Windows 2K平臺(tái)下多機(jī)通信卡及其驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)

在工業(yè)現(xiàn)場，監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)常采用RS-485/423/422通信標(biāo)準(zhǔn)。然而，在Windows2K平臺(tái)下，復(fù)雜的多機(jī)通信和大數(shù)據(jù)量的傳輸會(huì)加重計(jì)算機(jī)的負(fù)擔(dān)。作者采用自制的多機(jī)通信卡解決了這一問題。本文介紹了Windows2K平臺(tái)下多機(jī)通信的基本原理，論述了多機(jī)通信卡的設(shè)計(jì)方法，進(jìn)一步闡述了驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)的一般原則。

關(guān)鍵詞：RS-485，單片機(jī)，多機(jī)通信，WDM

1 引言

在電力監(jiān)控系統(tǒng)中，為保證數(shù)據(jù)通信的可靠性，從機(jī)經(jīng)常采用RS-485標(biāo)準(zhǔn)接口同主機(jī)進(jìn)行通信。通常，主機(jī)是一臺(tái)安裝有Windows9X、WinNT或Windows2K等操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)。從機(jī)為8051單片機(jī)系統(tǒng)，8051串行口的輸入輸出為TTL電平，抗干擾性較差，只能在幾米的范圍之內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)。

為了增強(qiáng)抗干擾性，提高串地通信的可靠性，增加傳輸距離，必須采用標(biāo)準(zhǔn)串行總線接口。若將串行口的輸入輸出電平轉(zhuǎn)換成目前流行的RS-485標(biāo)準(zhǔn)串行總線接口，那么主機(jī)也必須完成相應(yīng)的RS-485轉(zhuǎn)換接口。普遍采用的做法是給計(jì)算機(jī)外接一個(gè)RS-485/232轉(zhuǎn)換接口卡，利用現(xiàn)有的RS-232接口完成主機(jī)同從機(jī)之間的通信。

在單機(jī)通信的情況下，這種做法是可以的。但是在多機(jī)通信中，實(shí)現(xiàn)起來非常麻煩，而且會(huì)大量占用計(jì)算機(jī)CPU的時(shí)間。下面介紹Windows平臺(tái)實(shí)現(xiàn)通信的幾種基本方式，以及開發(fā)多機(jī)通信卡的方法和技巧。

2 Windows平臺(tái)下多機(jī)通信方式

利用計(jì)算機(jī)的串行通信適配器，其核心為可編程異步收發(fā)器 UART8250芯片，8250由10個(gè)可尋址寄存器供CPU讀/寫，實(shí)現(xiàn)與外界的數(shù)據(jù)通信，制動(dòng)通信協(xié)議和提供通信狀態(tài)信息。這樣，可以滿足單機(jī)通信的要求。

8051單片機(jī)的串行通道是一個(gè)全雙工的串行通信口，既可以實(shí)現(xiàn)雙機(jī)通信，也可以實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信。當(dāng)串行口工作在方式2或方式3時(shí)，若特殊功能寄存器SCON的SM2由軟件置為“1”，則為多機(jī)方式；若SM2置為“0”，則為9位異步通信方式。

在多機(jī)通信時(shí)，8051的幀格式是11位，其中第9位是SCON中的TB8，它是多機(jī)通信時(shí)發(fā)送地址（TB8=1）或發(fā)送數(shù)據(jù)（TB8=0）的標(biāo)志。

計(jì)算機(jī)的串行通信接口芯片8250并不具有多機(jī)通信的功能，也不能產(chǎn)生類似8051的TB8。為了完成多機(jī)通信的功能，一般的實(shí)現(xiàn)方式是：

計(jì)算機(jī)給每臺(tái)8051單片機(jī)系統(tǒng)發(fā)送9位數(shù)據(jù)，查詢是否有要發(fā)送的數(shù)據(jù)，并等待應(yīng)答。若有，則接收數(shù)據(jù)；沒有，則繼續(xù)查詢下一臺(tái)。由此可以看出，這種通信方式速度是很慢的（如果有一臺(tái)8051長時(shí)間沒有響應(yīng)，則耗時(shí)更長），而且也并不可靠，從機(jī)的臺(tái)數(shù)越多則計(jì)算機(jī)的資源浪費(fèi)就會(huì)越嚴(yán)重。這種實(shí)現(xiàn)方式效率不高，不能滿足我們的通信要求。

