全景視覺態勢感知系統的多通道串口通信

陳兆飛 周軍華 張長江 郭炳

摘要??? 串口通信作為傳統的通信方式仍然受到廣泛應用，本文介紹了基于PIC16F877A單片機、TL16C754異步通信芯片和MAX485芯片實現異步通信串口擴展的整體方案。方案實現了十四個串口同時進行長時間穩定可靠的雙向數據通信。通過開展相應的試驗，證明了該處理方案的有效性，并在某工程項目中得到應用。

【關鍵詞】PIC16F877A TL16C754 MAX485 串口擴展

1 引言

針對艦船、車輛、飛機等特種操作平臺封閉的特點，內部人員無法獲取周圍環境的全景信息，大大限制了觀測和偵查的范圍。全景視覺態勢感知系統采用的感知探測器分布在不同的焦平面上，采用各自成像獨立的感知探測器把采集到的視頻拼接成一幅360°同屏、無縫的全景視頻，時刻提供周圍全景的、高清的、實時的視頻，同時捕獲、跟蹤并測量目標，使指揮官能夠感知其周圍全面的態勢，提高其快速反應能力和技戰水平。

其中全景視覺態勢感知系統需要對多個感知探測器進行協同控制并實時獲取其狀態信息，才能對圖像中的目標進行精確提取、實時跟蹤并準確測量目標的位置信息，因此對通信實時性、穩定性和同步性要求較高，全景視覺態勢感知系統在通信方面主要面臨以下幾個問題：

（1）多串口的程序控制問題;

（2）多串口并行工作的控制協同問題;

（3）串口的數據保護、時間同步、異常處理、故障分析等問題;

（4）串口程序與其他程序間的接口問題;

（5）多傳感器協同工作問題;

（6）實時性、穩定性和兼容性問題。因此需要設計一種多通道的通信方式來

解決全景視覺態勢感知系統的以上問題。而串口通信設計仍然是目前被廣泛使用的實現計算機與各設備間相互通信的方法之一，具有傳輸可靠、實時性高以及設計簡便的特點，能夠全面解決其通信設計問題

2 總體設計

針對全景視覺態勢感知系統需要同時與十四個設備進行通信的情況，本文設計并實現了一種簡單可靠的異步串口擴展方法，即在單片機的并行總線上擴展UART芯片，用硬件實現異步數據傳輸。該方法的優點是軟件實現簡單，代價是在總線上需擴展其它設備。綜合考慮硬件連接和軟件編程的便捷性，采用四通道擴展芯片TL16C754實現四串口的擴展。硬件通過級聯，可選配4～16個串口的的靈活配置方式，系統通用性極強。本設計實際只用了其中的14個串口通道，用最簡單的硬件連接和軟件編程就能實現多路異步的串行通信，能滿足系統實際性能要求。14路級聯的多通道串口通信系統架構如圖1所示。

通過本多通道串口通信系統，全景視覺態勢感知系統能夠與10路感知探測器、視頻發送光端機、軸編碼器和上位機進行通信，并向10路感知探測器發送同步信號，同時使用了14路串口進行數據傳輸，能夠滿足設計需求。

3 硬件設計

3.1 PIC16F877A單片機簡介

PIC16F877A是Microchip公司生產的使用高性能RISCCPU核心的微處理器，其工作頻率范圍為DC-20MHz，內置POR（Power-on Reset）和BOR（Brown-out Reset）兩種復位功能和上電延時定時器（Power-up Timer，PWRT），振蕩器起振定時器（Oscillator Start-up Timer，OSC），除了一個看門狗定時器之外，另外還有3個定時器及2個CCP模塊，輸出具有較強的驅動能力，程序存儲器最多可到8K的字（14位寬），數據存儲器（RAM）最多到368的字節（8位）以及256字節的數據存儲器，除了部分程序分支（Branch）的指令需要兩個指令周期外，所有的指令執行時間都只需要一個指令周期，支持中斷處理（14個中斷源）。引腳分布圖如圖2所示。

3.2 TL16C754通信芯片簡介

TL16C754是TI公司推出的UART收發器，是目前最常用的串口擴展芯片之一。TL16C754的引腳與PIC16F877A兼容，內置4套可獨立工作的UART系統，最高波特率可達3Mbit/s。芯片內部具有64B觸發等級可控的收/發FIFO，因而能減少CPU的中斷次數;具有軟/硬件流控功能，并支持DMA方式。可選擇不同的波特率，并可選擇各種串行數據格式。該芯片還具有內部閉環測試功能。

以下引腳功能對驅動開發是必要的：CS[A：D]為4套UART的片選信號，低電平有效;A[0：2]為3-bit地址線;D[0：7]為雙向8-bit數據線;TX/RX[A：D]為所要發送和接受的數據端口;INT[A：D]為4套UART的中斷信號，RESET為芯片復位信號，高電平有效。引腳分布圖如圖3所示。

