基于WINCE的多串口擴展系統(tǒng)的設計

Implementation of Multi-Serial Extension System Based on WinCE

摘要：系統(tǒng)利用ARM9、CPLD、TL16C554設計多串口擴展系統(tǒng)的方案，首先介紹ARM9處理器S3C2440、CPLD芯片EPM3128、四路串口擴散芯片TL16C554 的特性，隨后介紹多串口擴展系統(tǒng)的硬件設計，最后詳細介紹CPLD 硬件程序代碼以及TL16C554 的WINCE 驅動程序設計和WINCE 應用程序設計。

關鍵詞：WinCE，多串口擴展，TL16C554，ARM9，CPLD

Abstract: This paper proposes a multi-serial extension system solution based on ARM9 CPLD TL16C554. There is first a general introduction of the micro-processor S3C2440, CPLD chipset EPM3128 and four-channel serial extension chip TL16C554. Following the brief introduction, the paper presents hardware design of multi-serial extension system. Finally the paper describes the CPLD hardware
process and the WinCE driver program of TL16C554 , and the application program design of TL16C554 based on WinCE.
Key words: WinCE, Multi-serial extension, TL16C554, ARM9, CPLD

隨著當今科學技術的發(fā)展，智能化及自動化設備越來越多，其中以計算機網(wǎng)絡設備及現(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)、多點溫度采集系統(tǒng)等，要進行采集和測試的通信點數(shù)和通信終端較多，多個串口通訊系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的應用相當廣泛，可以運行WINCE 操作系統(tǒng)，此處理器的強大功能及外圍接口芯片的豐富性，使得系統(tǒng)的開發(fā)相對容易，同時也方便擴展16C554。嵌入式多串口擴展系統(tǒng)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(tǒng)的應用場合更加廣泛，應選擇驅動程序及應用程序開發(fā)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(tǒng)，其應用程序和驅動程序的開發(fā)周期較短。系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

系統(tǒng)的設計包括硬件設計以及 16C554 的WINCE 驅動程序的開發(fā)和應用程序的開發(fā)。

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(tǒng)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(tǒng)的另外8 路串口就是通過總線方式擴展兩片16C554 實現(xiàn)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(tǒng)的100MHz 的總線擴展速度，I/O 口也滿足本系統(tǒng)擴展16C554 的需求。

16C554 采用TI 公司生產(chǎn)的TL16C554AI ， 其內部有四個增強型的ACE(AsynchronousConun unicationsElement)異步收發(fā)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(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)分級中斷控制。本系統(tǒng)處理器WINCE 驅動產(chǎn)用中斷方式檢測16C554 的收發(fā)情況。

軟件設計中，系統(tǒng)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(jù)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(fā)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)實物完成圖如下圖2 所示。

2 硬件設計

本系統(tǒng)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(jīng)過CPLD的邏輯運算輸出16C554 的片選信號線，16C554 根據(jù)片選信號對內部的相應模塊進行串口數(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(jīng)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(jīng)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(tǒng)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(jīng)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(jīng)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(tǒng)直接與S3C2440系統(tǒng)的復位信號相連；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(chǎn)生中斷都全直接使S3C2440 進入中斷服務狀態(tài)，并做相應的中斷數(shù)據(jù)處理。

3 軟件設計

本系統(tǒng)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(tǒng)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(fā)采用的環(huán)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(huán)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(tǒng)來說VHDL 的設計輸入是首選。

本系統(tǒng)CPLD 的程序設計就是采用VHDL 硬件描述語言，它與常規(guī)的順序執(zhí)行的計算機程序不同，從根本上講它是并發(fā)執(zhí)行的。
系統(tǒng)中的CPLD 程序主要實現(xiàn)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(xiàn)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(tài)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(tǒng)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(tài)鏈接庫形式存在的，由設備管理器統(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)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(shù)調用此函數(shù)；
◆ EUT_Close：在驅動程序關閉時應用程序通過C1oseHandle()函數(shù)調用；
◆ EUT_Read：設備驅動程序處于打開狀態(tài)時應用程序通過ReadFile()調用此函數(shù)；
◆ EUT_Write：設備驅動程序處于打開狀態(tài)時應用程序通過WriteFile()調用此函數(shù)；
◆ EUT_Seek：對設備的數(shù)據(jù)指針進行操作，由應用程序通過SetFilePointer()函數(shù)調用;
◆ EUT_IOContorl：上層的軟件通過DeviceIoControl()函數(shù)調用此函數(shù)；

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(tǒng)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(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)來進行數(shù)據(jù)處理，這是對接收數(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(jiān)聽串口接收數(shù)據(jù)的回調函數(shù) */
m_SerialPort.WriteChar(byte, 1); /* 從擴展串口發(fā)送一個字節(jié)數(shù)據(jù) */

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(tǒng)的軟硬件，并成功應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 卡內的應用程序可以靈活配置，從而適應更多的應用場合。系統(tǒng)具有廣泛的應用前景。

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本文作者創(chuàng)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(tǒng)設計,系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，可廣泛用于多終端采集系統(tǒng)。