基于WINCE的多串口擴(kuò)展系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

隨著當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能化及自動(dòng)化設(shè)備越來越多，其中以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及現(xiàn)場總線的發(fā)展最為典型。在大型集中控制現(xiàn)場如停車場主控制系統(tǒng)、多點(diǎn)溫度采集系統(tǒng)等，要進(jìn)行采集和測試的通信點(diǎn)數(shù)和通信終端較多，多個(gè)串口通訊系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。普通設(shè)備的主控制器通常采用簡單的單片機(jī)，其往往只有一到三個(gè)串口，不能滿足多采集點(diǎn)的系統(tǒng)要求。為了完成主控制器對(duì)多點(diǎn)的通信及控制，需要進(jìn)行串口擴(kuò)展，TL16C554是最為常見的4 串口擴(kuò)展芯片，有很強(qiáng)的靈活性和實(shí)用性?；贏RM9 內(nèi)核的S3C2440 處理器在嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，可以運(yùn)行WINCE 操作系統(tǒng)，此處理器的強(qiáng)大功能及外圍接口芯片的豐富性，使得系統(tǒng)的開發(fā)相對(duì)容易，同時(shí)也方便擴(kuò)展16C554。嵌入式多串口擴(kuò)展系統(tǒng)功能強(qiáng)、應(yīng)用場所廣泛，具有廣泛的市場前景。

1 方案分析

為了使多串口擴(kuò)展系統(tǒng)的應(yīng)用場合更加廣泛，應(yīng)選擇驅(qū)動(dòng)程序及應(yīng)用程序開發(fā)周期短的方案，因此本設(shè)計(jì)的方案采用ARM9+CPLD+TL16C554 的硬件框架，軟件平臺(tái)基于WINCE 操作系統(tǒng)，其應(yīng)用程序和驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)周期較短。系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)以及 16C554 的WINCE 驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)和應(yīng)用程序的開發(fā)。

硬件設(shè)計(jì)中ARM9 主處理器采用三星公司的S3C2440：其主頻最高可以達(dá)到533MHz，本系統(tǒng)使用400MHz；總線速度使用100MHz；具有SD 卡接口，支持USB 下載相關(guān)內(nèi)核及鏡像；支持多種分辨率的TFT液晶屏；無需圍電路的觸摸屏接口；外擴(kuò)64M 的SDRAM，64M 的NAND FLASH；三路UART 通用異步串行口；支持總線方式擴(kuò)展外設(shè)，本系統(tǒng)的另外8 路串口就是通過總線方式擴(kuò)展兩片16C554 實(shí)現(xiàn)的。

CPLD 采用ALTERA 公司推出的MAX3000 系列的EPM3128ATC100：具有128 個(gè)宏單元；先進(jìn)高速的I/O接口；具有80 個(gè)可用的I/O 口。其高速的硬件運(yùn)行速度滿足本系統(tǒng)的100MHz 的總線擴(kuò)展速度，I/O 口也滿足本系統(tǒng)擴(kuò)展16C554 的需求。

16C554 采用TI 公司生產(chǎn)的TL16C554AI ， 其內(nèi)部有四個(gè)增強(qiáng)型的ACE(AsynchronousConun unicationsElement)異步收發(fā)的并/串轉(zhuǎn)換組件TL16C550，波特率通過寄存器的編程可改變，最高可達(dá)1Mbps，具有16 字節(jié)FIFO 收發(fā)深度，可大大減少收發(fā)中斷次數(shù)，提高處理器的效率；具有可獨(dú)立控制的發(fā)送、接收、線路狀態(tài)和MODEM 狀態(tài)中斷，方便主控制器控制16C554 的收發(fā)狀態(tài)；具有斷線產(chǎn)生和檢測以及內(nèi)部故障診斷功能，提高了通信的穩(wěn)定及可靠性；完善的系統(tǒng)分級(jí)中斷控制。本系統(tǒng)處理器WINCE 驅(qū)動(dòng)產(chǎn)用中斷方式檢測16C554 的收發(fā)情況。

