雙向透明串口擴(kuò)展技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)

　嵌入式多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀系統(tǒng)中一般包括多個(gè)獨(dú)立的硬件采集模塊，每個(gè)硬件采集模塊分別完成對人體的心電、呼吸率、體溫、血壓和血氧飽和度等生理參數(shù)的采集，并通過其串口接收HOST端的控制信息，定時(shí)向HOST端發(fā)送采集數(shù)據(jù)。

　　本嵌入式多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀HOST端使用AT91RM9200處理器，該處理器具有4個(gè)通用同步/異步接收/發(fā)送器（USART），其中一個(gè)是DEBUG串口,但它們都是分時(shí)復(fù)用的[1]。為了使HOST端更好地與各采集模塊進(jìn)行通信，必須解決其串口擴(kuò)展的問題。

　　目前比較通用的串口擴(kuò)展方案主要有2種。一種通過硬件實(shí)現(xiàn)，使用多串口ARM/MCU或?qū)Ｓ么跀U(kuò)展芯片，可供選擇的串口擴(kuò)展芯片有TI公司開發(fā)的 16C55X系列串口擴(kuò)展芯片和國騰公司開發(fā)的GM812X系列串口擴(kuò)展芯片等。TI公司的16C55X系列芯片通過并行口擴(kuò)展串行口，功能比較強(qiáng)大、通信速度高，但控制復(fù)雜，同時(shí)價(jià)格較高，主要應(yīng)用于PC機(jī)串口擴(kuò)展。另一種串口擴(kuò)展方案通過軟件實(shí)現(xiàn)，但用軟件模擬串口存在缺點(diǎn)：(1)采樣次數(shù)低，一般只能做到2次/bit，這樣，數(shù)據(jù)的正確性就難以保證；(2)不能實(shí)現(xiàn)高波特率通信，軟件模擬串口一般不能實(shí)現(xiàn)高于4 800 b/s的波特率[2-3]。

　　不管是采用硬件還是軟件方案，大多數(shù)串口擴(kuò)展產(chǎn)品幾乎都是單向傳輸，不夠透明化[4-7]。本文根據(jù)參與的多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀項(xiàng)目的需要，提出一種雙向透明的串口擴(kuò)展設(shè)計(jì)方案，并通過了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

　　1硬件設(shè)計(jì)

　　1.1串口擴(kuò)展模塊拓?fù)鋱D

　　在設(shè)計(jì)中，串口擴(kuò)展模塊可以外接4個(gè)用戶設(shè)備，每個(gè)用戶設(shè)備都可以在與HOST端進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸，采用分時(shí)復(fù)用技術(shù)，即在任一時(shí)刻，最多僅有一個(gè)串口與HOST端連接，串口擴(kuò)展模塊負(fù)責(zé)4個(gè)通道的切換/選擇。雙方通過硬件和軟件機(jī)制進(jìn)行仲裁。如圖1所示。

　　1.2硬件設(shè)計(jì)方案

　　串口擴(kuò)展模塊主要由2部分組成：單片機(jī)AT89C2051及模擬開關(guān)CD4052、雙4通道模擬開關(guān)。

　　串口擴(kuò)展模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖2所示，其中虛線框內(nèi)為串口擴(kuò)展模塊的主要部分。

　　2 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

　　2.1數(shù)據(jù)由用戶設(shè)備發(fā)送到HOST端

　　由于各模塊是分時(shí)復(fù)用的，為了避免用戶設(shè)備之間發(fā)生競爭，需要AT89C2051對4個(gè)用戶設(shè)備通道進(jìn)行仲裁，本文采用以下方案。

