隨著當今科學技術的發展，智能化及自動化設備越來越多，其中以計算機網絡設備及現場總線的發展最為典型。在大型集中控制現場如停車場主控制系統、多點溫度采集系統等，要進行采集和測試的通信點數和通信終端較多，多個串口通訊系統應運而生。普通設備的主控制器通常采用簡單的單片機，其往往只有一到三個串口，不能滿足多采集點的系統要求。為了完成主控制器對多點的通信及控制，需要進行串口擴展，TL16C554是最為常見的4 串口擴展芯片，有很強的靈活性和實用性。基于ARM9 內核的S3C2440 處理器在嵌入式系統的應用相當廣泛，可以運行WINCE 操作系統，此處理器的強大功能及外圍接口芯片的豐富性，使得系統的開發相對容易，同時也方便擴展16C554。嵌入式多串口擴展系統功能強、應用場所廣泛，具有廣泛的市場前景。
1 方案分析
為了使多串口擴展系統的應用場合更加廣泛，應選擇驅動程序及應用程序開發周期短的方案，因此本設計的方案采用ARM9+CPLD+TL16C554 的硬件框架，軟件平臺基于WINCE 操作系統，其應用程序和驅動程序的開發周期較短。系統框圖如圖1 所示。
系統的設計包括硬件設計以及 16C554 的WINCE 驅動程序的開發和應用程序的開發。
硬件設計中ARM9 主處理器采用三星公司的S3C2440：其主頻最高可以達到533MHz，本系統使用400MHz；總線速度使用100MHz；具有SD 卡接口，支持USB 下載相關內核及鏡像；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64M 的SDRAM，64M 的NAND FLASH；三路UART 通用異步串行口；支持總線方式擴展外設，本系統的另外8 路串口就是通過總線方式擴展兩片16C554 實現的。
CPLD 采用ALTERA 公司推出的MAX3000 系列的EPM3128ATC100：具有128 個宏單元；先進高速的I/O接口；具有80 個可用的I/O 口。其高速的硬件運行速度滿足本系統的100MHz 的總線擴展速度，I/O 口也滿足本系統擴展16C554 的需求。
16C554 采用TI 公司生產的TL16C554AI ， 其內部有四個增強型的ACE(AsynchronousConun unicationsElement)異步收發的并/串轉換組件TL16C550，波特率通過寄存器的編程可改變，最高可達1Mbps，具有16 字節FIFO 收發深度，可大大減少收發中斷次數，提高處理器的效率；具有可獨立控制的發送、接收、線路狀態和MODEM 狀態中斷，方便主控制器控制16C554 的收發狀態；具有斷線產生和檢測以及內部故障診斷功能，提高了通信的穩定及可靠性；完善的系統分級中斷控制。本系統處理器WINCE 驅動產用中斷方式檢測16C554 的收發情況。
軟件設計中，系統WINCE應用程序存放在SD卡中，可針對不同的應用場合編寫不同的應用程序。主處理器S3C2440根據SD卡內的應用程序控制CPLD+16C554的串口擴展板，向八路串口收發數據。系統實物完成圖如下圖2所示。
2 硬件設計
本系統具體硬件設計采用的方式是S3C2440 的地址線、控制線直接進入CPLD 芯片EPM3128，然后經過CPLD的邏輯運算輸出16C554 的片選信號線，16C554 根據片選信號對內部的相應模塊進行串口數據處理，處理的數據直接與主控制芯片S3C2440 進行傳輸。其中一片TL16C554 的外圍電路連接如下圖3 所示。
圖3中，TL16C554 的并行數據線D0~D7 與ARM9 控制器S3C2440 的數據總線DATA0~DATA7 經過總線驅動芯片LVTH162245 輸出相連的；TL16C554 的八個片內寄存器地址線A0~A2 與S3C2440 的地址總ADDR0~ADDR2 經過總線驅動芯片LVTH162245 輸出相連的；而總線驅動芯片的方向則由S3C2440 的控制總線經過EPM3218 的邏輯運算輸出控制；每片TL16C554 的內部有四個串口模塊的片選信號nGCSA~nGCSD，本系統使用兩片TL16C554，因此需要8 個片選信號，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，然后經過CPLD 譯碼之后的八根片選信號UART_nCSA1~nCSD1、UART_nCSA2~D2 分別連接到TL16C554 的八個片選上。TL16C554 的讀寫信號線nIOW、nIOR 也是與S3C2440 的讀寫總線LnOE、LnWE 及總線片選nGCS1、nGCS2 經過EPM3218 的譯碼之后相連的；TL16C554 的復位及上電啟動需要一定寬度的低電平來完成，本系統直接與S3C2440系統的復位信號相連；本系統TL16C554 采用的是中斷方式的收發模式，因此nINTN 直接連接到高電平，使芯片中斷使能；TL16C554內部四個模塊都有一個中斷信號INTA~D，兩片總共八個中斷信號線分別直接連接到SDC2440 的八個外部中斷引腳上，因此任何一個串口通信事件產生中斷都全直接使S3C2440 進入中斷服務狀態，并做相應的中斷數據處理。
3 軟件設計
本系統的軟件設計主要包括 EPM3218 的VHDL 硬件語言程序；TL16C554 的WINCE 驅動程序，多路異步串口
通信系統的WINCE 應用程序，以下將分別簡單介紹。
3.1 EPM3218 的VHDL 語言程序
