低成本串口擴(kuò)展方案在銀行柜臺(tái)密碼鍵盤設(shè)備中應(yīng)用

2004年5月A版

摘  要：本文介紹了應(yīng)用GM8123實(shí)現(xiàn)銀行柜臺(tái)密碼鍵盤設(shè)備中的擴(kuò)展多串口的方案。

關(guān)鍵詞：GM8123；多串口擴(kuò)展

引言

　　在銀行柜臺(tái)取款用的密碼鍵盤設(shè)備的開發(fā)中，為了和標(biāo)準(zhǔn)鍵盤、加密芯片和上位機(jī)這三部分模塊的接口通訊，就需要MCU具備三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的UART串口來和上述三個(gè)模塊的UART串口連接。而且通常各模塊的UART的波特率各不相同，設(shè)計(jì)也需要靈活的適應(yīng)需求。

　　MCU在整個(gè)設(shè)備里面的扮演的主從方會(huì)根據(jù)操作的階段發(fā)生變化。當(dāng)設(shè)備處于等待模式時(shí)，上位機(jī)是主方，而MCU是從方。MCU通過一個(gè)串口接收到主方的命令后再通過第二個(gè)串口啟動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)鍵盤，并控制相應(yīng)的聲光提示，然后等待標(biāo)準(zhǔn)鍵盤返回的按鍵數(shù)據(jù)（用戶密碼的明文），同時(shí)做相應(yīng)的超時(shí)處理。接收到按鍵數(shù)據(jù)后進(jìn)行一些基本的合理性判斷處理，然后通過另一個(gè)串口將密碼明文發(fā)送給加解密模塊，然后接收加密后的密碼密文。最后再通過和上位機(jī)連接的串口將密碼密文上傳，然后恢復(fù)到等待狀態(tài)。在對(duì)標(biāo)準(zhǔn)鍵盤和加解密模塊進(jìn)行操作的時(shí)候，MCU扮演了通訊的主方。在整個(gè)流程中，可以看作是個(gè)半雙工的通訊方式，讓操作和控制更簡(jiǎn)單和更可靠。

現(xiàn)有方案

　　滿足上述應(yīng)用要求的方案有多種設(shè)計(jì)方式，各不相同，包括成本、可靠性、指標(biāo)都存在差異。根據(jù)目前的串口器件及設(shè)計(jì)原理歸納起來有以下幾種設(shè)計(jì)方案。

　　方案一是使用多串口的單片機(jī)。其中雙串口的單片機(jī)的價(jià)格在40~70元左右，三串口的單片機(jī)價(jià)格更加昂貴，直接增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成本。同時(shí)，由于各單片機(jī)的指令不同，以及由于串口功能的擴(kuò)展帶來的陌生寄存器的使用都增加了設(shè)計(jì)人員的工作量和難度。

　　方案二是使用普通的單片機(jī)擴(kuò)展16C55X這種通過并口擴(kuò)展串口的IC器件來實(shí)現(xiàn)。這類器件的優(yōu)點(diǎn)是串口速度高，響應(yīng)迅速。但缺點(diǎn)也是器件本身成本高，使用復(fù)雜，占用單片機(jī)的IO資源多，導(dǎo)致某些設(shè)計(jì)需控制外部聲光功能時(shí)還需要外擴(kuò)8255來擴(kuò)展并口資源，無形中又增加了PCB板面積、成本和設(shè)計(jì)難度。

　　方案三是軟件模擬串口功能。其優(yōu)點(diǎn)是成本低，但可靠性和串口指標(biāo)都無法控制。硬件串口工作中對(duì)每一個(gè)BIT的采樣是12次，而軟件模擬最多只能做到2次，大多只有1次，所以通訊的可靠性很難保證。同時(shí)軟件模擬的串口很難達(dá)到較高的波特率，所以限制了通訊的應(yīng)用。而且軟件編寫的難度高，程序工作量大，對(duì)研發(fā)人員的要求高，也局限了這種方案的推廣應(yīng)用。

　　其它方案還包括使用兩到三個(gè)普通單片機(jī)來達(dá)到需要的串口數(shù)量，然后相互之間通過自定義的并口或模擬的同步串口通訊協(xié)議來實(shí)現(xiàn)通訊等方案。

低成本應(yīng)用靈活的新方案

　　通過以上方案可以看出，現(xiàn)有的實(shí)現(xiàn)方案很難在成本和指標(biāo)上兩全齊美。成都國(guó)騰微電子有限公司推出的一種全新方式的串口擴(kuò)展芯片GM812X系列產(chǎn)品為上述設(shè)計(jì)帶來了一種新的、低成本和應(yīng)用簡(jiǎn)單的串口擴(kuò)展方案。

