摘 要：本文介紹了一種采用嵌入式系統(tǒng)來實現(xiàn)多串口轉換網(wǎng)關的方法。并結合C51F023單片機和MCF5272處理器的特點及其工作原理，對單片機的編程策略進行了詳盡的探討。

關鍵詞：嵌入式系統(tǒng);C51F023; MCF5272; 轉換網(wǎng)關

引言

　　近些年，互聯(lián)網(wǎng)以其便捷、高速傳輸數(shù)據(jù)的特點越來越受到人們的青睞。互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)進入了世界的每一個角落。而在工業(yè)控制和通訊設備中，更多的卻是符合RS-232標準的串行口設備。如何將多個串行口的數(shù)據(jù)轉發(fā)到網(wǎng)絡上，實現(xiàn)設備的遠程控制、數(shù)據(jù)的遠程傳輸便成了一個亟待解決的問題。本文提出了一種基于嵌入式系統(tǒng)來實現(xiàn)串口和串口、串口和網(wǎng)口之間的數(shù)據(jù)相互轉發(fā)的方案。

總體設計方案

　　設計的總體方案如圖一所示。

圖一 多串口轉換網(wǎng)關總體設計方案

　　本系統(tǒng)采用核心處理模塊加協(xié)處理器的兩級設計方案。這樣設計的目的是利用協(xié)處理器緩解核心處理器的處理壓力，并解決核心處理器數(shù)據(jù)接口數(shù)量相對不足和本系統(tǒng)多路數(shù)據(jù)量接入需求的矛盾。

　　核心處理器采用摩托羅拉公司的MCF5272芯片。這款芯片在Motorola公司嵌入式處理器中屬于中低檔產(chǎn)品。但是低檔不等于低效，在主頻66M時可以達到63MIPS，接近MPC860的MIPS。并且外圍電路接口豐富，在摩托羅拉冷火系列芯片中集成度最高。該處理器集成了兩個全雙工的串口收發(fā)器，10/100M的以太網(wǎng)控制器，USB控制器，QSPI口等，非常適合于大量嵌入式應用的場合。核心處理器的外圍擴展芯片有FLASH、SDRAM、網(wǎng)卡芯片、USB驅動芯片等。這就組成了一個核心處理模塊，同時我們在這個核心處理模塊上移植了µCLinux操作系統(tǒng)。利用µCLinux操作系統(tǒng)中自帶的TCP/IP協(xié)議棧能很方便地實現(xiàn)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的收發(fā)。

　　協(xié)處理器采用CYGNAL公司的C8051F023單片機。C8051F023單片機自帶有兩個通用異步全雙工串口和一個SPI口，同時可以用單片機內部的PCA模塊來軟件模擬第3個全雙工串口。協(xié)處理器與核心處理器通過同步串行接口SPI口連接，進行數(shù)據(jù)的交換。 　　在單片機端三個串口不斷地接收數(shù)據(jù)，同一化處理后通過SPI口線傳遞給MCF5272。核心處理模塊接收來自SPI口線和自身兩個串口的數(shù)據(jù)幀，根據(jù)數(shù)據(jù)幀頭的標志位進行存儲轉發(fā)。 　　整套系統(tǒng)共有5個全雙工串口和一個10/100M的以太網(wǎng)網(wǎng)口用來進行數(shù)據(jù)的收發(fā)，實現(xiàn)了串口和串口、串口和網(wǎng)口之間數(shù)據(jù)的相互轉發(fā)。可以滿足大多數(shù)工控設備和通信系統(tǒng)的需求。

單片機中多任務調度的實現(xiàn)

　　在C8051F023單片機中需要實現(xiàn)三個串口的全雙工收發(fā)以及與MCF5272的通訊工作。實現(xiàn)這些功能有兩種方案，一種是采用定時輪詢各個串口和SPI口特定寄存器，以判斷是否有數(shù)據(jù)到達，并進行相應的處理，這種方案編程簡單但實時性較差;另一種方案是采用中斷機制，定義各串口的中斷向量和中斷處理程序進行處理，這種方案編程較復雜但實時性很好。根據(jù)我們的需求，各串口數(shù)據(jù)的收發(fā)，SPI口數(shù)據(jù)的收發(fā)，內部程序定時器的運行都是要求實時運行的不同任務，所以采用方案二可以獲得更好的實時性。由于單片機內部沒有嵌入操作系統(tǒng)，所以這些多個不同的任務就要依靠多中斷加上同步鎖的策略來實現(xiàn)。

