串行通信在智能儀器系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信中一直扮演極重要的角色，具有線路簡單、應(yīng)用靈活、可靠性高等優(yōu)點，目前已成為許多高端CPU和低端單片機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置。由于51單片機(jī)多數(shù)只提供了一個串口資源，最多二個串口，幾乎沒有超過這個數(shù)目的，所以軟件模擬串口的收發(fā)工作往往是此類系統(tǒng)的擴(kuò)展多串口的首選方案，但該方案不僅占用資源，且應(yīng)用效果并不理想。因此本文采用了16C554擴(kuò)展串口資源，并提供了實際電路原理圖和軟件的模塊化設(shè)計方案及部份軟件代碼等。
1.16C554原理
16C554是一種通用異步串行收發(fā)器，采用并行一串行轉(zhuǎn)換機(jī)制提供了4組RS --232接口，每通道可配置最大16字節(jié)FIFO (First In First Out)緩存，其總線接口方式，便于和MCS-51單片機(jī)連接，實現(xiàn)串口擴(kuò)展;其可以提供兩種接口：16模式和68模式，16模式專門針對51系列單片機(jī);68模式針對Motorola系列和其它系列單片機(jī)，提供FIFO和 DMA兩種工作模式。
1.1內(nèi)部結(jié)構(gòu)
圖1是其內(nèi)部一組通道(其它三組一樣)的原理框圖。它提供了數(shù)據(jù)總線(D0-D7)、讀寫控制信號(IOW/R)及片選信號(A0-A2，CS)，還提供符合RS -232協(xié)議的接口信號，如TxD，RxD及Modem控制信號等，并具有內(nèi)部通道自檢功能;其工作流程是：在控制信號(Iow，IOR，CS，A0-A2)的作用下，對指定的某一路通道進(jìn)行操作;數(shù)據(jù)或從8位數(shù)據(jù)線寫入到發(fā)送寄存器(Transmit FIFO Registers)，啟動發(fā)送工作，或者從接收寄存器(Receive FIFO Registers)進(jìn)行讀取操作;當(dāng)發(fā)送寄存器或接收寄存器發(fā)送完成或接收到一個字節(jié)的內(nèi)容時，對應(yīng)通道的INT A-D會從高電平變化為低電平，這個信號變化可以作為單片機(jī)的中斷源。
圖1 16C554內(nèi)部原理圖
1.2內(nèi)部寄存器
在應(yīng)用時，必須首先對16C554 內(nèi)部的幾個重要功能寄存器如中斷使能寄存器等進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)設(shè)置正確后，16C554 才可以正常工作。部分寄存器是獨立地址，有一些寄存器是共用地址，根據(jù)讀寫操作的不同，代表的功能是不同的，具有不同的物理意義(見表1、表2)。
1.3應(yīng)用特點
器件的主要特點如下：支持3.3V和5V，內(nèi)部包含4片16C550，最高可達(dá)1M的波特率，可軟件設(shè)定波特率;16字節(jié)帶錯誤指示功能的接收FIFO緩沖器;可編程設(shè)定的數(shù)據(jù)格式:數(shù)據(jù)長度為5、6、7、8等位，停止位長度為1、1.5、2等位，提供偶校驗、奇校驗或無校驗?zāi)Ｊ?標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制解調(diào)器接口;68引腳PLCC和80引腳TQFP兩種封裝形式。
2.應(yīng)用設(shè)計
2.1硬件設(shè)計
在采用89C58實現(xiàn)的一個移動目標(biāo)無線遙測遙控系統(tǒng)中，需要完成的工作主要有：GSM通訊、GPS處理、PC通訊以及手柄通訊等，這些外設(shè)都是通過RS—232接口和51單片機(jī)通訊的。采用16C554擴(kuò)展51單片機(jī)串口的連接如圖2所示。
圖2 采用16C554擴(kuò)展的51單片機(jī)串口連接