因此，直接利用計(jì)算機(jī)串口的方式進(jìn)行通信是行不通的。為了盡可能減輕CPU的負(fù)擔(dān)，采用自行設(shè)計(jì)的智能通信卡，利用中斷方式的通信（這里指的是從機(jī)與通信卡之間的通信方式），來解決這個(gè)問題。

3 通信卡與多個(gè)8051通信的原理

為完成異步串行通信，首先就需要實(shí)現(xiàn)異步收發(fā)器的功能，其次還要實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信時(shí)發(fā)送的幀格式。考慮到8051除了實(shí)現(xiàn)異步收發(fā)的功能外，還可以編制控制程序，使用起來更加靈活、方便，因此，用8051來實(shí)現(xiàn)異步收發(fā)器。為了提高通信速度，從機(jī)與通信卡之間采用中斷通信方式。

具體的實(shí)現(xiàn)方案如圖1所示。

圖示的這種硬件結(jié)構(gòu)，使從機(jī)解放出來，平時(shí)不必處于監(jiān)聽狀態(tài)。當(dāng)計(jì)算機(jī)要求通信時(shí)，可以利用多機(jī)通信卡的處理器向從機(jī)發(fā)出中斷信號，即通信卡通過3487（TTL電平轉(zhuǎn)換為RS-485電平），從機(jī)通過3486（RS-485電平轉(zhuǎn)換為TTL電平）進(jìn)行從機(jī)中斷信號聯(lián)系。從機(jī)進(jìn)入中斷服務(wù)程序后，則關(guān)閉外部中斷，保護(hù)現(xiàn)場，監(jiān)聽主機(jī)發(fā)送的地址信號，并對其進(jìn)行識(shí)別，如果與本機(jī)地址相符，取消監(jiān)聽，進(jìn)入通信狀態(tài)。

通信卡與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信是通過數(shù)據(jù)接口和譯碼電路實(shí)現(xiàn)的。該接口卡利用中斷方式與計(jì)算機(jī)通信，即通信卡向計(jì)算機(jī)發(fā)出中斷請求，計(jì)算機(jī)接收到相應(yīng)中斷請求后，執(zhí)行數(shù)據(jù)收發(fā)的任務(wù)。其中，計(jì)算機(jī)對通信卡的訪問是利用內(nèi)存映射方式實(shí)現(xiàn)的。

4 通信卡設(shè)計(jì)

該通信卡基于ISA總線工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。它的設(shè)計(jì)主要分為三個(gè)部分：地址譯碼電路、數(shù)據(jù)接口電路和控制邏輯電路。

（1）地址譯碼電路

由于采用的是端口統(tǒng)一編址的方式（也就是給每一個(gè)I/O端口分配一個(gè)存儲(chǔ)器地址），I/O端口的尋址信號由地址總線通過譯碼得到。CPU用存儲(chǔ)器讀寫指令對I/O接口進(jìn)行讀寫，此時(shí)，I/O端口的讀寫操作控制信號采用存儲(chǔ)器讀（MEMR）和存儲(chǔ)器寫（MEMW）信號。而在通信卡上為實(shí)現(xiàn)內(nèi)存映射就必須完成相應(yīng)的譯碼轉(zhuǎn)換，也就是將對應(yīng)的雙口RAM地址與分配的地址空間對應(yīng)起來，實(shí)現(xiàn)地址的轉(zhuǎn)換。