　　GM812X系列串口擴(kuò)展芯片可為用戶提供最簡(jiǎn)單和高性能的串口擴(kuò)展方案，將一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)串口擴(kuò)展成3或5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)串口。該系列芯片子串口最高波特率達(dá)38.4Kbps。該芯片提供兩種工作模式：?jiǎn)瓮ǖ拦ぷ髂Ｊ胶投嗤ǖ拦ぷ髂Ｊ剑纯梢灾付ㄒ粋€(gè)子串口和母串口以相同的波特率單一的工作，也可以讓所有子串口在母串口波特率基礎(chǔ)上分頻同時(shí)工作。用戶可根據(jù)需要靈活選擇。該芯片母串口和子串口的工作波特率可由軟件調(diào)節(jié)，而不需要修改外部電路和晶振頻率。UART數(shù)據(jù)格式10位或11位可選。

　　GM8123可以將一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)串口擴(kuò)展成3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)串口，GM8125可擴(kuò)展5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)串口。本文選擇GM8123作為串口擴(kuò)展的IC。圖1為GM8123的功能框圖。

　　在本設(shè)計(jì)中，GM8123即可滿足設(shè)計(jì)的需要。例如單片機(jī)采用最常用和便宜的AT89C52，將GM8123的母串口和單片機(jī)的串口相連接，再將標(biāo)準(zhǔn)鍵盤接口、加解密模塊的串口和上位機(jī)的串口分別連接到GM8123的三個(gè)擴(kuò)展串口上。圖2為方案的系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖。

　　假設(shè)上位機(jī)和加解密模塊的通訊波特率為9600bps，標(biāo)準(zhǔn)鍵盤的通訊波特率為1200bps。圖3為簡(jiǎn)單的單片機(jī)程序設(shè)計(jì)中與通訊相關(guān)的狀態(tài)機(jī)流程圖。

　　該芯片的操作和編程應(yīng)用都很簡(jiǎn)單，從圖3可以看出對(duì)GM8123的操作主要是通訊母串口的更改和波特率的設(shè)定，而且操作方式和編程基本相同。由于GM8123工作在單通道模式下，可以看作對(duì)母串口和子串口之間進(jìn)行透明傳輸處理，所以無須對(duì)GM8123進(jìn)行波特率的設(shè)置。

　　以下是在等待狀態(tài)下轉(zhuǎn)變到接收標(biāo)準(zhǔn)鍵盤按鍵數(shù)據(jù)的過程中指定子串口端口和從9600bps修改到1200bps的C51程序的部分示例代碼：

//GM8123地址控制線聲明

sbit SRADD0 = P3^4;     // GM8123地址線SRADD0控制

sbit SRADD1 = P3^5;    // GM8123地址線SRADD1控制

sbit STADD0 = P3^6;     // GM8123地址線STADD0控制

sbit STADD1 = P3^7;    // GM8123地址線STADD1控制

void main(void)

{

............

//初始化設(shè)置

SCON = 0xC0;       //根據(jù)需要設(shè)置

TH1 = 0xFD;       //裝入定時(shí)器1初值,設(shè)置MCU

       工作波特率為9600bps

TL1 = 0xFD;

PCON = 0x00;

TR1 = 1;       //啟動(dòng)定時(shí)器1

............

       //設(shè)置子串口三和上位機(jī)通訊

STADD0 = 1;       //選擇子串口3發(fā)送

STADD1 = 1;

SRADD0 = 1;       //選擇子串口3接收

SRADD1 = 1;

............  //接收上位機(jī)數(shù)據(jù)的相關(guān)處理

//切換到和串口一和標(biāo)準(zhǔn)鍵盤通訊

TR1 = 0;

TH1 = 0xE8; //裝入定時(shí)器1初值,設(shè)置MCU

       工作波特率為1200bps

TL1 = 0xE8;

PCON = 0x00;

TR1 = 1；

STADD0 = 1;       //選擇子串口1發(fā)送

STADD1 = 0;

SRADD0 = 1;       //選擇子串口3發(fā)送

SRADD1 = 0;

............  //鍵盤控制和按鍵

}

結(jié)語

　　從上述內(nèi)容可以看出，通過GM8123實(shí)現(xiàn)3個(gè)串口的應(yīng)用非常簡(jiǎn)單和靈活，程序工作量少，控制容易。并且以上設(shè)計(jì)只應(yīng)用到了GM8123的單通道模式，尚未發(fā)揮出該芯片的所有功能和靈活性。芯片的外部控制少，應(yīng)用靈活，編程使用簡(jiǎn)單，適合于大多數(shù)需要多串口擴(kuò)展的應(yīng)用場(chǎng)合。比如：

　　但是應(yīng)用該芯片需要注意的是GM812X系列接口IC在多通道模式下不能將各個(gè)子串口的波特率設(shè)定的不同，不能滿足多串口同時(shí)進(jìn)行不同波特率數(shù)據(jù)通信的應(yīng)用設(shè)計(jì)。另外，GM812X系列現(xiàn)有的IC型號(hào)不能滿足手持設(shè)備的低功耗要求，以及有38.4Kbps的最高波特率限制。■