基于PowerPC嵌入式內核的多串口通信擴展設計

居 曉，李志宇，肖莉萍

（1.南京航空航天大學 自動化學院，江蘇 南京 210016; 2.南京航空航天大學 無人機研究院，江蘇 南京 210016）

在一些復雜的控制領域中，控制計算機往往需要與多個終端進行信息的交互通信。但由于工程現場環境的限制和應用設備的日漸增多，近距離集中式的通信管理已不再具有普遍適用性。

隨著遠程集散控制理念的出現，串行數據通信因其結構簡單、設計方便、價格低廉、占用資源少[1]、傳輸距離遠等優勢而得到了廣泛普及。而近年來串口通信正朝著帶寬、速度、穩定性逐漸增加的方向發展[2]，利用多個串口進行信號采集或數據傳輸為多設備分布式布局提供了可能。但一般的處理器板卡只有一至兩個RS232串口，難以滿足控制系統對串口數量和數據傳輸過程中抗干擾性能的要求，因此需要對串口進行擴展設計。

傳統的串口擴展設計多以微控制器與串口芯片在板集成的方式實現，需單獨設計其控制電路和外圍接口電路，周期較長，靈活性低，且穩定性和抗干擾性仍有待驗證。MPC565與EMM串口卡技術相對更加成熟，各性能指標已經過長期的實踐驗證，同樣具有的PC/104總線結構使其能夠以簡單的插拔方式實現串口功能的擴展，使用靈活、方便。因此本文結合以PowerPC嵌入式處理器MPC565為核心的飛控計算機開發平臺，介紹一種多串口通信在實際工程應用中的擴展方法。利用MPC565與EMM-8M-XT組成串口擴展系統，通過簡單的搭積木方式實現8個通信方式可配置的串口擴展。

1 系統硬件結構設計

本文涉及的內容已成功應用于某型無人機飛控系統的預研開發。眾所周知，無人機飛行控制系統是個典型的多輸入、多輸出系統，其多外設平臺大多采用分布式布局[3]，串行通信逐漸成為了各傳感器及任務設備與飛控計算機內核之間的主要通信方式，高質量的數據傳輸尤其重要。

本文中飛控計算機內核采用具有PC/104結構的MPC565板卡。PowerPC系列的MPC565處理器具有較高的硬件穩定性和抗干擾性，工作頻率可達50 MHz以上，在無操作系統的情況下也能可靠、靈活的直接操作硬件，運算處理能力強大，可靠性高，工作溫度范圍-40℃～+85℃，同時應用PC/104總線結構還可以外接串口、A/D、D/A、I/O等功能組件，為其提供了方便的資源擴展能力，且有利于功能的模塊化集成。MPC565可通過簡單的插拔方式與同樣具有PC/104結構的EMM-8M-XT實現串口功能的擴展。EMM-8M-XT串口板提供8個通信模式可配置的串行接口，分別連接磁羅盤、大氣機、GPS、慣導等設備，完成不同的任務功能。擴展串口通信后飛控系統結構如圖1所示。

圖1 多串口通信系統結構圖Fig. 1 Schematic diagram of multi-serial ports communication system

本文應用的MPC565板卡設有3個RS232通信串口，主要用于程序裝訂和飛控參數的測試，因此需額外的串口模塊來滿足飛控計算機的基本功能。這里選用DIAMOND公司的EMM-8M-XT串口模塊實現串口功能的擴展。

EMM-8M-XT串口模塊集成了兩個高性能的16C654控制芯片，8個獨立的串口通道各有64字節的接收緩沖器和發送緩沖器，自動軟硬件流程控制，最高配置波特率可達1.5 Mb/s，有10個不同的中斷優先級可選。每個通道的狀態可以通過CPU的操作讀取寄存器。三態輸出為雙向數據總線和控制總線提供TTL驅動能力、優先級中斷系統控制、可編程的串行接口特性[4-5]。串口基地址、中斷號和通信模式（RS232/422/485可選）亦可通過硬件跳線靈活配置，如圖2和圖3所示。