CPLD 程序的開發采用的環境是Quartus II V4.1，它是由Altera 公司推出的一個多平臺綜合性設計環境，包括各種形式的設計輸入、功能仿真和時序仿真等功能。其中設計輸入分為圖形設計文件、VHDL 程序文件，Verilog HDL 程序文件等。VHDL 的邏輯綜合比VerilogHDL 更加嚴謹，對于大型系統來說VHDL 的設計輸入是首選。
本系統CPLD 的程序設計就是采用VHDL 硬件描述語言，它與常規的順序執行的計算機程序不同，從根本上講它是并發執行的。
系統中的CPLD 程序主要實現的是對S3C2440 的相關總線片選信號進行譯碼，從而對TL16C554 進行片選及
讀寫操作。部分程序代碼如下所示：
B_DIR_1 <= (NOT LnOE); -- S3C2440 總線驅動芯片LVTH162245 的方向控制信號
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 的寫信號線
UART_nIOR1 <= LnOE; -- TL16C554 的讀信號線
3.2 TL16C554 的WINCE 驅動程序的實現編寫 WINCE 驅動首先要確定它是屬于哪種驅動，WINCE 驅動程序分本機設備驅動和流設備驅動。本機設備驅動程序是被靜態地鏈接到GWES，它們不作為一個單獨的DLL 存在。有一些類型的設備，如鍵盤、顯示器等對操作系統都有一定的接口，是專門用于WINCE 的。所以它們都屬本機設備驅動。流接口驅動程序是以動態鏈接庫形式存在的，由設備管理器統一加載、管理和卸載。若是按照結構分，又可分為分層的驅動程序和不分層的驅動程序。分層的驅動程序由兩層組成：上層是模型設備驅動程序(MDD)，下層是依賴平臺的驅動程序(PDD)。其驅動模型見圖3。
本系統采用流式驅動程序來完成TL16C554 的WINCE 驅動。
流接口驅動程序要實現的DLL 接口包括：
◆ EUT_Init：設備管理器初始化一個驅動程序；
◆ EUT_Deinit：設備管理器卸載一個驅動程序；
◆ EUT_Open：打開一個設備驅動程序時應用程序通過CreateFile()函數調用此函數；
◆ EUT_Close：在驅動程序關閉時應用程序通過C1oseHandle()函數調用；
◆ EUT_Read：設備驅動程序處于打開狀態時應用程序通過ReadFile()調用此函數；
◆ EUT_Write：設備驅動程序處于打開狀態時應用程序通過WriteFile()調用此函數；
◆ EUT_Seek：對設備的數據指針進行操作，由應用程序通過SetFilePointer()函數調用;
◆ EUT_IOContorl：上層的軟件通過DeviceIoControl()函數調用此函數；
其中 EUT 代表串口擴展芯片設備驅動的設備文件名。
然后添加一個注冊表文件，命名為extenduart.reg：
[HKEY_LOCAL_MACHINEDriversBuiltInextenduart]
"DeviceArrayIndex"=dword:0
"Irq"=dword:17 //邏輯中斷號
"IoBase"=dword:08000000 //為TL16C554 片內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:" //串口號為EUT1
"FriendlyName"="S2440 EUT1"其中： "Irq"=dword:17 ， 是第一片TL16C554 的A 路串口在WINCE 驅動中的邏輯中斷號；"IoBase"=dword:08000000，是TL16C554 串口芯片A 路串口寄存器的起始地址，對于其他B、C、D 路串口的注冊表信息與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 應用程序
在本系統中我們用 CSerialPort 類對TL16C554 驅動進行了串口應用程序的封裝，該類基于多線程，其工作流程如下：首先設置好串口參數，如波特率等；然后開啟串口監視工作線程監測串口接收到的數據（S3C2440以中斷方式接收數據）或其他串口事件，再以消息方式通知主線程，從而激發消息處理函數來進行數據處理，這是對接收數據而言的；發送數據可以直接向串口發送。下面是對CSerialPort 類使用方法的簡單描述：
CSerialPort m_SerialPort; /* 定義擴展串口對象 */
m_SerialPort.OpenPort(_T("EUT1:"), 19200); /* 以19200 的波特率打開擴展串口EUT1*/
m_SerialPort.m_pReceiveCallback = (ReceiveCallback*) (receiveByte);
/* 監聽串口接收數據的回調函數 */
m_SerialPort.WriteChar(&byte, 1); /* 從擴展串口發送一個字節數據 */
結 語
本文利用ARM9 處理器+CPLD+16C554 的方案設計基于WINCE 的多路串口擴展系統的軟硬件，并成功應用于多終端采集系統中，表明系統方案的正確性。同樣利用此方案可以擴展更多的串口芯片從而提高系統串口通道數，另外系統中SD 卡內的應用程序可以靈活配置，從而適應更多的應用場合。系統具有廣泛的應用前景。
參考文獻
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本文作者創新點：使用嵌入式 ARM9 處理器與CPLD 處理器帶串口擴展芯片進行多串口擴展系統設計,系統穩定可靠，可廣泛用于多終端采集系統。