《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于GM814X的單片機(jī)串口擴(kuò)展及其應(yīng)用
來源：電子技術(shù)應(yīng)用2012年第9期
張 偉, 李文魁, 陳永冰
海軍工程大學(xué)，湖北 武漢430033
摘要： 介紹了基于C8051F340單片機(jī)和GM814X串口擴(kuò)展芯片的串口擴(kuò)展方法。針對實際裝備的通信和接口需求，進(jìn)行了RS-485通信終端的電路軟硬件設(shè)計。實際應(yīng)用表明，該通信終端設(shè)計可靠，性價比高，解決了單片機(jī)在串行通信系統(tǒng)中的串口局限問題。
中圖分類號： TP334
文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
文章編號： 0258-7998(2012)09-0096-04
Design and implementation of serial port extension based on GM814X
Zhang Wei, Li Wenkui, Chen Yongbing
Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China
Abstract： his paper introduces a method of serial interface extension based on the C8051F340 MCU and the GM8141 chip, combines with the actual needs to design and implement, and gives the practical circuit of hardware and communication program section. The experimental application proved that the design is reliable, cost-effective and solves the limited serial port in the serial communication.
Key words : C8051F340; GM814X; serial port extension; serial communication

    在嵌入式系統(tǒng)中，串行接口設(shè)備憑借其控制靈活、接口簡單、占用系統(tǒng)資源少等優(yōu)點而得到廣泛應(yīng)用。以單片機(jī)為核心的嵌入式系統(tǒng)，單片機(jī)常需要連接多個串行外設(shè)，如上位計算機(jī)、串口LCD、外部傳感器等。通常單片機(jī)只提供一到兩個異步串行通信接口（UART）。因此，為了實現(xiàn)多串口通信，必須對其串行口進(jìn)行擴(kuò)展。

    常見的串口擴(kuò)展方法有軟件模擬法和硬件擴(kuò)展法。軟件模擬法通過兩個通用I/O引腳、兩個定時器和一個外部中斷用軟件模擬UART的發(fā)送/接收功能，成本低，易于實現(xiàn)，但占用資源多， 誤碼率高， 不適用于高速傳輸[1]。硬件擴(kuò)展法主要有三種方式: (1)基于普通I/O口的串口擴(kuò)展，如采用16C554芯片，其占用資源多，價格較貴； (2)基于USB的多串口擴(kuò)展，如專用USB/串口轉(zhuǎn)換器，可擴(kuò)展最多16路串口，性能可靠，但體積大，且價格隨串口數(shù)增加顯著提高;(3)基于SPI口的串口擴(kuò)展。
    本文采用GM814X串口擴(kuò)展接口芯片通過單片機(jī)的增強(qiáng)型串行外設(shè)接口(SPI)實現(xiàn)多串口擴(kuò)展。GM814X控制芯片在有限的資源下，可以增加擴(kuò)展串口的數(shù)量并且性價比較高，運(yùn)行可靠穩(wěn)定，便于嵌入式系統(tǒng)使用。該方法成功應(yīng)用于某RS-485通信終端開發(fā)。此通信終端與實際設(shè)備對接，工作穩(wěn)定，設(shè)置靈活，滿足RS-485總線高速通信要求。
1 基于GM814X的串口擴(kuò)展
    GM814X是專用低功耗串行口擴(kuò)展芯片，該芯片主要是為了解決單片機(jī)等MCU自身的UART串口有限、不能與多個基于UART通信的外圍智能模塊及器件通信等問題而推出的。它可將現(xiàn)有單片機(jī)的單串口或雙串口擴(kuò)展成2個（GM8141）或4個(GM8142）標(biāo)準(zhǔn)的UART，并具備兩種工作模式：串口擴(kuò)展模式和廣播模式。串口擴(kuò)展模式下，各子串口可獨(dú)立設(shè)置波特率、幀長和校驗方式，并同時與SPI接口進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)[2]。
1.1 SPI接口及時序
    增強(qiáng)型串行外設(shè)接口（SPI）提供訪問一個全雙工同步串行總線的能力，可以使用3線或4線方式，并可在同一總線上支持多個主器件和從器件[3]。GM814X芯片是基于SPI接口實現(xiàn)的，因此SPI的時序?qū)Υ诠δ艿氖褂糜葹橹匾?，時序圖如圖1所示。由于SPI時序較為簡單，利用GM8141擴(kuò)展串口時MCU選擇比較靈活，可選用帶SPI口的MCU（如C8051F340）實現(xiàn)，也可用通用I/O口通過軟件模擬SPI實現(xiàn)。