圖2 基地址和中斷號跳線設置示意圖Fig. 2 Sketch map of jumper configuration for base address and interrupt number

圖3 通信模式跳線設置示意圖Fig. 3 Sketch map of jumper configuration for communication mode

為防止與其他PC/104結構的板卡沖突，在這里把串口板的基地址設為200H，port1～port8共用3號中斷。基地址跳線J9的A、B、C、D定義如圖4所示，“In”表示放置跳線，“Out”表示不放置跳線。每個串行口的基地址和中斷號信息均保存在EEPROM中，上電后板卡從中讀取這些數據，自動完成基地址和中斷號的初始配置。

圖4 基地址跳線定義圖Fig. 4 Definition chart of jumper for base address

2 應用軟件設計

應用軟件采用C語言編程，可讀性好，主要分為串口板初始化軟件和串口中斷服務軟件。EMM-8M-XT的8個串口相對獨立。除共用中斷級外，MPC565可對每個串口的特性進行單獨控制，因此波特率、數據格式、緩沖區深度等需通過初始化軟件依次設置。8串口初始化流程和中斷處理流程如圖5所示。

用中斷方式實現芯片功能比查詢方式能更有效地利用CPU，具有更好的實時性，大批量數據傳輸時中斷方式更能顯示出其優勢。

圖5 串口初始化流程圖Fig. 5 Flow chart of serial port initialization

圖6 中斷處理函數流程圖Fig. 6 Flow chart of interrupt service routine

本例中8個串口共用3號中斷，由內部硬件機制完成板級中斷狀態寄存器相應位的置位與清零。在中斷處理子程序中，首先要關閉 CPU 響應其他中斷的能力，以免造成多層中斷嵌套可能導致的程序死機[6-7]。這樣即使中斷同時到來各串口也能正常工作，不會出現搶占現象，亦不會產生中斷阻塞或丟失情況。8個串口共用3號中斷，具體哪一個通道產生中斷由位于202H的中斷狀態寄存器指示（bit0～bit7分別代表1～8號串口）。中斷發生后，CPU將“一視同仁”，按照3號中斷處理函數內設置的中斷狀態查詢次序，對到來的中斷依次響應。數據接收或發送時，各串口采用相同的中斷處理流程，下面以串口中斷服務程序為例，對軟件設計思路進行描述。

串口中斷處理程序EMMComInterrupt：

3 性能驗證

多串口通信擴展系統實物圖如圖7所示。實際應用中分別對8個串口進行了局部測試和系統測試，如圖8所示。在115200bps的高波特率下，長時間的通信驗證未出現幀格式錯誤和丟幀現象。中斷的收發方式亦同時保證了較高的傳輸速度和對其它任務的實時響應。

圖7 多串口通信系統實物圖Fig. 7 Real picture of multi-serial ports communication system

圖8 多串口通信系統實物圖Fig. 8 Real picture of multi-serial ports communication system

4 結 論

文中利用PC/104總線結構的PowerPC嵌入式處理器MPC565和串口模塊EMM-8M-XT成功構建了多串口通信擴展系統。各串口在帶有校驗機制的長時間連續串行通信測試中，RS232、RS422、RS485 3種工作模式下均收發正常，幀格式正確且誤碼率極低。系統測試中，8個串口工作于無人機機載復雜電磁環境和溫變循環（-40℃、+85℃）等惡劣條件下，能夠長時間連續穩定的進行數據傳輸，具有較強的抗干擾能力和良好的實時性能。

該多串口通信系統結構簡單，插拔式的PC/104總線結構使其具備了豐富的資源擴展能力。該設計方法已成功應用于某型無人機相似余度結構飛控計算機的原理樣機開發中，對工業控制領域的其它類似應用可提供參考和借鑒。

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