圖2中，D[0-7]連接51單片機(jī)的P0口，A0/A1/A2連接到P0的三位地址線;GSMCS、GPSCS、HSETCS及PCCS分別代表著A通道(連接到GSM)、B通道(GPS通訊)、C通道(手柄顯示)及D通道(計算機(jī)通訊通道)的片選信號，連接到P2口的三位地址線;INTA/INTB/INTC/INTD是四通道的接收/發(fā)送后的指示信號，作為51單片機(jī)外部中斷源INT0，當(dāng)四通道中的任一通道接收到內(nèi)容，都會觸發(fā)51單片機(jī)中斷申請，使51單片機(jī)進(jìn)入中斷程序，讀取內(nèi)容與PC、手柄的串行通訊經(jīng)過了RS- 232電平變換，以滿足較長距離通訊的需要。
圖2中，4個二極管和一個與非門組成5U1中斷信號電路，芯片復(fù)位端和51單片機(jī)復(fù)位信號相連。
特別需要說明的是16C554的供電電路。實踐中，發(fā)現(xiàn)它極易受到電源波動的影響，導(dǎo)致通訊失敗。因此，電路中采用電阻5R4和5C1、5C2組成了一個RC濾波電路，且在布板時，根據(jù)就近連接的原則，把5C3和PIN13、5C4和PIN47、5C5和 PIN64就近連接，提高了它的抗干擾能力，如果5R4用電感代替，效果更好。
2.2初始化流程
圖3 初始化流程
通常情況下，對于16C554的各個通道而言，差別僅在通訊的波特率、校驗位等不同，因此在設(shè)計軟件時，盡量模塊化，即設(shè)置模塊、讀操作模塊及發(fā)送模塊等盡量共用。圖3是初始化操作的流程圖，相應(yīng)的代碼如下所示：
通常51單片機(jī)軟件的主循環(huán)是一個死循環(huán)結(jié)構(gòu)，但如果其他功能模塊也存在一個死循環(huán)的結(jié)構(gòu)，那么在條件判斷的條件無法滿足時，51單片機(jī)系統(tǒng)往往就進(jìn)入到類似“死機(jī)”的特征，導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰無法完成預(yù)定任務(wù)，且這種條件錯誤并不是系統(tǒng)的主要任務(wù)。因此，在初始化流程中，引入了任務(wù)限時服務(wù)機(jī)制，在初始化條件失敗后，仍然可以正常退出初始化模塊，以便后續(xù)任務(wù)繼續(xù)得到進(jìn)行，如LCD或LED提示初始化16C554失敗等。
Setup模塊的入口參數(shù)為：DPH，R5，R6，R7。DPH代表的是四通道對應(yīng)的地址，R7、R6代表著對應(yīng)通道的波特率設(shè)置值，R5代表了設(shè)置對應(yīng)通道的中斷源。在實際應(yīng)用中，只需對上述4個字節(jié)賦予不同的值，連續(xù)調(diào)用4次，就完成了對16C554 四通道的初始化工作。
2.3中斷接收流程
與通過16C554發(fā)送流程相比，接收流程要復(fù)雜一些;為了提高51單片機(jī)程序的運行效率，采用中斷方式讀取，從而完成接收任務(wù)，流程圖如圖4所示。
圖4 外部中斷0處理流程圖
進(jìn)人外部中斷服務(wù)后，首先進(jìn)行現(xiàn)場保護(hù)，把終端中使用到的公共變量保存，如保存DPTR和A等，然后依次完成各通道的讀取保存任務(wù)。圖4中最重要的是：完成四通道任務(wù)后，在退出中斷服務(wù)前，還需要再次檢查這四個通道是否仍然存在有接收中斷。如果有則繼續(xù)在中斷服務(wù)程序中讀取，否則退出中斷服務(wù)程序。實踐應(yīng)用表明：如果沒有這種處理機(jī)制，在串口通訊發(fā)生時，51單片機(jī)會一直處于被申請外部中斷狀態(tài)，導(dǎo)致其他任務(wù)無法得到正常運行，即死機(jī)。
小結(jié)
以上就是51單片機(jī)的多串口擴(kuò)展設(shè)計了，經(jīng)實踐表明，采用FIFO設(shè)計的16C554，減少了中斷服務(wù)時間，不僅提高了51單片機(jī)程序的效率和處理速度，而且可應(yīng)用在高速調(diào)制解調(diào)器和需要快速數(shù)據(jù)處理時的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境;在儀表系統(tǒng)中，51單片機(jī)因其應(yīng)用特點，將來仍然會占有很大的市場份額，因此，擴(kuò)展它的串口資源具有一定的使用和參考價值。
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