　　硬件串口、SPI口以及定時器都有各自的中斷向量和中斷處理程序模塊，而軟件串口的接收和發(fā)送中斷則需要依賴于自定義的外部中斷向量來實現(xiàn)中斷機制。這些中斷的中斷級別都相同，如果發(fā)中斷沖突，則根據(jù)51單片機的中斷向量表，先執(zhí)行中斷向量號小的中斷處理程序，再執(zhí)行中斷向量號大的中斷處理程序。

　　如果在數(shù)據(jù)發(fā)送的同時，新的數(shù)據(jù)接收進來并沖入發(fā)送緩存區(qū)，則會發(fā)生不可避免的通信數(shù)據(jù)出錯。類似這樣的問題就需要同步鎖來解決?？紤]到實時效應，實現(xiàn)C8051F023同步鎖的機制為：當需要發(fā)送的一幀數(shù)據(jù)幀進入發(fā)送緩存時，中斷處理程序立刻加鎖，不允許新的數(shù)據(jù)再進入發(fā)送緩存，直到該幀數(shù)據(jù)全部發(fā)送完畢再解鎖，此時新的數(shù)據(jù)才被允許進入發(fā)送緩存區(qū)。與此同時，在單片機內部劃分出四塊二級緩存區(qū)，將三個串口和一個SPI口接收到的數(shù)據(jù)先存入這四塊二級緩存區(qū)中，以免數(shù)據(jù)的丟失。

單片機與MCF5272的連接與通訊

　　單片機與MCF5272之間采用SPI口進行通訊。硬件電路如圖二所示。

圖二 單片機與MCF5272連接原理圖

　　SPI為同步串行接口，要求收發(fā)同步，但是實際的運用中，指令信號的接收和來自各串口數(shù)據(jù)的發(fā)送顯然是異步的。這就需要對SPI口進行異步化編程設計。

　　將MCF5272的QSPI口設置為主模式，為SPI時鐘的發(fā)送方;而單片機的SPI口則設置為從模式。MCF5272在程序的運行中，不間斷的通過QSPI口發(fā)送數(shù)據(jù)，在不發(fā)送指令幀數(shù)據(jù)時，就發(fā)送“0”數(shù)據(jù);而單片機的SPI口就會不斷的收到數(shù)據(jù)，在丟棄“0”數(shù)據(jù)外，接收到來自MCF5272有用的指令幀數(shù)據(jù)。由于SPI的收發(fā)同步的特征，MCF5272不間斷發(fā)送數(shù)據(jù)的同時，便可以不斷的收到來自單片機SPI口的數(shù)據(jù)，同樣，在丟棄沒有任何意義的“0”數(shù)據(jù)后，將接收到通過各個串口傳遞而來各種不同的數(shù)據(jù)。這就實現(xiàn)了同步SPI口轉變?yōu)楫惒饺p工的工作。

數(shù)據(jù)幀的同一化

　　單片機的三個串口所接收到的數(shù)據(jù)都將通過SPI接口傳遞至核心處理器MCF5272，同時核心處理器的數(shù)據(jù)也通過SPI口傳遞給單片機。這就需要單片機和MCF5272之間有一致的數(shù)據(jù)接口，以方便數(shù)據(jù)的分發(fā)和接收。我們需要對三個串口接收到和從SPI口接收到的數(shù)據(jù)幀重新定義幀格式，進行同一化處理。同一化幀格式見圖三，其中串口源地址用來識別數(shù)據(jù)來自哪一個串口，串口目的地址用來識別數(shù)據(jù)將要發(fā)送至哪一個串口。

圖三 串行口數(shù)據(jù)幀發(fā)送格式

　　在MCF5272核心處理板上，從串口接收到的數(shù)據(jù)轉發(fā)至網(wǎng)絡同樣需要進行同一化的處理。幀格式見圖四。

圖四 網(wǎng)口數(shù)據(jù)幀發(fā)送格式

結 語

　　整套系統(tǒng)的五個全雙工串口和一個網(wǎng)口對核心處理板來說是完全透明的。只需根據(jù)實際情況中的具體要求在µCLinux下編寫上層應用軟件即可，因而適用于大多數(shù)的工控設備和通訊設備。如果在后端連接上無線傳輸模塊，該方案還適用于無線通信領域。

參考文獻：

　　1.《C8051F020/1/2/3混合信號ISP FLASH微控制器數(shù)據(jù)手冊》 潘琢金 譯 　　2.《MCF5272 Coldfire Integrated Microprocessor User’s Manual》 　　3.《8051單片機C語言控制與應用》 陳龍三 編著 清華大學出版社