接收与存储能力达到了预期目标，对系统资源的占用少。
本文所提出的高速串行通信接口板设计方法应用了嵌入式PC，形成了专门处理数据的核心，提高了数据传输速率，对外部CPU和总线的要求宽松；同时，可以在硬件电路不变的情况下，通过修改软件协议，即修改双端口RAM的读写控制程序，实现全双工高速串行通信。
参考文献
[1] 孙渊，王仕成，闵海波，等.RS422高速串行通信在AT91-RM9200上的实现[J].弹箭与制导学报，2008，28（1）：329-332.
[2] 李正军.计算机测控系统设计与应用[M].北京：机械工业出版社，2004：127-132.
[3] 胡宏伟，宋斌，赵秀娟.基于CPLD和DIMM-PC微处理器模块的图像采集处理系统设计[J].光电技术应用，2006，21(5)：61-66.
[4] Kontron embedded computers AG.DIMM-PC/520-I user’s guide[S].2003