摘 要： 介紹了一種基于單片機P89LPC931的SPI總線擴展異步串行接口UART的裝置，講述了P89LPC931單片機的開發(fā)使用，重點詳細闡明了擴展芯片GM8142的開發(fā)使用。用戶可以根據不同的應用環(huán)境靈活配置參數。本裝置成本低，可靠性高，穩(wěn)定性強。
關鍵詞： LPC單片機；GM8142；SPI總線
0 引言
隨著單片機技術的不斷發(fā)展，特別是網絡技術在測控領域的廣泛應用，由單片機構成的多機網絡測控系統(tǒng)已成為單片機技術發(fā)展的一個方向。單片機的應用已不僅僅局限于傳統(tǒng)意義上的自動監(jiān)測或控制，而是形成了向以網絡為核心的分布式多點系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。但是，大多數單片機都只有一個串行接口，在多數情況下限制了這些單片機的進一步應用。要實現單片機在應用系統(tǒng)中的有效通信，就必須對單片機進行串口擴展。
本文介紹的串口擴展器以單片機P89LPC931[1]為核心，使用SPI總線和芯片GM8142進行串口擴展，由1路SPI總線擴展出4路串口，具有可靠性高、抗干擾性能強、成本低等優(yōu)點，用戶可靈活配置參數，非常適合在電力、化工、冶金等工業(yè)控制現場中使用。
1 系統(tǒng)硬件設計
本系統(tǒng)功能是通過UART接口接收來自外部（例如PC，定義為上位機）的數據，通過指定的擴展串口將數據發(fā)送出去，或者從擴展串口讀取數據，通過UART發(fā)送到上位機。系統(tǒng)的整體設計如圖1所示。電源電路為整個系統(tǒng)供電，其中也包括RS232/RS485的電平轉換電路。復位電路完成單片機的外部復位，P89LPC931既可以使用外部高電平復位，也可以內部復位。串口電路完成單片機程序的ISP下載，與外界（如PC）交互，接收外界數據并通過擴展的串口發(fā)送，或者接收擴展串口的數據發(fā)送到外界設備。人機交互包括按鍵輸入和LCD顯示輸出，完成對系統(tǒng)參數的配置信息的輸入，顯示轉發(fā)的數據或配置參數。
單片機P89LPC931的電路原理如圖2所示。P89LPC931使用3.3 V電源供電，電阻R3與電容C7構成復位電路。當單片機向芯片GM8142發(fā)出復位的低電平信號時，LED點亮。單片機的引腳分配包括LCD部分、ICP在電路編程部分、KEY按鍵輸入部分、SPI接口部分和UART接口部分。
芯片GM8142[2]的電路原理如圖3所示。GM8142使用的晶振頻率為3.686 4 MHz。RX和TX分別是擴展串口的接收和發(fā)送引腳，輸出的IRQ作為單片機P89LPC931的外部中斷輸入。
2 系統(tǒng)軟件設計
2.1 通信規(guī)約的設計
串口擴展器的地址初始化為0x00。串口擴展器可以采用RS485或者RS232的接口標準與上位機進行通信。通信采用異步通信方式。通信參數包括波特率、校驗位和幀長度，它們既可以通過按鍵與LCD的人機交互接口設定，也可以通過通信方式由上位機設定。
系統(tǒng)與上位機的通信報文[3]定義如下：（1）設定串口工作參數的報文A1，返回確認設定串口工作參數的報文R1和系統(tǒng)不允許遠程設定參數的報文R2；（2）設定SPI功能寄存器參數的報文A3，確認設定SPI功能寄存器的報文R3和不允許遠程設定的報文R4；（3）讀取SPI功能寄存器參數的報文A5和返回SPI功能寄存器參數的報文R5；（4）發(fā)送數據到指定擴展串口的報文A6和確認已發(fā)送數據到指定擴展串口的報文R6；（5）查詢從擴展串口上送數據的報文A7和返回的報文R7、R8；（6）緩沖區(qū)滿，主動上送數據的報文R9；（7）重新啟動設備的報文A10和確認已重啟的報文R10；（8）回答接收無效的報文R11。
2.2 通信模塊設計
上位機通過UART接口與串口擴展器通信，在P89LPC931的內存中申請一個FIFO，用于接收上位機發(fā)送來的數據，進行相關的處理后，以相應的報文進行回答。每個擴展串口在P89LPC931的內存中也申請一個接收FIFO，用于保存從擴展串口發(fā)送來的數據。設置接收FIFO滿標志位，當接收FIFO滿時，主動上送報文到上位機。具體的程序流程如圖4所示。
2.3 按鍵輸入參數
