基于單片機(jī)的多串口實現(xiàn)方案

一、總述
隨著控制技術(shù)的發(fā)展，控制系統(tǒng)的數(shù)字化在生產(chǎn)過程中的應(yīng)用越來越普遍。作為控制核心的CPU需要和多個檢測及控制的相關(guān)設(shè)備進(jìn)行通信。這就給控制系統(tǒng)帶來一個問題，一般的CPU都是只有1個串口（單片機(jī)最多的有4個），如果外界串行口設(shè)備過多，設(shè)計上就會出現(xiàn)許多困難。筆者因此論述了幾個多串口實現(xiàn)方案，并采用其中一種實現(xiàn)了5個全雙工串口，并且可以兼容多種串行通信電平標(biāo)準(zhǔn)（RS232/RS485/RS422）。
1、基于硬件方式實現(xiàn)的多串口擴(kuò)展
SP3539是采用低功耗CMOS工藝設(shè)計的通用異步串行口擴(kuò)展芯片，它可輕松將主機(jī)原有的1個串行口擴(kuò)展成5個完全獨立且每個子串口波特率、奇偶效驗方式、數(shù)據(jù)幀長度都可獨立設(shè)置的全雙工子串口（子串口波特率最高可達(dá)115.2Kbps，滿足數(shù)據(jù)高速傳輸要求）。
SP3539采用分時復(fù)用技術(shù)將一個全雙工串口（上位機(jī)自帶串口）擴(kuò)展成5個完全獨立的全雙工串口（子串口），在上電默認(rèn)模式下母串口的波特率是各子串口波特率的6倍，即：各子串口可在特定的時間段內(nèi)獨占母串口，因此即使所有子串口都有連續(xù)不斷的數(shù)據(jù)輸入也不會發(fā)生數(shù)據(jù)丟失。母串口和各子串口內(nèi)部都分別有8字節(jié)的接收和發(fā)送FIFO緩存，即使5個子串口同時接收到數(shù)據(jù)和啟動數(shù)據(jù)發(fā)送也不會丟失數(shù)據(jù)。
2、基于SP3539串口擴(kuò)展的硬件電路設(shè)計
本文采用了經(jīng)典的8051單片機(jī)（AT89S52）作為主控芯片。該芯片與SP3539相連時接口非常簡單。SP3539共有六個串口，即一個母串口，五個子串口，它們都是全雙工的串行通信口，允許同時接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。母串口與單片機(jī)的串口相連，子串口與其他串口設(shè)備相連，這樣就實現(xiàn)了只有一個串口的單片機(jī)可與五個串口設(shè)備相連。SP2338有一套發(fā)送地址線，一套接收地址線，用以選擇發(fā)送串口和接收串口。當(dāng)單片機(jī)要向串口設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)時：
A單片機(jī)先發(fā)送地址信息（子串口地址）到SP3539的輸入地址“ADRI2”、“ADRI1”、“ADRI0”（如圖1），即選中待發(fā)送數(shù)據(jù)對應(yīng)的子串口。
B將待發(fā)送的數(shù)據(jù)由單片機(jī)通過母串口發(fā)送到SP3539。SP3539的母串口收到單片機(jī)串口送來的數(shù)據(jù)后就根據(jù)ADRI0、ADRI1和ADRI2的狀態(tài)，把數(shù)據(jù)送往對應(yīng)的子串口。
C對應(yīng)的子串口再把數(shù)據(jù)經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換變成對應(yīng)的電平標(biāo)準(zhǔn)發(fā)給對應(yīng)的設(shè)備。
當(dāng)串口設(shè)備向單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時，其數(shù)據(jù)流程為：
ASP3539的將子串口收到的數(shù)據(jù)緩存到FIFO里面，并發(fā)送到母串口。
B單片機(jī)接收到數(shù)據(jù)后，必須盡快讀取ADRO2、ADRO1、ADRO0三位輸出地址的狀態(tài)，并由此來判斷接收到的數(shù)據(jù)來自哪個子串口。
由于SP3539的母串口和各子串口內(nèi)部都分別有8字節(jié)的接收和發(fā)送FIFO緩存，因此擴(kuò)展后的五個串口就可以完全獨立地同時通信。SP3539各子串口都支持10位及11位數(shù)據(jù)幀格式，允許上位機(jī)更改各子串口數(shù)據(jù)幀長度，初次上電后各子串口默認(rèn)數(shù)據(jù)格式都為10位。
SP3539母串口波特率為：
K5=3600﹡Fosc_in
各子串口波特率為：
k=600﹡Fosc_in/n
式中“Fosc_in”為SP3539輸入時鐘（OSCI），單位為“MHz”，n為對應(yīng)子串口設(shè)置的分頻系數(shù)，默認(rèn)狀態(tài)為“1”。本文采用的輸入時鐘為16.0MHz，則上電默認(rèn)狀態(tài)下：母串口波特率：K5=3600﹡16.0=57600Bps，K0～4=600﹡1﹡16.0/1=9600Bps。
如果想要子串口的波特率工作在其它頻段，就必須根據(jù)上面的公式重新計算Fosc_in，同時也要改變SP3539和單片機(jī)的晶振。
3、基于SP3539串口擴(kuò)展的程序設(shè)計
采用SP3539擴(kuò)展串口程序簡單，占用資源少，不占用單片機(jī)的外部中斷和數(shù)據(jù)總線，5個子串口共享單片機(jī)串口中斷實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)。但在使用過程中一定要注意：SP3539的地址總線一定要區(qū)分讀寫，否則會發(fā)生錯誤，造成芯片異常發(fā)熱；串口中斷里面對各個子串口操作的代碼一定要盡量優(yōu)化，否則在大數(shù)據(jù)量收發(fā)時會造成子串口數(shù)據(jù)丟失。