該器件內部共有20個寄存器，這些寄存器可分別用于實現通信參數的設置、對線路及MODEM狀態的訪問、數據的發送和接受以及中斷管理等功能。在硬件連接正確的情況下，只要地址正確，就能像讀取MCU內部寄存器那樣讀取芯片的內部寄存器。對于有的芯片需要通過軟件使芯片正確復位后才能讀取寄存器。要通過A0～A2這3根地址線的8種狀態來區分20個寄存器，這20個寄存器中一定有一些地址是重疊的。這就需要通過讀寫信號及某些寄存器的特定位來唯一確定。

3.3 MAX485收發器簡介

MAX485是一個8個引腳的芯片，它是一個標準的RS485收發器，只能進行半雙工的通信，內含一個輸出驅動器和一個信號接收器。MAX485具有低功耗設計，靜態電流僅為300uA。MAX485具有三態輸出特性，在使用MAX485時，總線最多可以同時連接32個MAX485芯片。通信波特率可以達到2.5M。引腳分布圖如圖4所示。

下面是MAX485的引腳定義：

RO（引腳1）：接收信號的輸出引腳。可以把來自A和B引腳的總線信號，輸出給單片機。是COMS電平，可以直接連接到單片機。

RE（引腳2）：接收信號的控制引腳。當這個引腳低電平時，RO引腳有效，MAX485通過RO把來自總線的信號輸出到單片機;當這個引腳高電平時，RO引腳處于高阻狀態。

DE（引腳3）：輸出信號的控制引腳。當這個引腳低電平時，輸出驅動器無效;當這個引腳高電平時，輸出驅動器有效，來自DI引腳的輸出信號通過A和B引腳被加載到總線上。是COMS電平，可以直接連接到單片機。

DI（引腳4）：輸出驅動器的輸入引腳。是COMS電平，可以直接連接到單片機。當DE是高電平時，這個引腳的信號通過A和B腳被加載給總線。

GND（引腳5）：電源地線。A（引腳6）：連接到RS485總線的A端。B（引腳7）：連接到RS485總線的B端。Vcc（引腳8）：電源線引腳。電源4.25V≤Vcc≤5.75V。

3.4 芯片接口設計

PIC16F877A、TL16C754、MAX485及外設的組成如圖2所示。RE0-RE2連接A2-A0地址端，結合對TL16C754的讀、寫及LCR的BI1_7用于選擇TL16C754內置的各個寄存器，根據需要對其進行配置。RA0-RA2連接CSA-CSD，CPU根據約定的協議或者中斷信號源選擇相應的通道，發送或者接收相應通道的數據，并對這些數據進行處理。RB4-RB7連接INTA-INTD，TL16C754產生FIFO接收數據有效中斷、超時中斷、接收器線路狀態中斷、發送器保持寄存器空中斷等中斷時，將中斷信號發給CPU，CPU收到中斷信號后，進入相應的中斷處理程序。RC0-RC2分別連接IOW，IOR及RESET，由CPU控制所選TL16C754通道的寫操作、讀操作及內部寄存器復位操作。硬件連接圖如圖5所示。

4 軟件設計

軟件設計包括主程序和中斷服務子程序兩部分，主程序完成TL16C754寄存器的初始化，打開中斷，等待中斷的響應;中斷服務子程序主要實現數據收發工作。串行通信時所需要的參數通過初始化寄存器進行設置，這些參數包括通信數據的數據位數、停止位數、奇偶校驗等。另外還需要設置發送和接收的波特率及中斷方式，主要流程如圖6所示。

本設計的參數設置是，8位數據位，1位停止位，奇校驗，波特率為115200，中斷方式下，允許接收就緒中斷和發送緩沖區空中斷。程序設計可以同時完成與多路信號的通信與校驗算法的快速解算驗證，具有重要的實際意義。

5 實驗驗證

為了驗證上述軟硬件設計的正確性，可以將本系統的十四個串口分別與上位機、光端機、編碼器和10個感知探測器連接。根據事先編寫好的通信協議，啟動各設備發送并接收數據，本系統收到信號會觸發相應的中斷，將收到的數據在程序中進行校驗，按照相應的業務邏輯處理之后發送至下一節點設備。

實驗表明該系統運行穩定、可靠、高效，可以滿足全景視覺態勢感知系統的多通道通信需求，證明了該設計方案的有效性。如圖7所示。

6 結束語

本多通道串口通信系統實現了全景視覺態勢感知系統所需的多路串口的雙向通信功能，能保證在高波特率的條件下實現串口擴展，對數據進行有效管理，大大降低了系統的數據處理負擔，數據傳輸穩定可靠，其已經應用于某工程項目中，運行效果良好，并且可以在更多工程應用領域加以推廣。

參考文獻

[1]何信龍，李雪銀，編著.PIC16F87X快速上手[M].北京：清華大學出版社，2002.

[2]魏學海.PIC單片機自學筆記[M].北京：北京航空航天大學出版社，2011.

[3]TI公司.TL16C754 Data Sheet.[4]MAXIM公司.MAX485 Data Sheet.