　　4個(gè)用戶設(shè)備各用一根I/O口線分別與AT89C2051的P1.0～P1.3引腳相連，同時(shí)還與一個(gè)4輸入或非門相連，將某根或某幾根I/O口線置高電平并經(jīng)過該4輸入或非門來觸發(fā)中斷，通知AT89C2051有用戶設(shè)備請求向HOST終端發(fā)送數(shù)據(jù)，同時(shí)AT89C2051進(jìn)行用戶設(shè)備號查詢。AT89C2051收到請求信號后，首先判斷 HOST端與其他用戶設(shè)備之間的數(shù)據(jù)發(fā)送是否結(jié)束，若結(jié)束，則根據(jù)仲裁機(jī)制通過與各用戶設(shè)備相連的P1.4～P1.7引腳置高給出應(yīng)答響應(yīng)信號，同時(shí) AT89C2051根據(jù)中斷查詢到的用戶設(shè)備號對P3.4和P3.5引腳進(jìn)行設(shè)置來控制CD4052模擬開關(guān)選通對應(yīng)通道，用戶設(shè)備收到應(yīng)答響應(yīng)信號后就開始發(fā)送數(shù)據(jù)；若未結(jié)束，則屏蔽此次中斷，直到數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束才開中斷。用戶設(shè)備數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束時(shí)則將通過一個(gè)4輸入或非門來觸發(fā)中斷，通知AT89C2051此次數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束。在響應(yīng)數(shù)據(jù)發(fā)送請求時(shí)會(huì)涉及到多個(gè)用戶設(shè)備請求，從而需要AT89C2051進(jìn)行仲裁。仲裁機(jī)制如下：心電和血氧模塊是50 ms定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，而血壓模塊需要HOST端發(fā)來啟動(dòng)測量命令后才向HOST端發(fā)送血壓數(shù)據(jù)，因此需要將血壓模塊發(fā)送數(shù)據(jù)的請求設(shè)置為較高優(yōu)先級，才能保證血壓數(shù)據(jù)正確及時(shí)地發(fā)送到HOST端，而心電和血氧模塊設(shè)置為低優(yōu)先級輪流發(fā)送。

　2.2數(shù)據(jù)由HOST端發(fā)送到用戶設(shè)備

　　為了使HOST端的數(shù)據(jù)能夠及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)送到各個(gè)用戶設(shè)備，就需要和AT89C2051之間定義好通信協(xié)議。其協(xié)議如下。

　　AT89C2051始終監(jiān)視HOST終端發(fā)出的信息，一旦收到HOST終端發(fā)出的串口選擇命令，如表1所示，立即對P3.4和P3.5引腳進(jìn)行設(shè)置來控制 CD4052模擬開關(guān)選通對應(yīng)通道并控制相應(yīng)的LED燈以作指示。串口選擇后， HOST終端需要根據(jù)AT89C2051指令執(zhí)行和模擬開關(guān)切換時(shí)間延遲一定時(shí)間后再開始向?qū)?yīng)用戶設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)/命令。HOST端數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束則由接收端的用戶設(shè)備向AT89C2051發(fā)送中斷結(jié)束信號，其結(jié)束處理與數(shù)據(jù)由用戶設(shè)備發(fā)送到HOST端的結(jié)束處理相同。如果同時(shí)有用戶設(shè)備向 AT89C2051請求發(fā)送數(shù)據(jù)到HOST端，則優(yōu)先響應(yīng)HOST端的發(fā)送數(shù)據(jù)/命令請求，即HOST端的發(fā)送數(shù)據(jù)/命令請求的優(yōu)先級最高。

　　本文在設(shè)計(jì)中將HOST端的TXD引腳連接到AT89C2051的RXD引腳，這樣就可以通過AT89C2051的串口接收中斷和HOST端通信， HOST端發(fā)送數(shù)據(jù)/命令時(shí)首先發(fā)送串口選擇命令字，其次再發(fā)送數(shù)據(jù)/命令去控制用戶設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，例如增益大小、是否啟動(dòng)血壓測量等命令。

　　3軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)分為主函數(shù)、串口中斷服務(wù)程序、外部中斷0和1服務(wù)程序4個(gè)部分，如圖3所示。

　　在很多場合需要進(jìn)行串口擴(kuò)展以滿足系統(tǒng)集成多個(gè)串口設(shè)備，擴(kuò)展方法很多，各有優(yōu)缺點(diǎn)。本文提出的用單片機(jī)AT89C2051為AT91RM9200擴(kuò)展串口的方案是基于單片機(jī)價(jià)格低廉、體積小，完全可以替代一般的專用接口芯片，作為真正意義上的可編程接口，實(shí)現(xiàn)雙向通信，使串口擴(kuò)展模塊變得透明。這種方案使用靈活，與一般接口芯片相比對外部用戶設(shè)備具有更好的適用性，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。將單片機(jī)等同于普通接口芯片使用，是一種新思路，具有一定的啟迪作用和實(shí)際參考價(jià)值。