1 引言

PC/104嵌入式控制PC出現于80年代末，并于 1992年形成IEEEP966.1標準。它一方面繼承了所有的PC資源，另一方面又對PC機的結構、體積、功耗、可靠性等方面重新優化設計，使它與IBM PC完全兼容，并具有了體積小、功耗低、工作溫度寬、可靠性高等特點。PC/104嵌入式控制PC采用了獨特的“自棧式”總線連接，模塊化結構，使用起來靈活方便。它所采用的面向對象的硬件設計方法使得在PC/104標準上開發的擴展模塊具有更強的通用性和更長的生命期。正因為具有了這么多的優點，PC/104被越來越多地使用于各種嵌入式系統中，特別是在一些可靠性要求高而工作環境又比較惡劣的地方，比如軍事指揮系統、武器控制系統或工業控制系統中的應用。在這些系統中往往不是單個計算機的控制，而是多個計算機組成通信網絡共同完成控制作用，因此，對于每一個嵌入式計算機除了連接必需的外設之外，還需要考慮計算機之間的通信。計算機間最常用的通信方式是利用串行口來實現的，所以在設計這些控制系統的時候，常常面臨串行口資源短缺的問題。

同臺式PC機一樣，PC/104嵌入式控制PC一般也提供兩個RS-232串行口，常用的串行通信有RS-232和RS-485兩種。RS-232主要用于點對點通信，特別是通過MODEM進行遠距離的兩點之間的通信；RS-485主要用于多機通信，采用平衡差分電路雙線傳輸，總線連接的方式，距離在1km以內時最大速率是100kbps，允許并聯32臺驅動器和32臺接收器以半雙工方式工作。PC/104所提供的兩個串行口資源在很多情況下會不夠用，因為使用串行口的外設的數量和種類在增加，而且串行口的功能也在擴展，比如有些PC/104可將接到串行口的設備作為系統控制臺使用，它們都要占用寶貴的串行口資源；此外，隨著計算機之間通信需求的增加，在多機通信或需要采用多種通信方式的系統中，串行口資源就不夠用了。另外，在一些PC/ 104中兩個串口的地址往往是不能改變的，這給使用帶來不便； PC/104也不提供RS-442或RS-485串行口，在需要利用RS-485總線實現多機通信時就必須另外配備RS-232到RS-485的轉換器。對于這些困難，最好的解決方法就是按照PC/104標準開發嵌入式擴展通信板。

本設計是根據實際系統的需求開發的，為了在有限的空間中提供盡可能多的功能并保證電路的可靠性，設計中利用了高集成度的異步通信單元芯片，外圍控制電路由可編程邏輯器件實現，接口按照PC/104標準設計。板上提供兩個RS-232串行口和兩個RS-485串行口，串行口地址和中斷請求號可由用戶選擇。設計中也考慮了擴展通信板的通用性，所設計的通信板符合PC/104標準，支持即插即用功能，用戶可根據系統資源條件和實際需要設置串行口地址和中斷請求號，因此本設計可作為開發PC/104標準嵌入式串口通信板的參考。另外，在本設計中RS-485串行口的硬件電路中有一個獨特的結構，結合通信協議，可實現信號極性的自動設別和轉換。

2 通信板的設計方法

2.1 總體結構

本設計的總體原理如圖1所示。圖中PC/104總線是兼容于PC/AT的ISA總線，設計中使用了8位數據信號D 0～D7，它們通過數據緩沖電路連接異步通信單元；10根地址線A0～A9，讀寫控制信號 IOR、IOW，地址使能信號AEN和復位信號RESET，這些信號同地址選擇電路以及PLD電路中設計的邏輯電路一起完成串行口的地址選擇和各種邏輯控制，對每一個串口的內部寄存器的操作由地址的低三位A 0、A1、A2選擇確定；利用中斷號選擇電路結合PLD電路內部邏輯提供了IRQ3、4、5、7、9、10、11、15八個中斷請求號供選擇。

異步通信單元使用TI公司的TL16C554，它包含了四個異步收發單元，每一個都與16550兼容，加上電平轉換電路就可構成一個串行口。

RS-232電平轉換電路采用MAX213，它提供了五路232到TTL電平的轉換和四路TTL到232電平的轉換，一片MAX213就可實現完整的RS-232接口功能。

