基于高可靠CPCI接口的4通道串口設計

孫廣明，唐建

（中國兵器工業第58研究所四川綿陽621000）

基于高可靠CPCI接口的4通道串口設計

孫廣明，唐建

（中國兵器工業第58研究所四川綿陽621000）

為了實現在嚴苛的溫度環境下串口通訊的要求，提出了一種基于高可靠CPCI接口的4通道串口設計方案，并完成系統的軟硬件設計。硬件系統由CPCI總線橋、CPLD邏輯、串口控制器、光電隔離電路、串口收發驅動和自動收發切換等部分組成，軟件部分主要完成PCI設備的查找、串口初始化、串口發送和串口接收等功能。實際應用表明，該系統具有穩定、高可靠的工作，達到了設計要求。

串口通訊；CPCI接口；可靠性；Vxworks

串口通訊主要完成發送控制命令和交換通訊數據等功能，在工業控制領域有著至關重要的作用。本文提出的4通道串口卡已經在多個型號的地面測控平臺中使用，效果良好。它采用標準CPCI接口，符合PCI2.1規范，具有四通道RS422/RS485接口，各通道可以通過撥碼開關進行控制，各通道單獨隔離，隔離電壓不小于2 500 VDC，支持波特率不小于115 200 bps[1-4]。

1 硬件設計

本次設計的串口卡為一塊單板，其主要由PCI總線串口控制，光電隔離，串口控制與收發電路等幾部分組成。其中PCI總線串口控制使用芯片PCI9054-AC50PI，該芯片有4個串口通道，可方便的實現四路9線制串口設計。光電隔離采用光耦芯片HCPL-0630和電源隔離芯片B0505S-0.5W。RS422/485通訊控制器采用SN65176BD，單片可實現RS485通訊，四片共用可實現9線制RS422通訊[5-7]。每路工的工作模式由撥碼開關電路決定。系統框圖由圖1所示。

1.1 CPCI總線橋

PCI橋芯片采用PLX公司的PCI9054芯片，支持PCI 33/66MHz 32bit總線。完成PCI總線到Local Bus總線的轉換，通過配置芯片在上電時進行配置，將LocalBus上的地址空間映射到PCI總線空間中，使得系統可以通過PCI總線訪問LocalBus總線上的邏輯功能電路，從而實現PCI總線的功能擴展[8-10]。

1.2 CPLD邏輯

CPLD采用Xilinx公司的XCR3256芯片，該芯片屬于CoolRunner系列產品，具有資源豐富，功耗低的特性，適合于嵌入領域中的邏輯控制領域。該芯片采用3.3 V供電，但其IO管腳均可接受5 V電平信號，極大的方便了多電壓系統的設計。

圖1 串口卡系統框圖

設計中，該芯片主要是用于將LocalBus上的讀寫訪問時序轉化為串口控制器的接口時序，并實現RS485模式的選擇以及收發自動控制功能。

1.3 串口控制器

串口控制芯片選用TI公司的ST16C550C。ST16C550C具備一個完整的標準串口控制器，并且支持發送器與接收器運行不同的波特率，內部FIFO有16個字節，可以極大地降低軟件開銷，支持RTS/CTS自動流控制，提高系統效率。

1.4 光電隔離電路

光電隔離使用的光耦芯片為HCPL-0630，電源隔離芯片選用B0505S-0.5 W，各通道單獨隔離，隔離電壓滿足不小于1A2500VDC的要求。對于串口控制器16C550輸出的信號及CPLD輸出的收發控制信號，先經過光隔再連接到串口收發器上，而對于串口收發芯片接受支的信號經過光隔芯片輸入到串口控制器16C550芯片。

1.5 串口收發驅動

RS422/RS485的收發采用TI公司的SN65176BD芯片，該芯片可采用單5V供電，能實現RS485信號的收發。對于每一路串口信號使用4個SN75176 ADE4芯片。當工作在RS485模式時用一個SN75176ADE4芯片收發DATA+/DATA-信號；當工作在RS422模式時4個SN75176ADE4芯片分別對TXD+/TXD-、RXD+/RXD-、RTS+/RTS-、CTS+/CTS-信號進行收發。