實(shí)現(xiàn)時(shí)，采用動(dòng)態(tài)配置內(nèi)存映射設(shè)備，改變內(nèi)存映射端口的地址也相對方便，比老式的ISA[1]接口用跳線配置要優(yōu)越些。該雙口RAM為8K，但計(jì)算機(jī)能夠訪問的只有4K。其中CTRL線是8K RAM的控制線，通過該線可以實(shí)現(xiàn)“乒乓”結(jié)構(gòu)[1]的數(shù)據(jù)傳輸。

（2）數(shù)據(jù)接口電路

數(shù)據(jù)接口電路實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)線的驅(qū)動(dòng)功能。盡管很多計(jì)算機(jī)主板的數(shù)據(jù)總線都經(jīng)過驅(qū)動(dòng)，但為了確?？煽啃?，數(shù)據(jù)總線不應(yīng)直接與雙口RAM相連接，而是通過數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)器件與數(shù)據(jù)線相連。

（3）控制邏輯電路

控制邏輯電路是與計(jì)算機(jī)通信的核心部分，該部分主要是實(shí)現(xiàn)“乒乓”結(jié)構(gòu)的硬件控制部分。當(dāng)存儲(chǔ)器中的RAM達(dá)到HALF READY（半滿狀態(tài)）時(shí)發(fā)出中斷申請實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，同時(shí)，將CTRL狀態(tài)取反，使得計(jì)算機(jī)訪問的是其中的一半，即實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹捌古摇苯Y(jié)構(gòu)。此外，數(shù)據(jù)的讀寫控制也通過控制邏輯實(shí)現(xiàn)。

89C52實(shí)現(xiàn)與從機(jī)多機(jī)通信，同時(shí)將得到的數(shù)據(jù)存入雙口RAM中，控制邏輯協(xié)調(diào)RAM的數(shù)據(jù)讀寫工作。

5 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)

在Windows 9x下的VxD（虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序）相比，Windows 2K下的WDM（Windows設(shè)備驅(qū)動(dòng)模型）驅(qū)動(dòng)程序要復(fù)雜一些。

WDM驅(qū)動(dòng)程序是分層的，不同層上的驅(qū)動(dòng)程序有著不同的優(yōu)先級[2]。此外，WDM還引入了FDO（功能設(shè)備對象）與PDO（物理設(shè)備對象）兩個(gè)新類來描述硬件。

在開發(fā)驅(qū)動(dòng)程序過程中，使用了DriverStudio中的DriverWorks工具用來創(chuàng)建WDM框架。

DriverWorks提供用于訪問內(nèi)存映射地址的類KmemoryRange和KmemoryRegister。實(shí)現(xiàn)步驟如下：

（3）在初始化成功后，可以調(diào)用類KmemoryRange的成員函數(shù)實(shí)現(xiàn)對內(nèi)存映射地址寄存器[2]的訪問。

在驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)中還涉及到硬件中斷的處理。具體地說，首先安裝一個(gè)中斷服務(wù)例程（ISR），當(dāng)相應(yīng)的中斷發(fā)生時(shí)，內(nèi)核調(diào)用它的中斷服務(wù)例程。中斷服務(wù)例程的第一個(gè)工作是判斷該中斷是否由自己的設(shè)備產(chǎn)生。如果不是，則返回FALSE，交給其他的中斷服務(wù)例程；如果是，則處理該中斷，并返回TRUE。

同樣，DriverWorks提供Kinterrpt和KdefrredCall類處理中斷。具體編程如下：

6 結(jié)束語

由于在接口卡中采用了89C52芯片完成數(shù)據(jù)收發(fā)工作，同時(shí)協(xié)助主機(jī)進(jìn)行信號的處理，這在很大程度上減輕了主機(jī)的負(fù)擔(dān)，加速了I/O操作。在驅(qū)動(dòng)程序的編制上，采用了WDM驅(qū)動(dòng)模型，這樣可以很方便地將程序移植到任何支持WDM模型的操作系統(tǒng)中去。

參考文獻(xiàn)

1 路友榮編著.PC系列微機(jī)接口擴(kuò)展設(shè)計(jì).成都：成都科技大學(xué)出版社，1994

2 尤晉元，史美琳等編著.Windows操作系統(tǒng)原理.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001

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