軟件設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)WINCE應(yīng)用程序存放在SD卡中，可針對(duì)不同的應(yīng)用場合編寫不同的應(yīng)用程序。主處理器S3C2440根據(jù)SD卡內(nèi)的應(yīng)用程序控制CPLD+16C554的串口擴(kuò)展板，向八路串口收發(fā)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)實(shí)物完成圖如下圖2所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)具體硬件設(shè)計(jì)采用的方式是S3C2440 的地址線、控制線直接進(jìn)入CPLD 芯片EPM3128，然后經(jīng)過CPLD的邏輯運(yùn)算輸出16C554 的片選信號(hào)線，16C554 根據(jù)片選信號(hào)對(duì)內(nèi)部的相應(yīng)模塊進(jìn)行串口數(shù)據(jù)處理，處理的數(shù)據(jù)直接與主控制芯片S3C2440 進(jìn)行傳輸。其中一片TL16C554 的外圍電路連接如下圖3 所示。

圖3中，TL16C554 的并行數(shù)據(jù)線D0~D7 與ARM9 控制器S3C2440 的數(shù)據(jù)總線DATA0~DATA7 經(jīng)過總線驅(qū)動(dòng)芯片LVTH162245 輸出相連的；TL16C554 的八個(gè)片內(nèi)寄存器地址線A0~A2 與S3C2440 的地址總ADDR0~ADDR2 經(jīng)過總線驅(qū)動(dòng)芯片LVTH162245 輸出相連的；而總線驅(qū)動(dòng)芯片的方向則由S3C2440 的控制總線經(jīng)過EPM3218 的邏輯運(yùn)算輸出控制；每片TL16C554 的內(nèi)部有四個(gè)串口模塊的片選信號(hào)nGCSA~nGCSD，本系統(tǒng)使用兩片TL16C554，因此需要8 個(gè)片選信號(hào)，第一片掛在S3C2440 總線的BANK1 上，第二片掛在總線的BANK2 上，每片都用到S3C2440的高位地址線ADDR23、ADDR24 做為片選線，這四根總線ADDR23、ADDR24、nGCS1、nGCS2 連到EPM3218，然后經(jīng)過CPLD 譯碼之后的八根片選信號(hào)UART_nCSA1~nCSD1、UART_nCSA2~D2 分別連接到TL16C554 的八個(gè)片選上。TL16C554 的讀寫信號(hào)線nIOW、nIOR 也是與S3C2440 的讀寫總線LnOE、LnWE 及總線片選nGCS1、nGCS2 經(jīng)過EPM3218 的譯碼之后相連的；TL16C554 的復(fù)位及上電啟動(dòng)需要一定寬度的低電平來完成，本系統(tǒng)直接與S3C2440系統(tǒng)的復(fù)位信號(hào)相連；本系統(tǒng)TL16C554 采用的是中斷方式的收發(fā)模式，因此nINTN 直接連接到高電平，使芯片中斷使能；TL16C554內(nèi)部四個(gè)模塊都有一個(gè)中斷信號(hào)INTA~D，兩片總共八個(gè)中斷信號(hào)線分別直接連接到SDC2440 的八個(gè)外部中斷引腳上，因此任何一個(gè)串口通信事件產(chǎn)生中斷都全直接使S3C2440 進(jìn)入中斷服務(wù)狀態(tài)，并做相應(yīng)的中斷數(shù)據(jù)處理。

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括 EPM3218 的VHDL 硬件語言程序；TL16C554 的WINCE 驅(qū)動(dòng)程序，多路異步串口
通信系統(tǒng)的WINCE 應(yīng)用程序，以下將分別簡單介紹。

3.1 EPM3218 的VHDL 語言程序

CPLD 程序的開發(fā)采用的環(huán)境是Quartus II V4.1，它是由Altera 公司推出的一個(gè)多平臺(tái)綜合性設(shè)計(jì)環(huán)境，包括各種形式的設(shè)計(jì)輸入、功能仿真和時(shí)序仿真等功能。其中設(shè)計(jì)輸入分為圖形設(shè)計(jì)文件、VHDL 程序文件，Verilog HDL 程序文件等。VHDL 的邏輯綜合比VerilogHDL 更加嚴(yán)謹(jǐn)，對(duì)于大型系統(tǒng)來說VHDL 的設(shè)計(jì)輸入是首選。