當工作在RS422時，T485_CONA信號為高，U1作為TX信號發送器，T422_CONA信號為低，U2作為RX信號接收器，如圖2所示。

圖2 RS422/RS485模式切換示意圖

當工作在RS485模式下，U2工作在發送模式，保證IRXA僅由U1驅動，而U1此時作為收發器工作，在通訊過程中，由T485_CONA信號控制RS485的半雙工自動收發。

1.6 自動收發切換設計

當串口卡接口工作于RS485模式時，因為RS485為半雙工工作方式，需要進行收發的切換，在應用中，一般采用軟件編程，通過對RTS/CTS信號進行設置，完成收發的轉換；或者通過硬件自動完成切換，當串口控制器發送數據時，控制器產生一個信號將RS485收發器設置為發送狀態，發送完成后，再切換回接收狀態。

本設計中，ST16C550控制器芯片不支持自動RS485切換功能，但可以利用芯片的波特率輸出信號以及控制器的TX信號進行處理，產生自動切換信號。具體原理為:當軟件對控制器進行配置時，控制邏輯可以得到每一個數據幀的位寬度，包括起始位，數據位，校驗位，停止位。然后可以在TX信號發送一開始，根據波特率的來延時，以保證在整個數據幀發送過程中，T485_CON一直為高，收發器處于發送狀態。當數據幀發送完成后，T485_CON信號切換為低，收發器處于接收狀態。

2 Vxworks下驅動軟件設計

Vxworks的串口驅動需要完成4個功能，其主要完成了PCI設備的查找、串口初始化、串口發送和串口接收[11-15]。

2.1 PCI設備的查找

使用VxWorks5.5自帶的PCI設備查找函數p10PciFindDevice查找PCI設備。

PciFindDevice（PCI_VENDORID，PCI_DEVICEID，0，&pciBus，&pciDevice，&pciFunc）==OK

輸入參數:PCI_VENDORID為PCI設備Vendor ID為0x1415，PCI_DEVICEID為PCI設備Device ID為0x9501，

輸出參數:該設備的PCI總線號、設備號、功能號。

查找設備成功則可進行下一步對串口進行初始化。

2.2 串口初始化

本功能主要操作FIFO寄存器、中斷狀態寄存器、除數鎖存寄存器、線控制寄存器、modem控制寄存器。主要步驟如下:關閉中斷；設置通訊參數；設置接收中斷觸發水平位；使能接收中斷。主要代碼段如下:

2.3 串口發送

本功能主要操作線狀態寄存器。主要步驟如下:讀取線狀態寄存器查看發送FIFO狀態。主要代碼段如下:

2.4 串口接收

本功能主要操作線狀態寄存器和中斷狀態寄存器，串口接收為中斷接收方式。主要步驟如下:讀取全局中斷寄存器判斷發生中斷的串口通道；讀取中斷狀態寄存器判斷中斷類型；讀取線狀態寄存器查看接收FIFO狀態。主要代碼段如下:

3 結束語

該方案從硬件和軟件的角度，對4通道CPCI串行通訊的實現方式進行了闡述，在板卡設計完成后進行了-40℃低溫和+85℃高溫工作，串口通訊正常、沒有誤碼發生，這表明該串口卡可以在嚴苛環境下正常工作，較好的完成了設計要求。

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Design of 4-channel serial interface based on highly reliable CPCI interface

SUN Guang-ming，TANG Jian
（N0.58Research Institute of China Ordnance Industries，Mianyang621000，China）

In order to realize the serial communication in harsh weather conditions，the design of 4-channel serial interface based on highly reliable CPCI interface is designed in this paper.Hardware system is mainly composed of CPCI-bus，CPLD logic，serial controller，photoelectric isolating circuit，serial send and

rive and automatic transceiver etc，software part is mainly completed PCI device search，serial initialization，serial send and receive functions etc.The experiment and application show that the system has High stability，reliable work，and achieve the design requirement.

serial communication；CPCI interface；reliability；Vxworks

TN97

A

1674-6236（2017）23-0090-04

2016-09-16稿件編號：201609150

孫廣明（1986—），男，四川綿陽人，工程師。研究方向：自動化控制。