    SPI 上的數(shù)據(jù)為16位，其中高8位為子串口地址及附加命令和狀態(tài)信息，低8位為實際收發(fā)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)接收以時鐘上升沿為采樣標(biāo)志，數(shù)據(jù)發(fā)送以時鐘下降沿為移位標(biāo)志。16 bit的數(shù)據(jù)收發(fā)從CS為低時有效,當(dāng)CS拉高后，結(jié)束數(shù)據(jù)的收發(fā),并對數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷和有效性分析。
1.2 GM814X芯片
    GM814X是一款兼容SPI總線的UART擴(kuò)展芯片，其工作模式、各子串口的波特率、數(shù)據(jù)幀長等參數(shù)可通過向功能設(shè)置寄存器寫入控制字進(jìn)行靈活設(shè)置，I/O口占用率低。通過寫功能設(shè)置寄存器的波特率分頻標(biāo)志位，各子串口可在母串口波特率基礎(chǔ)上分頻同時工作。其主要指標(biāo)為:晶振頻率為3.686 4 MHz 時, 波特率范圍為600 b/s~230.4 kb/s，輸出波特率誤差小于0.1%，輸入波特率誤差允許小于3.4%。以GM8141芯片為例，其引腳功能如圖2所示。

    SHDN為軟件shutdown控制標(biāo)志位，0為正常工作模式，1為低功耗掉電模式。掉電模式下，GM814X自動清除中斷寄存器的內(nèi)容，但保留功能寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)。當(dāng)多個GM814X芯片掛在SPI總線上時，外部MCU可通過CS引腳選擇與其中某個GM814X通信時的控制，以此實現(xiàn)芯片的并聯(lián)工作。
2 應(yīng)用設(shè)計
2.1 RS-485通信終端
    RS-485串行接口采用差分傳輸方式，半雙工方式通信，抗共模干擾能力強(qiáng)，并可聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成分布式系統(tǒng)，在要求精度高的實際工業(yè)儀器中應(yīng)用廣泛[4]。
    本文設(shè)計的RS-485通信終端作為一個獨(dú)立的多路RS-485總線接口設(shè)備，具有多路RS-485信號的數(shù)據(jù)采集、發(fā)送及數(shù)據(jù)處理功能。通過外接LCD顯示屏及矩陣鍵盤提供獨(dú)立的人際交互手段。此外，該終端還可與PC機(jī)構(gòu)成上、下位機(jī)系統(tǒng)，實現(xiàn)更為復(fù)雜的功能。其硬件組成如圖3所示。

    根據(jù)設(shè)備配置，該通信終端需要4個串口：C8051F340自帶的UART0用于與串口LCD屏通信，與矩陣鍵盤配合，實現(xiàn)參數(shù)顯示和人機(jī)交互；自帶的UART1用于上位機(jī)進(jìn)行RS-232通信，用于接收其指令或數(shù)據(jù)信息；擴(kuò)展的兩個串口用于與RS-485外設(shè)進(jìn)行RS-485總線通信。
2.2 電路設(shè)計
    選用C8051F340作為主控MCU，C8051F340具有豐富的數(shù)字外設(shè)如UART、SPI、SMBus/I2C、USB等資源，在工程中得到廣泛應(yīng)用。通過GM8141實現(xiàn)串口擴(kuò)展，一片MAX232實現(xiàn)兩路單片機(jī)TTL電平與RS-232C電平的雙向轉(zhuǎn)換，兩片MAX485實現(xiàn)GM8141的TTL電平與RS-485電平的雙向轉(zhuǎn)換。電路圖見圖4。

 

 

    GM8141與單片機(jī)采用SPI口的3線單主方式和3線單從方式連接，SPI時鐘為250 kHz。IRQ引腳外接30 k?贅上拉電阻。當(dāng)FIFO 接收到數(shù)據(jù)后置位R，并產(chǎn)生IRQ 中斷，該IRQ 中斷連接C8051340的P0.3管腳，當(dāng)單片機(jī)響應(yīng)，且對GM814X 進(jìn)行了收（發(fā)）數(shù)據(jù)操作后，該中斷即被清除；若接收FIFO 內(nèi)還有數(shù)據(jù)，則繼續(xù)重復(fù)產(chǎn)生新的IRQ中斷和置位R，直到FIFO 內(nèi)的數(shù)據(jù)被讀取完；片選信號CS連接單片機(jī)的P1.6管腳，控制SPI時鐘的有效性。
    MAX485的發(fā)送/接收轉(zhuǎn)換器由使能端RE和DE控制。當(dāng)RE和DE都為0時, MAX485處于接收狀態(tài)；RE和DE都為1時，MAX485處于發(fā)送狀態(tài)。用于遠(yuǎn)距離傳輸時，應(yīng)在A+和B-輸出端并接匹配電阻。
2.3 軟件設(shè)計
    單片機(jī)采用C51語言編程，在Keil uVision3集成開發(fā)環(huán)境下調(diào)試。
    使用GM8141進(jìn)行擴(kuò)展串口通信之前，首先進(jìn)行初始化。SPI的初始化需設(shè)置工作方式和時鐘頻率。GM8141的初始化需要設(shè)置工作模式,字串口的波特率和數(shù)據(jù)幀長等，通過向配置寄存器中寫入相應(yīng)的控制字實現(xiàn)。
　　終端對于RS-485外設(shè)的通信主要是接收和發(fā)送數(shù)據(jù)程序,應(yīng)嚴(yán)格按照圖3中的SPI接口時序圖進(jìn)行設(shè)計。
　　以下為部分程序代碼，串口擴(kuò)展通信時僅給出RS-485通道1的發(fā)送接收程序,通道2類似，多串口通信初始化程序流程如圖5所示。

