PC/104标准嵌入式扩展通信板设计

1 引言
PC/104嵌入式控制PC出现于80年代末，并于 1992年形成IEEEP966.1标准。它一方面继承了所有的PC资源，另一方面又对PC机的结构、体积、功耗、可靠性等方面重新优化设计，使它与IBM PC完全兼容，并具有了体积小、功耗低、工作温度宽、可靠性高等特点。PC/104嵌入式控制PC采用了独特的“自栈式”总线连接，模块化结构，使用起来灵活方便。它所采用的面向对象的硬件设计方法使得在PC/104标准上开发的扩展模块具有更强的通用性和更长的生命期。正因为具有了这么多的优点，PC/104被越来越多地使用于各种嵌入式系统中，特别是在一些可靠性要求高而工作环境又比较恶劣的地方，比如军事指挥系统、武器控制系统或工业控制系统中的应用。在这些系统中往往不是单个计算机的控制，而是多个计算机组成通信网络共同完成控制作用，因此，对于每一个嵌入式计算机除了连接必需的外设之外，还需要考虑计算机之间的通信。计算机间最常用的通信方式是利用串行口来实现的，所以在设计这些控制系统的时候，常常面临串行口资源短缺的问题。

同台式PC机一样，PC/104嵌入式控制PC一般也提供两个RS-232串行口，常用的串行通信有RS-232和RS-485两种。RS-232主要用于点对点通信，特别是通过MODEM进行远距离的两点之间的通信；RS-485主要用于多机通信，采用平衡差分电路双线传输，总线连接的方式，距离在1km以内时最大速率是100kbps，允许并联32台驱动器和32台接收器以半双工方式工作。PC/104所提供的两个串行口资源在很多情况下会不够用，因为使用串行口的外设的数量和种类在增加，而且串行口的功能也在扩展，比如有些PC/104可将接到串行口的设备作为系统控制台使用，它们都要占用宝贵的串行口资源；此外，随着计算机之间通信需求的增加，在多机通信或需要采用多种通信方式的系统中，串行口资源就不够用了。另外，在一些PC/ 104中两个串口的地址往往是不能改变的，这给使用带来不便； PC/104也不提供RS-442或RS-485串行口，在需要利用RS-485总线实现多机通信时就必须另外配备RS-232到RS-485的转换器。对于这些困难，最好的解决方法就是按照PC/104标准开发嵌入式扩展通信板。

本设计是根据实际系统的需求开发的，为了在有限的空间中提供尽可能多的功能并保证电路的可靠性，设计中利用了高集成度的异步通信单元芯片，外围控制电路由可编程逻辑器件实现，接口按照PC/104标准设计。板上提供两个RS-232串行口和两个RS-485串行口，串行口地址和中断请求号可由用户选择。设计中也考虑了扩展通信板的通用性，所设计的通信板符合PC/104标准，支持即插即用功能，用户可根据系统资源条件和实际需要设置串行口地址和中断请求号，因此本设计可作为开发PC/104标准嵌入式串口通信板的参考。另外，在本设计中RS-485串行口的硬件电路中有一个独特的结构，结合通信协议,可实现信号极性的自动设别和转换。

2 通信板的设计方法

2.1 总体结构

本设计的总体原理如图1所示。图中PC/104总线是兼容于PC/AT的ISA总线，设计中使用了8位数据信号D 0～D7，它们通过数据缓冲电路连接异步通信单元；10根地址线A0～A9，读写控制信号 IOR、IOW，地址使能信号AEN和复位信号RESET，这些信号同地址选择电路以及PLD电路中设计的逻辑电路一起完成串行口的地址选择和各种逻辑控制，对每一个串口的内部寄存器的操作由地址的低三位A 0、A1、A2选择确定；利用中断号选择电路结合PLD电路内部逻辑提供了IRQ3、4、5、7、9、10、11、15八个中断请求号供选择。


异步通信单元使用TI公司的TL16C554，它包含了四个异步收发单元，每一个都与16550兼容，加上电平转换电路就可构成一个串行口。
RS-232电平转换电路采用MAX213，它提供了五路232到TTL电平的转换和四路TTL到232电平的转换，一片MAX213就可实现完整的RS-232接口功能。

RS-485电平转换电路采用SN75176，它提供了 485标准电平与TTL电平之间的转换，接收和发送部分可单独控制。

数据缓冲由74HC245承担，其传输方向由主机 IOR信号控制，片选信号由PLD产生。

地址选择电路提供给用户设置串行口地址，通过短路块将地址的高四位A6～A9置0或置1实现地址的设定。

2.2 异步通信单元

TL16C554是TI公司的产品，集成度高，性能稳定，其内部包含了四个可独立操作的可编程异步收发单元16C550，它们共用了数据线D 7～D0、内部寄存器地址线A2 ～A0、读写信号线IOR和IOW、DMA读写控制TXRDY和RXRDY、复位RESET、时钟XTL1和XTL2。每个收发单元都有自己的片选信号CS、中断请求INT、数据输出TX、数据输入RX及MODEM逻辑控制信号CTS、DCD、DSR、 DTR、RI、RTS。其内部功能模块如图2所示。