基于PowerPC嵌入式內(nèi)核的多串口通信擴(kuò)展設(shè)計(jì)

居 曉，李志宇，肖莉萍

（1.南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210016; 2.南京航空航天大學(xué) 無人機(jī)研究院，江蘇 南京 210016）

在一些復(fù)雜的控制領(lǐng)域中，控制計(jì)算機(jī)往往需要與多個(gè)終端進(jìn)行信息的交互通信。但由于工程現(xiàn)場環(huán)境的限制和應(yīng)用設(shè)備的日漸增多，近距離集中式的通信管理已不再具有普遍適用性。

隨著遠(yuǎn)程集散控制理念的出現(xiàn)，串行數(shù)據(jù)通信因其結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)方便、價(jià)格低廉、占用資源少[1]、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢而得到了廣泛普及。而近年來串口通信正朝著帶寬、速度、穩(wěn)定性逐漸增加的方向發(fā)展[2]，利用多個(gè)串口進(jìn)行信號(hào)采集或數(shù)據(jù)傳輸為多設(shè)備分布式布局提供了可能。但一般的處理器板卡只有一至兩個(gè)RS232串口，難以滿足控制系統(tǒng)對串口數(shù)量和數(shù)據(jù)傳輸過程中抗干擾性能的要求，因此需要對串口進(jìn)行擴(kuò)展設(shè)計(jì)。

傳統(tǒng)的串口擴(kuò)展設(shè)計(jì)多以微控制器與串口芯片在板集成的方式實(shí)現(xiàn)，需單獨(dú)設(shè)計(jì)其控制電路和外圍接口電路，周期較長，靈活性低，且穩(wěn)定性和抗干擾性仍有待驗(yàn)證。MPC565與EMM串口卡技術(shù)相對更加成熟，各性能指標(biāo)已經(jīng)過長期的實(shí)踐驗(yàn)證，同樣具有的PC/104總線結(jié)構(gòu)使其能夠以簡單的插拔方式實(shí)現(xiàn)串口功能的擴(kuò)展，使用靈活、方便。因此本文結(jié)合以PowerPC嵌入式處理器MPC565為核心的飛控計(jì)算機(jī)開發(fā)平臺(tái)，介紹一種多串口通信在實(shí)際工程應(yīng)用中的擴(kuò)展方法。利用MPC565與EMM-8M-XT組成串口擴(kuò)展系統(tǒng)，通過簡單的搭積木方式實(shí)現(xiàn)8個(gè)通信方式可配置的串口擴(kuò)展。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文涉及的內(nèi)容已成功應(yīng)用于某型無人機(jī)飛控系統(tǒng)的預(yù)研開發(fā)。眾所周知，無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)是個(gè)典型的多輸入、多輸出系統(tǒng)，其多外設(shè)平臺(tái)大多采用分布式布局[3]，串行通信逐漸成為了各傳感器及任務(wù)設(shè)備與飛控計(jì)算機(jī)內(nèi)核之間的主要通信方式，高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸尤其重要。

本文中飛控計(jì)算機(jī)內(nèi)核采用具有PC/104結(jié)構(gòu)的MPC565板卡。PowerPC系列的MPC565處理器具有較高的硬件穩(wěn)定性和抗干擾性，工作頻率可達(dá)50 MHz以上，在無操作系統(tǒng)的情況下也能可靠、靈活的直接操作硬件，運(yùn)算處理能力強(qiáng)大，可靠性高，工作溫度范圍-40℃～+85℃，同時(shí)應(yīng)用PC/104總線結(jié)構(gòu)還可以外接串口、A/D、D/A、I/O等功能組件，為其提供了方便的資源擴(kuò)展能力，且有利于功能的模塊化集成。MPC565可通過簡單的插拔方式與同樣具有PC/104結(jié)構(gòu)的EMM-8M-XT實(shí)現(xiàn)串口功能的擴(kuò)展。EMM-8M-XT串口板提供8個(gè)通信模式可配置的串行接口，分別連接磁羅盤、大氣機(jī)、GPS、慣導(dǎo)等設(shè)備，完成不同的任務(wù)功能。擴(kuò)展串口通信后飛控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 多串口通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Schematic diagram of multi-serial ports communication system

本文應(yīng)用的MPC565板卡設(shè)有3個(gè)RS232通信串口，主要用于程序裝訂和飛控參數(shù)的測試，因此需額外的串口模塊來滿足飛控計(jì)算機(jī)的基本功能。這里選用DIAMOND公司的EMM-8M-XT串口模塊實(shí)現(xiàn)串口功能的擴(kuò)展。

EMM-8M-XT串口模塊集成了兩個(gè)高性能的16C654控制芯片，8個(gè)獨(dú)立的串口通道各有64字節(jié)的接收緩沖器和發(fā)送緩沖器，自動(dòng)軟硬件流程控制，最高配置波特率可達(dá)1.5 Mb/s，有10個(gè)不同的中斷優(yōu)先級(jí)可選。每個(gè)通道的狀態(tài)可以通過CPU的操作讀取寄存器。三態(tài)輸出為雙向數(shù)據(jù)總線和控制總線提供TTL驅(qū)動(dòng)能力、優(yōu)先級(jí)中斷系統(tǒng)控制、可編程的串行接口特性[4-5]。串口基地址、中斷號(hào)和通信模式（RS232/422/485可選）亦可通過硬件跳線靈活配置，如圖2和圖3所示。