    (1)初始化：
    void SPI0_Init()
    功能：對SPI進(jìn)行初始化
    {
           SPI0CFG=0x40;    //設(shè)置工作方式、3線模式
           SPI0CN=0x01;    //使能SPI
           SPI0CKR=23;    //SPI0時鐘為250 kHz
    }
    void Init_System()
    功能：對GM8141進(jìn)行初始化
    {
        uint temp=0;
        while(cnt0<240);          //等待LCD初始化
         W_8141Config(1,1,11);   
                       //串口1、發(fā)送中斷屏蔽、波特率57 600
    temp=Read8141Config(1);  //讀取配置返回結(jié)果
    EX0=1;                   
                           //開外部中斷（允許接收485信號）
    }
    調(diào)用函數(shù)說明：
       ①void W_8141Config(uchar n, uchar high, uchar low)
　    功能：配置GM8141指定串口、波特率，屏蔽設(shè)置等
　　參數(shù)：n為串口號；high為配置寄存器的高位字節(jié)(低三位有效),low為低位字節(jié)。
       ②uint Read8141Config(uchar n) 
　　功能：讀GM8141配置后的狀態(tài)
    (2) GM8141發(fā)送函數(shù)：
    uint WR_8141(uchar W_com, uchar W_dat)    
    參數(shù)：W_com是對要發(fā)送的數(shù)據(jù)配置、W_dat是發(fā)送數(shù)據(jù)，W_dat與W_com的發(fā)送程序一樣
    {
        uint R_state,R_dat; uint Receive;
        CS=0;                                        //GM8141有效
    Delay(20);     
                //SPI時序要求時間：CS低電平到第一次
                                       SCLK的延遲時間Tcss           SPI0DAT=W_com;  
                         //向SPI0數(shù)據(jù)寄存器中寫入配置信息
        while(!SPIF);                    //等待SPI發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)束
        SPIF=0;                  //清SPI數(shù)據(jù)結(jié)束中斷標(biāo)志位
        Delay(80);                      //SPI時序要求延遲時間
           R_state=SPI0DAT;               //讀取GM8141接收值
        &hellip;&hellip;
    }
    (3) GM8141接收函數(shù)：
    uint ReadFIFOData(void)
    {
        uint Receive;    
        Receive=WR_8141(0x00,0x00);
                                 //GM8141單獨(dú)數(shù)據(jù)接收模式
    return Receive;                    //讀出接收FIFO數(shù)據(jù)
    }
    C8051F340需要處理多種外設(shè)信息，應(yīng)合理安排單片機(jī)的中斷優(yōu)先級。本電路中，優(yōu)先考慮RS-485外設(shè)的高速通信，設(shè)置為高優(yōu)先級，并采用外部中斷0方式接收RS-485數(shù)據(jù)。當(dāng)GM8141接收數(shù)據(jù)時，接收中斷中應(yīng)首先接收完整數(shù)據(jù)，然后判斷子串口的數(shù)據(jù)地址信息；發(fā)送數(shù)據(jù)時所發(fā)送的數(shù)據(jù)幀應(yīng)該包含其到達(dá)的子串口地址，這樣才能實現(xiàn)正確接收。
    在實驗室條件下進(jìn)行前期調(diào)試開發(fā)時，通過RS-232與RS-485轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)PC機(jī)模擬實際裝備的RS-485信號進(jìn)行通信，各串口測試運(yùn)行良好；后期實裝對接時，與RS-485外設(shè)通信穩(wěn)定可靠，可實現(xiàn)多路RS-485信號的通信，實時性和可靠性均能達(dá)到要求。實踐表明，通過GM814X擴(kuò)展串口可以很好地解決串行通信系統(tǒng)的串口局限問題。隨著單片機(jī)的廣泛應(yīng)用，此類擴(kuò)展串口方法在解決同類問題中具有一定的使用參考價值。
參考文獻(xiàn)
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