本系統(tǒng)CPLD 的程序設(shè)計(jì)就是采用VHDL 硬件描述語言，它與常規(guī)的順序執(zhí)行的計(jì)算機(jī)程序不同，從根本上講它是并發(fā)執(zhí)行的。
系統(tǒng)中的CPLD 程序主要實(shí)現(xiàn)的是對(duì)S3C2440 的相關(guān)總線片選信號(hào)進(jìn)行譯碼，從而對(duì)TL16C554 進(jìn)行片選及
讀寫操作。部分程序代碼如下所示：

B_DIR_1 <= (NOT LnOE); -- S3C2440 總線驅(qū)動(dòng)芯片LVTH162245 的方向控制信號(hào)
UART_nCSA1 <= nGCS1 OR (NOT ADDR24) OR (NOT ADDR23); --TL16C554 的片選A
UART_nCSB1 <= nGCS1 OR ADDR24 OR (NOT ADDR23); --TL16C554 的片選B
UART_nCSC1 <= nGCS1 OR (NOT ADDR24) OR ADDR23; --TL16C554 的片選C
UART_nCSD1 <= nGCS1 OR ADDR24 OR ADDR23 ; --TL16C554 的片選D
UART_nIOW1 <= LnWE; -- TL16C554 的寫信號(hào)線
UART_nIOR1 <= LnOE; -- TL16C554 的讀信號(hào)線

3.2 TL16C554 的WINCE 驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)編寫 WINCE 驅(qū)動(dòng)首先要確定它是屬于哪種驅(qū)動(dòng)，WINCE 驅(qū)動(dòng)程序分本機(jī)設(shè)備驅(qū)動(dòng)和流設(shè)備驅(qū)動(dòng)。本機(jī)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是被靜態(tài)地鏈接到GWES，它們不作為一個(gè)單獨(dú)的DLL 存在。有一些類型的設(shè)備，如鍵盤、顯示器等對(duì)操作系統(tǒng)都有一定的接口，是專門用于WINCE 的。所以它們都屬本機(jī)設(shè)備驅(qū)動(dòng)。流接口驅(qū)動(dòng)程序是以動(dòng)態(tài)鏈接庫形式存在的，由設(shè)備管理器統(tǒng)一加載、管理和卸載。若是按照結(jié)構(gòu)分，又可分為分層的驅(qū)動(dòng)程序和不分層的驅(qū)動(dòng)程序。分層的驅(qū)動(dòng)程序由兩層組成：上層是模型設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序(MDD)，下層是依賴平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)程序(PDD)。其驅(qū)動(dòng)模型見圖3。

本系統(tǒng)采用流式驅(qū)動(dòng)程序來完成TL16C554 的WINCE 驅(qū)動(dòng)。

流接口驅(qū)動(dòng)程序要實(shí)現(xiàn)的DLL 接口包括：
◆ EUT_Init：設(shè)備管理器初始化一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序；
◆ EUT_Deinit：設(shè)備管理器卸載一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序；
◆ EUT_Open：打開一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序時(shí)應(yīng)用程序通過CreateFile()函數(shù)調(diào)用此函數(shù)；
◆ EUT_Close：在驅(qū)動(dòng)程序關(guān)閉時(shí)應(yīng)用程序通過C1oseHandle()函數(shù)調(diào)用；
◆ EUT_Read：設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序處于打開狀態(tài)時(shí)應(yīng)用程序通過ReadFile()調(diào)用此函數(shù)；
◆ EUT_Write：設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序處于打開狀態(tài)時(shí)應(yīng)用程序通過WriteFile()調(diào)用此函數(shù)；
◆ EUT_Seek：對(duì)設(shè)備的數(shù)據(jù)指針進(jìn)行操作，由應(yīng)用程序通過SetFilePointer()函數(shù)調(diào)用;
◆ EUT_IOContorl：上層的軟件通過DeviceIoControl()函數(shù)調(diào)用此函數(shù)；

其中 EUT 代表串口擴(kuò)展芯片設(shè)備驅(qū)動(dòng)的設(shè)備文件名。
然后添加一個(gè)注冊(cè)表文件，命名為extenduart.reg：