圖2 基地址和中斷號(hào)跳線設(shè)置示意圖Fig. 2 Sketch map of jumper configuration for base address and interrupt number

圖3 通信模式跳線設(shè)置示意圖Fig. 3 Sketch map of jumper configuration for communication mode

為防止與其他PC/104結(jié)構(gòu)的板卡沖突，在這里把串口板的基地址設(shè)為200H，port1～port8共用3號(hào)中斷。基地址跳線J9的A、B、C、D定義如圖4所示，“In”表示放置跳線，“Out”表示不放置跳線。每個(gè)串行口的基地址和中斷號(hào)信息均保存在EEPROM中，上電后板卡從中讀取這些數(shù)據(jù)，自動(dòng)完成基地址和中斷號(hào)的初始配置。

圖4 基地址跳線定義圖Fig. 4 Definition chart of jumper for base address

2 應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

應(yīng)用軟件采用C語言編程，可讀性好，主要分為串口板初始化軟件和串口中斷服務(wù)軟件。EMM-8M-XT的8個(gè)串口相對獨(dú)立。除共用中斷級(jí)外，MPC565可對每個(gè)串口的特性進(jìn)行單獨(dú)控制，因此波特率、數(shù)據(jù)格式、緩沖區(qū)深度等需通過初始化軟件依次設(shè)置。8串口初始化流程和中斷處理流程如圖5所示。

用中斷方式實(shí)現(xiàn)芯片功能比查詢方式能更有效地利用CPU，具有更好的實(shí)時(shí)性，大批量數(shù)據(jù)傳輸時(shí)中斷方式更能顯示出其優(yōu)勢。

圖5 串口初始化流程圖Fig. 5 Flow chart of serial port initialization

圖6 中斷處理函數(shù)流程圖Fig. 6 Flow chart of interrupt service routine

本例中8個(gè)串口共用3號(hào)中斷，由內(nèi)部硬件機(jī)制完成板級(jí)中斷狀態(tài)寄存器相應(yīng)位的置位與清零。在中斷處理子程序中，首先要關(guān)閉 CPU 響應(yīng)其他中斷的能力，以免造成多層中斷嵌套可能導(dǎo)致的程序死機(jī)[6-7]。這樣即使中斷同時(shí)到來各串口也能正常工作，不會(huì)出現(xiàn)搶占現(xiàn)象，亦不會(huì)產(chǎn)生中斷阻塞或丟失情況。8個(gè)串口共用3號(hào)中斷，具體哪一個(gè)通道產(chǎn)生中斷由位于202H的中斷狀態(tài)寄存器指示（bit0～bit7分別代表1～8號(hào)串口）。中斷發(fā)生后，CPU將“一視同仁”，按照3號(hào)中斷處理函數(shù)內(nèi)設(shè)置的中斷狀態(tài)查詢次序，對到來的中斷依次響應(yīng)。數(shù)據(jù)接收或發(fā)送時(shí)，各串口采用相同的中斷處理流程，下面以串口中斷服務(wù)程序?yàn)槔瑢浖O(shè)計(jì)思路進(jìn)行描述。

串口中斷處理程序EMMComInterrupt：

3 性能驗(yàn)證

多串口通信擴(kuò)展系統(tǒng)實(shí)物圖如圖7所示。實(shí)際應(yīng)用中分別對8個(gè)串口進(jìn)行了局部測試和系統(tǒng)測試，如圖8所示。在115200bps的高波特率下，長時(shí)間的通信驗(yàn)證未出現(xiàn)幀格式錯(cuò)誤和丟幀現(xiàn)象。中斷的收發(fā)方式亦同時(shí)保證了較高的傳輸速度和對其它任務(wù)的實(shí)時(shí)響應(yīng)。

圖7 多串口通信系統(tǒng)實(shí)物圖Fig. 7 Real picture of multi-serial ports communication system

圖8 多串口通信系統(tǒng)實(shí)物圖Fig. 8 Real picture of multi-serial ports communication system

4 結(jié) 論

文中利用PC/104總線結(jié)構(gòu)的PowerPC嵌入式處理器MPC565和串口模塊EMM-8M-XT成功構(gòu)建了多串口通信擴(kuò)展系統(tǒng)。各串口在帶有校驗(yàn)機(jī)制的長時(shí)間連續(xù)串行通信測試中，RS232、RS422、RS485 3種工作模式下均收發(fā)正常，幀格式正確且誤碼率極低。系統(tǒng)測試中，8個(gè)串口工作于無人機(jī)機(jī)載復(fù)雜電磁環(huán)境和溫變循環(huán)（-40℃、+85℃）等惡劣條件下，能夠長時(shí)間連續(xù)穩(wěn)定的進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，具有較強(qiáng)的抗干擾能力和良好的實(shí)時(shí)性能。

該多串口通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，插拔式的PC/104總線結(jié)構(gòu)使其具備了豐富的資源擴(kuò)展能力。該設(shè)計(jì)方法已成功應(yīng)用于某型無人機(jī)相似余度結(jié)構(gòu)飛控計(jì)算機(jī)的原理樣機(jī)開發(fā)中，對工業(yè)控制領(lǐng)域的其它類似應(yīng)用可提供參考和借鑒。

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