2 串口擴(kuò)展方案比較分析
 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器有兩個(gè)輸入端，分別與電羅經(jīng)和GPS設(shè)備連接，且均為RS422接口[2]。GPS信號(hào)是標(biāo)準(zhǔn)NMEA-0183格式，并包括兩種語(yǔ)句，其中HDT語(yǔ)句輸出航向信號(hào)，ROT語(yǔ)句輸出航向變化率信號(hào)。而電羅經(jīng)信號(hào)只有一種格式，它包括了航向數(shù)據(jù)信號(hào)和航向變化率信號(hào)。
 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行選擇，當(dāng)輸入信號(hào)為電羅經(jīng)時(shí)，轉(zhuǎn)換器將電羅經(jīng)的航向語(yǔ)句直接輸出到接口為RS422的電羅經(jīng)導(dǎo)航設(shè)備終端，同時(shí)將輸入的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)NMEA-0183格式的HDT與ROT語(yǔ)句數(shù)據(jù)輸出到接口為RS232的GPS導(dǎo)航設(shè)備終端。而輸入信號(hào)為GPS時(shí)，轉(zhuǎn)換器將GPS的航向語(yǔ)句直接輸出到接口為RS232的GPS導(dǎo)航設(shè)備終端，同時(shí)將輸入的HDT與ROT數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電羅經(jīng)數(shù)據(jù)格式輸出到接口為RS422的電羅經(jīng)導(dǎo)航設(shè)備終端。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的功能框圖如圖1所示。
 

圖1 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的功能框圖
 為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，就需要數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器至少具備三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的UART串口。有多種設(shè)計(jì)方案都能滿(mǎn)足這一要求且不盡相同，成本、指標(biāo)、可靠性等都存在差異。根據(jù)目前的串口器件設(shè)計(jì)，歸納起來(lái)主要有以下幾種比較常用的多串口設(shè)計(jì)方案[3]。
 (1) 多串口單片機(jī)。其中雙串口的單片機(jī)的價(jià)格在30~70元左右，三串口的單片機(jī)價(jià)格更加昂貴，直接增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成本。同時(shí)，由于各單片機(jī)的指令不同，以及由于串口功能的擴(kuò)展帶來(lái)的陌生寄存器的使用都增加了設(shè)計(jì)人員的工作量和難度。
 (2) 軟件模擬串口。其主要優(yōu)點(diǎn)是成本低，但是可靠性和串口指標(biāo)都無(wú)法控制，存在缺點(diǎn)：一是采樣次數(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；二是不能實(shí)現(xiàn)高波特率通訊，軟件模擬串口一般不能實(shí)現(xiàn)高于4800 bps的波特率。
 (3) 專(zhuān)用IC器件。使用專(zhuān)用串口擴(kuò)展芯片，例如TI等公司開(kāi)發(fā)的16C554系列串口擴(kuò)展芯片，通過(guò)并行口擴(kuò)展串行口，功能比較強(qiáng)大、通訊速度高；成都國(guó)騰微電子有限公司推出的GM8123/25系列串口擴(kuò)展芯片，通過(guò)串行口擴(kuò)展串行口，可簡(jiǎn)單方便地實(shí)現(xiàn)全硬件擴(kuò)展。但總而言之，串口擴(kuò)展芯片價(jià)格普遍較高。
 根據(jù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)要求，考慮降低成本，最后選取可通過(guò)RS232接口在線(xiàn)編程的飛利浦單片機(jī)P89C669作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的主處理器。并充分利用P89C669豐富的IO口，通過(guò)AT89C2051來(lái)擴(kuò)展數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器所需要的第三個(gè)串口，以低成本實(shí)現(xiàn)了串口擴(kuò)展[4]。

3 UART的低成本實(shí)現(xiàn)方案
3.1 單片機(jī)IO口的分配、連線(xiàn)
 P89C669[5]是基于Philips半導(dǎo)體新51MX（存儲(chǔ)器擴(kuò)展）內(nèi)核的Flash微控制器代表。它包含96k字節(jié)的Flash程序存儲(chǔ)器、2k字節(jié)的片內(nèi)數(shù)據(jù)RAM、1個(gè)可編程計(jì)數(shù)器陣列（PCA）、可配置成不同時(shí)間范圍的看門(mén)狗定時(shí)器（通過(guò)SFR的位設(shè)置）、2個(gè)增強(qiáng)型UART以及字節(jié)型I2C總線(xiàn)串行接口等。
 P89C669主要實(shí)現(xiàn)電羅經(jīng)和GPS信號(hào)數(shù)據(jù)的接收、轉(zhuǎn)換和發(fā)送，AT89C2051主要用來(lái)擴(kuò)展串口[5]，具體的IO分配如下。AT89C2051的P1口與P89C669的P0口相連，作為數(shù)據(jù)通信總線(xiàn)；單片機(jī)AT89C2051的P3.3引腳接P89C669的P3.2引腳，作為AT89C2051向P89C669的發(fā)送請(qǐng)求信號(hào)( )；AT89C2051的P3.2引腳接P89C669的P2.7引腳，作為P89C669向AT89C2051請(qǐng)求中斷的控制信號(hào)；AT89C2051的P3.4引腳接P89C669的P2.6引腳，作為P89C669對(duì)AT89C2051讀寫(xiě)操作的控制信號(hào)( )；AT89C2051的P3.5引腳接P89C669的P2.5引腳，作為P89C669向AT89C2051寫(xiě)入指令或數(shù)據(jù)的控制信號(hào)( )。AT89C2051與P89C669之間的連接圖如圖2所示。
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圖2 P89C669與AT89C2051的硬件連接圖

