基于EPM7064的多串口管理系统设计
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1 概述
本文引用地址：https://www.eepw.com.cn/article/20971.htm串行接口在数据通信中一直扮演着重要角色。他不仅没有因为时代的进步被淘汰，反而在性能上越来向其极限挑战。usb接口是当前pc机上的主流接口，但仍然有许多外设使用串口与pc机通信，尤其是在工业控制领域。普通pc机所提供的串口资源往往是不够的。
传统扩展多个串行口的方法是利用多个中断源，每个中断通常被分配给单一的设备。这是因为当多于1个的设备被设置成使用同一个特定中断时，系统不能辨认哪个设备使用中断线，所以就会产生混乱。但在嵌入式系统中，花费大量的中断源来扩展串口无疑是资源的浪费。针对这种情况，为了节省紧张的系统资源，本方案通过对cpld的设计，采用1个中断源高效管理多个串口的有效方法实现了将pc主机上的一个usb接口扩展为8个通用串口接口，同时保证了多个串口中断的无漏监测与服务。
2 系统硬件设计
本设计方案(参见图1)采用atmel公司的89c52单片机来控制串口到usb接口之间的数据收发工作，选用philips公司的usb接口芯片pdiusbd12实现单片机与usb器件之间的连接，多串口扩展以tl16c554芯片实现，并由一片cpld(altera的epm7064)实现高效多串口中断源管理，利用单一的中断源来管理多个扩展串口。在pc主机端，设计开发了wdm设备驱动程序对usb口进行虚拟管理，从而使得windows应用程序能以访问普通串口的方式访问串口服务器上的多个串口。
3 cpld设计
本设计中用cpld设计了译码电路、锁存电路、逻辑或电路、三态门电路、状态机电路。由于对宏单元和管脚的要求不是很多，因此选用altera epm7064，44脚，plcc封装。
3.1 译码电路
用cpld进行pdiusbd12的选址，2片tl16c554共8个口的选址，以及对cpld中一位寄存器的选址，共用到a3～a7以及do进行译码，译码设计图如图2所示。
(1) pdiusbd12的选址
由于po口为数据地址线，所以要经过地址锁存器，以及a7，a6一起连到一个138译码器上。因为pdiusbd12奇地址表示命令，偶地址表示数据，所以把2个地址接异或非门后再接到pdiusbd12的片选端。如图2上的cs2，其地址为0x7000，0x7001。
(2) tl16c554的选址
为了选中扩展的8个串口，将a3～a5连入另一个138译码器，将其译码为8个选通端连到每个芯片的片选上，然后用a6，a7，do的译码cs0(见图2)作为第二个138译码器的低使能端。其8个口的地址依次为0x0c000，0x0c800，0x0d000，0x0d800，0x0e000，0x0e800，0x0f000，0x0f800。
(3) 一位寄存器的选址
cpld内的一位寄存器的地址设定为0x0c001。
3.2 多串口中断源解决方案
其基本原理如图3所示。
rs232串口通过驱动芯片max202或max232转化成ttl电平，通过串口异步通信器件16c554输出中断请求，通过或门获得多个串口的中断请求，再通过cpld与中断控制器相连接。中断控制线intreq通过cpld主要是在cpld中做一个一位寄存器inten(如图4所示)，用作中断允许位，并根据16c554的中断请求intreq和inten的状态来最终生成中断dly_irq，cpu将实时响应该中断请求。
在中断服务过程中，cpu按顺序逐个检查多个扩展口的串口中断源，有中断请求的就给予服务。当刚刚检测过的中断又出现时，一方面靠cpld中的移位寄存器intreq锁存，另一方面，当上一中断服务完成时，cpld中的8位状态机(如图7)保证了一定的延时。此延时中，中断控制程序把堆栈中的内容返回给cpu的寄存器，恢复能获得的响应。这样，即使在多个串口中断密集发生的环境下，扩展的多个串口仍可获得实时性和可靠性较高的中断。具体做法如下：
(1) intreq为n个中断的或结果。
(2) cpu对inten只写，操作过程分3步：
①中断安装后设置inten=1；
②进入中断服务程序后cpu设置inten=0；
③退出中断服务程序的最后指令再将inten=1。
(3)中断响应的时序图，如图5所示。
在isr置位期间，有中断请求intreq产生时，此时如果触发了中断，则会使上次中断服务无法完成，因而造成中断丢失。因此，在isr配置期间，将中断允许inten设置为o，防止其他中断请求触发中断，并用intreq锁存未被响应的中断请求。退出中断服务后，得中断允许inten设置为1，保证其他中断请求被响应，并延迟50μs，以确保此次中断服务完全退出。
(4)中断控制寄存器的状态图(描述8位状态机的转换)如图6所示。
3.3 epm7064的接口电路图
本设计支持epm7064在线下载功能，其接口图如图8所示。
4 虚拟串口驱动程序设计
为实现主机可以如操作本机串口一样通过主机usb口对串口设备进行数据读取，主机端设备驱动程序需将串口服务器的8个串口对应到主机的8个虚拟串口上。在wdm设备驱动程序设计中，这样的功能可以通过在usb功能驱动程序上层加上一个过滤驱动层来实现。应用程序发送数据到虚拟串口，而过滤驱动程序则将虚拟串口中的数据转发给usb功能驱动程序，反之亦然。基于wdm的usb设备驱动程序分层结构如图9所示。
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