物流终端多串口扩展的设计

摘要：本文详述了863子课题“双频RFID读写器”的设计。根据项目的基本需求，提出了扩展多串口通信子板方案，选择了PC/104并口总线，通过并/串转换芯片TL16C554扩展4个串口的设计，分析了TL16C554的内部结构及外部特性，并据此给出了扩展电路图。

关键词：串口扩展； TL16C554；读写器；GPRS；CDMA；PC/104总线

项目分析

物流终端——双频读写器设计的整个设计框图如图1所示。信息处理平台采用了磐仪EmCORE-N513单片机，这个单片机基于AMD NS GeodeGx1 300MHz处理器和CS5530A协处理器，支持128MB SDRAM，并提供Ultra DMA IDE接口，可外接硬盘。此外，它还提供了LCD等丰富的外设接口：包括 ISA PC/104接口、两个标准RS-232串口、并口、2个USB接口、PS/2鼠标键盘、LAN口、CF卡接口。AMD Geode GX1 处理器虽然多用在嵌入式处理平台，但其内核采用386体系结构，这正是本课题选用它的原因：它能与现有的开发保持最大的兼容性，基于386体系的操作系统和设备驱动及应用软件几乎不用做修改就能够移植到AMD GX1 平台上。与GX1 处理器相配合的是AMD Geode CS5530A协处理器。它增强了GX1 的图形处理功能，并提供CRT和TFT LCD接口。

图1 物流终端结构框图

RFID读写模块所支持的频段包括13.56MHz(HF)和915MHz(UHF)。考虑现有国内外相关技术的成熟度，以及将来对更多频段支持的特性要求，13.56MHz和915MHz模块完全独立，其中，13.56MHz模块采用中距离识别，915MHz模块实现长距离芯片读写。两个模块均接收来自信息平台的控制消息，进行相关读写操作，并将结果反馈给信息平台进行处理。读写器接收EPC(产品电子编码)标签的Tag信息，通过串口发送给处理器进行进一步处理。

通信模块可以同时支持以太网接口、GPRS、CDMA等多种不同的通信模式，也可以对通信模块进行功能定制。无线模块完成无线网络功能，向网络中的PC发送标签信息，协助完成一系列高层处理功能。

由于射频和无线模块自带的接口是非标准的，不能直接与单片机提供的串口相连，共需要4个串口提供给射频读写器(UHF和HF模块)和无线模块(GPRS和CDMA)，故决定通过设计扩展子板来提供这4个模块与CPU的接口。

多串口扩展模块的设计

由于GPRS模块与CDMA模块需要较多的控制信号及很高的波特率，单片机上的串口无法直接提供，采用常用的串口扩展芯片(如GM8125)无法满足要求，最终采用了单片机上提供的PC/104接口，通过并/串转换芯片TL16C554来进行多串口扩展。扩展子板框图如图2所示。

图2 扩展子板结构框图

PC/104是与ISA总线兼容的嵌入式PC专用总线，它与单片机相连，并对外提供丰富的接口控制信号，用它来扩展子板可使逻辑控制相对简单，不必使用CPLD进行逻辑控制。

TL16C554的内部功能框图及外部信号线路如图3所示。其内部有4个完全一样的ACE(Asynchronous Communications Element)并/串转换单元TL16C550，16字节FIFO可减少收发中断次数，提高通信速度，其波特率可通过编程改变，波特率可达1M baud。并口一侧有地址及逻辑控制单元，由地址信号A0~A2、读写控制信号/IOR、/IOW、4通道片选信号/CSx、复位信号来控制；中断逻辑单元输出各通道的中断请求信号INTx，并发送接收中断准备好信号/TXRDY、/RXRDY；时钟电路由XTAL1及XTAL2外接晶振产生时钟信号，或从外部输入时钟信号。

图3 TL16C554内部结构框图

TL16C554提供输出回送功能(Loopback)，使得对设计的测试非常方便。其提供的3态输出数据及控制信号具有TTL驱动能力。

TL16C554对数据的收发及控制通过其内部寄存器的操作来实现。这些寄存器由3位地址A0~A2及LCR(线路控制寄存器)的DLAB(LCR的D7位)来选择。其串行数据的位数可根据需要选择为5位、6位、7位及8位，停止位可选择为1位、1位半或2位，可在数据位后附加奇偶校验位或无奇偶校验位。

扩展子板的TL16C554及其外围电路如图4所示。在输出的串口信号中，UART_TXDA、UART_nRTSA、UART_nDTRA、UART_nRIA、UART_nCTSA、UART_RXDA、UART_nDSRA、UART_nDCDA是与GPRS模块(SIEMENS MC53i)的接口信号；UART_TXDB、UART_nRTSB、UART_nDTRB、UART_nRIB、UART_nCTSB、UART_RXDB、UART_nDSRB、UART_nDCDB是与CDMA模块(WAVECOM Q2438)的接口信号；UART_TXDD、 UART_RXDD接UHF读写器模块(Alien 9930(TTL)/9932(RS-232))，UART_TXDC 、UART_RXDC接HF读写器模块(TI S6350)。DATA[7：0]是PC/104的D[7：0]经74AHC245驱动后的数据信号；ADDR[15：0]是PC/104的A[15：0]经74AHC245驱动后的地址信号，其中，只使用了ADDR[4：2]，即连接TL16C554的A0~A2，用于内部寄存器的选择；nCS_UARTA~D是4个串口通道的片选信号，译码器的片选信号由PC/104的AEN提供；INT_UARTA~D是来自4个串口的收发中断请求信号，经驱动后送往PC/104的中断请求端IRQx，同时，INT_UARTA~D通过4与门，输出到PC/104与TL16C554之间的数据驱动控制器74AHC245的输出使能端，控制数据的输入/输出；UART_RESET 、UART_nOE、UART_nWE 是PC/104的RESET 、/IOR、/IOW经驱动后的复位及读写控制信号；XTAL1、XTAL2接外部晶振，提供芯片工作所需的时钟。RXRDY、TXRDY是接收及发送准备好信号，未使用。

图4 TL16C554外围电路图

结论及应用情况

物流终端信息处理平台外接硬盘、LCD、PS/2等外围设备，使用Linux操作系统。目前，该物流终端已设计完成并交付课题的合作单位－中科院，在RFID项目中使用。实践表明，其性能稳定，操作方便，通信能力及可扩展性强，完全胜任进一步的开发需要。

本文的创新点在于，通过使用并/串转换芯片TL16C554扩展串口，使RFID双频读写器扩展子板具有CDMA及GPRS无线通信能力，实现了与UHF和HF两个频段读写模块的通信要求。■

参考文献:
1. TI TL16C554 data sheet,
2. Wavecom Q24X8 Product Technical Specification,
3. 王庆刚, 杨佃福.GPRS技术在嵌入式系统中的应用.微计算机信息(测控自动化), 2005年第21卷第5期:69-70.
4. 基于Winbond78e52的工业调制解调器，武汉理工大学学报(信息与管理工程版) ，2005/02