[HKEY_LOCAL_MACHINEDriversBuiltInextenduart]
"DeviceArrayIndex"=dword:0
"Irq"=dword:17 //邏輯中斷號(hào)
"IoBase"=dword:08000000 //為TL16C554 片內(nèi)A 路寄存器在S3C2440 總線的起始地址
"IoLen"=dword:2C
"Prefix"="EUT"
"Dll"="extenduart.Dll"
"Order"=dword:0
"Priority"=dword:0
"Port"="EUT1:" //串口號(hào)為EUT1
"FriendlyName"="S2440 EUT1"其中： "Irq"=dword:17 ， 是第一片TL16C554 的A 路串口在WINCE 驅(qū)動(dòng)中的邏輯中斷號(hào)；"IoBase"=dword:08000000，是TL16C554 串口芯片A 路串口寄存器的起始地址，對(duì)于其他B、C、D 路串口的注冊(cè)表信息與A 路串口類擬，限于篇幅在此處省略。

3.3 多路異步串口通信的WINCE 應(yīng)用程序

在本系統(tǒng)中我們用 CSerialPort 類對(duì)TL16C554 驅(qū)動(dòng)進(jìn)行了串口應(yīng)用程序的封裝，該類基于多線程，其工作流程如下：首先設(shè)置好串口參數(shù)，如波特率等；然后開啟串口監(jiān)視工作線程監(jiān)測串口接收到的數(shù)據(jù)（S3C2440以中斷方式接收數(shù)據(jù)）或其他串口事件，再以消息方式通知主線程，從而激發(fā)消息處理函數(shù)來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，這是對(duì)接收數(shù)據(jù)而言的；發(fā)送數(shù)據(jù)可以直接向串口發(fā)送。下面是對(duì)CSerialPort 類使用方法的簡單描述：

CSerialPort m_SerialPort; /* 定義擴(kuò)展串口對(duì)象 */
m_SerialPort.OpenPort(_T("EUT1:"), 19200); /* 以19200 的波特率打開擴(kuò)展串口EUT1*/
m_SerialPort.m_pReceiveCallback = (ReceiveCallback*) (receiveByte);
/* 監(jiān)聽串口接收數(shù)據(jù)的回調(diào)函數(shù) */
m_SerialPort.WriteChar(&byte, 1); /* 從擴(kuò)展串口發(fā)送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù) */

結(jié) 語

本文利用ARM9 處理器+CPLD+16C554 的方案設(shè)計(jì)基于WINCE 的多路串口擴(kuò)展系統(tǒng)的軟硬件，并成功應(yīng)用于多終端采集系統(tǒng)中，表明系統(tǒng)方案的正確性。同樣利用此方案可以擴(kuò)展更多的串口芯片從而提高系統(tǒng)串口通道數(shù)，另外系統(tǒng)中SD 卡內(nèi)的應(yīng)用程序可以靈活配置，從而適應(yīng)更多的應(yīng)用場合。系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] Volnei A. Pedroni. Circuit Design with VHDL[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry.2007.
[2] Douglas Boling. Programming Windows Embedded CE 6.0 Developer Reference[M]. Washington,USA:arrangement with the original publisher.2008.
[1] 鄧川云，樊慶文等．基于嵌入式WinCE的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［J］．微計(jì)算機(jī)信息．2009，6-1：94-95．
[3] 周建設(shè).Windows CE 設(shè)備驅(qū)動(dòng)及BSP開發(fā)指南[M].北京:中國電力出版社,2009.
[4] 薛大龍,陳世帝,王韻.Windows CE 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)從基到實(shí)踐[M].北京:電了工業(yè)出版社,2008.
[5] 趙建領(lǐng).Protel 電路設(shè)計(jì)與制版寶典[M].北京:電了工業(yè)出版社,2007.
[6] 王海祥,陳美君.基于ARM9的串口擴(kuò)展設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化,2008,12：84-87.
[7] 周建芳,黃鳳辰.基于TL16C554的水情中心站多路數(shù)據(jù)接收[J].中國科技信息,2005,18：10.

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：使用嵌入式 ARM9 處理器與CPLD 處理器帶串口擴(kuò)展芯片進(jìn)行多串口擴(kuò)展系統(tǒng)設(shè)計(jì),系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，可廣泛用于多終端采集系統(tǒng)。