RS-485電平轉換電路采用SN75176，它提供了 485標準電平與TTL電平之間的轉換，接收和發送部分可單獨控制。

數據緩沖由74HC245承擔，其傳輸方向由主機 IOR信號控制，片選信號由PLD產生。

地址選擇電路提供給用戶設置串行口地址，通過短路塊將地址的高四位A6～A9置0或置1實現地址的設定。

2.2 異步通信單元

TL16C554是TI公司的產品，集成度高，性能穩定，其內部包含了四個可獨立操作的可編程異步收發單元16C550，它們共用了數據線D 7～D0、內部寄存器地址線A2 ～A0、讀寫信號線IOR和IOW、DMA讀寫控制TXRDY和RXRDY、復位RESET、時鐘XTL1和XTL2。每個收發單元都有自己的片選信號CS、中斷請求INT、數據輸出TX、數據輸入RX及MODEM邏輯控制信號CTS、DCD、DSR、 DTR、RI、RTS。其內部功能模塊如圖2所示。

每一個內部的異步收發單元都等同于一個 16550，它向下兼容16450，包含了16字節的先進先出寄存器，從而減少了對CPU的中斷次數。可編程設定的波特率最大可達1Mbps，接口的字符結構可由用戶選擇，自動完成起始位、停止位、奇偶校驗位的加入和刪除，具有可程序化中斷控制和完整的MODEM控制邏輯功能。

2.3 PLD電路

考慮到104標準的尺寸限制，設計中應盡量采用緊湊的結構，因此用PLD電路來產生異步通信單元、數據緩沖電路的控制信號，還利用此電路實現 485連接時信號極性的自動轉換。PLD電路采用了ALTERA公司的EPM7064，它包含了4個邏輯陣列塊，64個宏單元，有1250個邏輯門可供使用。開發工具使用MAX+PLUSⅡ。

PLD電路主要完成以下功能：

（1）每一個異步收發單元的選擇。利用八根地址信號A9～A3和讀寫控制信號IOR、IOW之間的邏輯關系產生片選信號，其中A9～A6 位地址信號同地址選擇電路的信號一起先送到一個4位比較器中進行地址比較，地址選擇電路可由用戶設定，這樣，通過改變地址選擇電路中的短路塊就改變了相應位的地址，從而增加了用戶對地址的選擇范圍和使用的靈活性。

（2）雙向數據緩沖器的片選。利用A 9～A6和讀寫控制信號產生。

（3）485信號極性選擇。485采用總線方式連接，利用差分方式傳輸，兩根連接線之間的信號正負極性不同，使用時必須使同極性端相連。

當節點之間比較遠或者使用者并不清楚信號線的極性關系時往往不能保證正確接線，需要多次改變接線和調試，因此我們設計了極性的自動轉換電路以方便嵌入式系統使用。基本思路是這樣的，設置一個電子開關，在通信初始化期間由主機發一個固定的測試信號，如果從機發現接收到的信號不對，就自動切換電子開關換向，如果接收到的測試信號正確就保持原來的連接。電子開關由異或門充當，它可以反轉或保持發送和接收的信號，即當輸入端中的一個信號置1時就可使另一個輸入信號在輸出端反相，而當將其置0時輸出信號保持不變。電子開關的控制由D觸發器實現，在初始化期間從機根據所接收信號的正誤，選通D觸發器，產生合適的控制電平，實現電子開關的控制。其邏輯原理如圖3所示。

2.4 RS-485接口電路

當計算機利用RS-485總線方式通信，在進行系統連接時，需要在拓撲結構最遠端的兩個計算機的RS-485接口上加匹配電阻以消除信號的反射，還需要給信號傳輸線加一個固定的偏置電壓以增加抗干擾能力。為了提高電路的通用性，方便嵌入式系統的使用，RS-485接口電路設計如圖4。圖中R 1＝120Ω，R2=R3 =560Ω，在進行總線連接時就可以根據需要設置不同節點的計算機的RS-485 接口電路。

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