基于EPM7064的多串口管理系統設計

1 概述

串行接口在數據通信中一直扮演著重要角色。他不僅沒有因為時代的進步被淘汰，反而在性能上越來向其極限挑戰。usb接口是當前pc機上的主流接口，但仍然有許多外設使用串口與pc機通信，尤其是在工業控制領域。普通pc機所提供的串口資源往往是不夠的。

傳統擴展多個串行口的方法是利用多個中斷源，每個中斷通常被分配給單一的設備。這是因為當多于1個的設備被設置成使用同一個特定中斷時，系統不能辨認哪個設備使用中斷線，所以就會產生混亂。但在嵌入式系統中，花費大量的中斷源來擴展串口無疑是資源的浪費。針對這種情況，為了節省緊張的系統資源，本方案通過對cpld的設計，采用1個中斷源高效管理多個串口的有效方法實現了將pc主機上的一個usb接口擴展為8個通用串口接口，同時保證了多個串口中斷的無漏監測與服務。

2 系統硬件設計

本設計方案(參見圖1)采用atmel公司的89c52單片機來控制串口到usb接口之間的數據收發工作，選用philips公司的usb接口芯片pdiusbd12實現單片機與usb器件之間的連接，多串口擴展以tl16c554芯片實現，并由一片cpld(altera的epm7064)實現高效多串口中斷源管理，利用單一的中斷源來管理多個擴展串口。在pc主機端，設計開發了wdm設備驅動程序對usb口進行虛擬管理，從而使得windows應用程序能以訪問普通串口的方式訪問串口服務器上的多個串口。

3 cpld設計

本設計中用cpld設計了譯碼電路、鎖存電路、邏輯或電路、三態門電路、狀態機電路。由于對宏單元和管腳的要求不是很多，因此選用altera epm7064，44腳，plcc封裝。

3.1 譯碼電路

用cpld進行pdiusbd12的選址，2片tl16c554共8個口的選址，以及對cpld中一位寄存器的選址，共用到a3～a7以及do進行譯碼，譯碼設計圖如圖2所示。

(1) pdiusbd12的選址

由于po口為數據地址線，所以要經過地址鎖存器，以及a7，a6一起連到一個138譯碼器上。因為pdiusbd12奇地址表示命令，偶地址表示數據，所以把2個地址接異或非門后再接到pdiusbd12的片選端。如圖2上的cs2，其地址為0x7000，0x7001。

(2) tl16c554的選址

為了選中擴展的8個串口，將a3～a5連入另一個138譯碼器，將其譯碼為8個選通端連到每個芯片的片選上，然后用a6，a7，do的譯碼cs0(見圖2)作為第二個138譯碼器的低使能端。其8個口的地址依次為0x0c000，0x0c800，0x0d000，0x0d800，0x0e000，0x0e800，0x0f000，0x0f800。

(3) 一位寄存器的選址

cpld內的一位寄存器的地址設定為0x0c001。

3.2 多串口中斷源解決方案

其基本原理如圖3所示。

rs232串口通過驅動芯片max202或max232轉化成ttl電平，通過串口異步通信器件16c554輸出中斷請求，通過或門獲得多個串口的中斷請求，再通過cpld與中斷控制器相連接。中斷控制線intreq通過cpld主要是在cpld中做一個一位寄存器inten(如圖4所示)，用作中斷允許位，并根據16c554的中斷請求intreq和inten的狀態來最終生成中斷dly_irq，cpu將實時響應該中斷請求。

(1) intreq為n個中斷的或結果。

(2) cpu對inten只寫，操作過程分3步：

①中斷安裝后設置inten=1；

②進入中斷服務程序后cpu設置inten=0；

③退出中斷服務程序的最后指令再將inten=1。

(3)中斷響應的時序圖，如圖5所示。

(4)中斷控制寄存器的狀態圖(描述8位狀態機的轉換)如圖6所示。

本設計支持epm7064在線下載功能，其接口圖如圖8所示。

為實現主機可以如操作本機串口一樣通過主機usb口對串口設備進行數據讀取，主機端設備驅動程序需將串口服務器的8個串口對應到主機的8個虛擬串口上。在wdm設備驅動程序設計中，這樣的功能可以通過在usb功能驅動程序上層加上一個過濾驅動層來實現。應用程序發送數據到虛擬串口，而過濾驅動程序則將虛擬串口中的數據轉發給usb功能驅動程序，反之亦然。基于wdm的usb設備驅動程序分層結構如圖9所示。