3.2 單片機(jī)P89C669與AT89C2051通信程序的設(shè)計(jì)
 單片機(jī)P89C669與AT89C2051之間的數(shù)據(jù)通信流程圖如圖3所示，具體實(shí)現(xiàn)如下。
(1) P89C669方面
 ① P89C669發(fā)送數(shù)據(jù)。首先，程序初始化后P89C669將AT89C2051有關(guān)的晶振信息、波特率等參數(shù)以命令字形式傳送給AT89C2051，AT89C2051接收后查表求解進(jìn)行串口波特率設(shè)置。然后P89C669將接收完畢的數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)，并檢測(cè) 引腳，若為高電平則等待，直到變?yōu)榈碗娖綍r(shí)通過(guò)并口將數(shù)據(jù)傳給AT89C2051。在AT89C2051將接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)發(fā)送出去的同時(shí)檢測(cè)緩沖區(qū)，如果緩沖區(qū)不滿(mǎn)則將 引腳置低，反之則高。
 ② P89C669接收數(shù)據(jù)。AT89C2051接收到數(shù)據(jù)后用 引腳產(chǎn)生邊沿信號(hào)向P89C669發(fā)出請(qǐng)求，P89C669收到請(qǐng)求信號(hào)后執(zhí)行讀取數(shù)據(jù)程序。
 

圖3 P89C669方面的程序流程圖

(2) AT89C2051方面
 AT89C2051是作為IC芯片用來(lái)進(jìn)行串口擴(kuò)展的，在初始化階段接收上位機(jī)傳來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化設(shè)置，然后循環(huán)等待接收上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)[6]。AT89C2051將并口傳來(lái)的數(shù)據(jù)存在并口接收緩沖區(qū)，并復(fù)制到串口發(fā)送緩沖區(qū)，激活串口使用中斷方式發(fā)送；將串口傳來(lái)的數(shù)據(jù)存在串口接收緩沖區(qū)，并復(fù)制到并口發(fā)送緩沖區(qū)，同時(shí)改變 的電位，向上位機(jī)發(fā)出請(qǐng)求。在船舶導(dǎo)航數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中，AT89C2051主要是用來(lái)串口發(fā)送電羅經(jīng)信號(hào)，它與P89C669的通信流程圖如圖4所示。

4 結(jié)束語(yǔ)
 文中應(yīng)用AT89C2051擴(kuò)展串口后，系統(tǒng)共有三個(gè)串行口。其中，一個(gè)串口用來(lái)選擇接收電羅經(jīng)或者GPS信號(hào)用以數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；一個(gè)串口經(jīng)過(guò)MAX3232實(shí)現(xiàn)TTL電平與RS-232電平轉(zhuǎn)換后可連接微機(jī)的串行口，從而簡(jiǎn)單方便地實(shí)現(xiàn)單片機(jī)P89C669的在線(xiàn)編程，它同時(shí)也作為GPS信號(hào)的輸出接口；另一個(gè)串口主要用來(lái)輸出電羅經(jīng)信號(hào)。
 該電路與采用專(zhuān)用芯片的電路相比，并不復(fù)雜，而且編程設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)單，綜合考慮是一種比較經(jīng)濟(jì)實(shí)用的低成本設(shè)計(jì)方法。
 創(chuàng)新點(diǎn)：
文章本著低成本的指導(dǎo)思想進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先，選用可在線(xiàn)編程的P89C669單片機(jī)為主處理器，省去編程器，降低了成本；其次，采用價(jià)格便宜的AT89C2051單片機(jī)與充分利用P89C669單片機(jī)豐富的IO口進(jìn)行串口擴(kuò)展。最終，實(shí)現(xiàn)了多串口船舶導(dǎo)航數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的低成本實(shí)現(xiàn)。