串口擴展器的接口參數主要是UART接口的參數和擴展UART接口的參數，包括波特率、校驗位和幀長度，這些參數既可以通過按鍵與LCD配合的方式（即人機交互接口）設定，也可以通過上位機以報文的方式設定。在系統(tǒng)中設定是否允許遠程修改參數的值，當不允許遠程修改時，則遠程通過報文修改系統(tǒng)參數的方式無效，這時只允許通過人機交互接口設定系統(tǒng)參數。
設置5個按鍵，如表1所示。按鍵按下，則單片機P89LPC931相關的引腳輸入為低電平。這5個按鍵的狀態(tài)也作為與門74LS08的輸入，74LS08的輸出作為P89LPC931的外部中斷1的輸入。通過按鍵與LCD配合設定系統(tǒng)參數的程序流程[4]如圖5所示。
2.4 GM8142的開發(fā)[3]
使用GM8142進行擴展串口通信之前，首先進行初始化。SPI的初始化需設置工作方式和時鐘頻率。GM8142的初始化需要設置工作模式、子串口的波特率和數據幀長等，通過向配置寄存器中寫入相應的控制字實現。GM8142一次SPI傳輸要求在一個片選周期內傳輸16 bit數據，所以使用P89LPC931這樣的8位單片機要保證在CS拉低后連續(xù)啟動2個8 bit的數據傳輸，然后再將CS拉高。這樣對GM8142來講，同樣實現了一次16 bit的傳輸。GM8142收發(fā)數據的程序流程如圖6所示。
向GM8142中寫入數據的函數為SendTo814X，啟動一次SPI傳輸，發(fā)送16 bit數據，返回16 bit數據。
unsigned int SendTo814X（unsigned char chigh，unsigned char clow）
{
unsigned char cTempHigh，cTempLow；
unsigned int RevData；
SPI_CS=0；
SPDAT=chigh；
while（（SPSTAT&0x80）==0）；
cTempHigh=SPDAT；
SPDAT=clow；
while（（SPSTAT&0x80）==0）；
cTempLow=SPDAT；
SPI_CS=1；
RevData=cTempHigh；
RevData=（RevData<<8）+cTempLow；
return RevData；
}
函數SendDataToCom實現向指定的擴展串口發(fā)送單字節(jié)的數據。
unsigned int SendDataToCom（unsigned char n，unsigned char ct）
{
unsigned char ch=0x80；
unsigned int RevData；
ch=ch|（n<<3）；
RevData=SendTo814X（ch，c）；
return RevData；
}
函數ReadRFIFOData實現讀取接收FIFO的數據。
unsigned int ReadRFIFOData（void）
{
unsigned int RevData；
RevData=SendTo814X（0x00，0x00）；
return RevData；
}
3 功能測試與總結
（1）測試人機交互接口，通過按鍵與LCD配合，能夠正常設定參數。
（2）PC作為上位機利用串口助手這個工具，通過RS232接口發(fā)送指定的報文到串口擴展器，從擴展串口發(fā)出的數據，也通過串口助手顯示出來。編輯不同的報文，從PC發(fā)送到串口擴展器，均返回相應的報文數據。
（3）PC利用串口助手向擴展串口發(fā)送數據，擴展的串口接收到數據后，組成相應的報文，在上位機查詢時，以相應的報文回答。
（4）控制其他參數不變，修改某一個參數，例如波特率，重新測試，均返回相應的報文。
本裝置以通用的單片機P89LPC931為核心，外擴GM8142擴展串口模塊和人機交互模塊，可應用于工業(yè)控制領域要求多串口的場合。經過詳細測試，該串口擴展器可以實現數據的成功轉發(fā)，轉發(fā)數據精確可靠，具有很強的實用價值。
參考文獻
[1] 張毅剛.單片機原理及應用[M]．北京：高等教育出版社，2003．
[2] 成都國騰微電子．GM8141／2數據手冊[Z]．2006．
[3] SARIKAYA B， KOUKOULIDIS V， ESWARA S， et al. Analysis and testing of application layer protocols with an application to FTAM[J]. IEEE Transactions on Communications， 1992， 40（1）：7-11.
[4] 王忠義，張有光，潘懷勇.基于MCS-51人機交互接口[J].電子測量技術，2004（3）：43-44.