??? 摘 要：在分析串口擴(kuò)展原理及現(xiàn)有串口擴(kuò)展方法的基礎(chǔ)上,，提出了一種用單片機(jī)作為擴(kuò)展模塊主控部分，將嵌入式多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀的串口由1個(gè)擴(kuò)展為4個(gè)的雙向透明設(shè)計(jì)方案,。經(jīng)驗(yàn)證,，該方案通信可靠，波特率滿足系統(tǒng)要求,，對串口擴(kuò)展及其他接口設(shè)計(jì)均有一定的啟迪作用和實(shí)際參考價(jià)值,。
??? 關(guān)鍵詞：串口擴(kuò)展；雙向,；透明,；多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀

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??? 嵌入式多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀系統(tǒng)中一般包括多個(gè)獨(dú)立的硬件采集模塊，每個(gè)硬件采集模塊分別完成對人體的心電,、呼吸率,、體溫、血壓和血氧飽和度等生理參數(shù)的采集,，并通過其串口接收HOST端的控制信息,，定時(shí)向HOST端發(fā)送采集數(shù)據(jù)。
??? 本嵌入式多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀HOST端使用AT91RM9200處理器,，該處理器具有4個(gè)通用同步/異步接收/發(fā)送器（USART）,，其中一個(gè)是DEBUG串口,但它們都是分時(shí)復(fù)用的^[1]。為了使HOST端更好地與各采集模塊進(jìn)行通信,，必須解決其串口擴(kuò)展的問題,。
??? 目前比較通用的串口擴(kuò)展方案主要有2種。一種通過硬件實(shí)現(xiàn),，使用多串口ARM/MCU或?qū)Ｓ?a class="innerlink" href="http://forexkbc.com/tags/串口擴(kuò)展芯片" title="串口擴(kuò)展芯片" target="_blank">串口擴(kuò)展芯片,，可供選擇的串口擴(kuò)展芯片有TI公司開發(fā)的16C55X系列串口擴(kuò)展芯片和國騰公司開發(fā)的GM812X系列串口擴(kuò)展芯片等。TI公司的16C55X系列芯片通過并行口擴(kuò)展串行口,，功能比較強(qiáng)大,、通信速度高,，但控制復(fù)雜,，同時(shí)價(jià)格較高，主要應(yīng)用于PC機(jī)串口擴(kuò)展,。另一種串口擴(kuò)展方案通過軟件實(shí)現(xiàn),，但用軟件模擬串口存在缺點(diǎn)：(1)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,；(2)不能實(shí)現(xiàn)高波特率通信，軟件模擬串口一般不能實(shí)現(xiàn)高于4 800 b/s的波特率^[2-3],。
??? 不管是采用硬件還是軟件方案,，大多數(shù)串口擴(kuò)展產(chǎn)品幾乎都是單向傳輸，不夠透明化^[4-7],。本文根據(jù)參與的多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀項(xiàng)目的需要,，提出一種雙向透明的串口擴(kuò)展設(shè)計(jì)方案，并通過了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,。
1硬件設(shè)計(jì)
1.1串口擴(kuò)展模塊拓?fù)鋱D
??? 在設(shè)計(jì)中,，串口擴(kuò)展模塊可以外接4個(gè)用戶設(shè)備，每個(gè)用戶設(shè)備都可以在與HOST端進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸,，采用分時(shí)復(fù)用技術(shù),，即在任一時(shí)刻，最多僅有一個(gè)串口與HOST端連接,，串口擴(kuò)展模塊負(fù)責(zé)4個(gè)通道的切換/選擇,。雙方通過硬件和軟件機(jī)制進(jìn)行仲裁。如圖1所示,。

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2 通信協(xié)議設(shè)計(jì)
2.1數(shù)據(jù)由用戶設(shè)備發(fā)送到HOST端
??? 由于各模塊是分時(shí)復(fù)用的，為了避免用戶設(shè)備之間發(fā)生競爭,，需要AT89C2051對4個(gè)用戶設(shè)備通道進(jìn)行仲裁,，本文采用以下方案。
??? 4個(gè)用戶設(shè)備各用一根I/O口線分別與AT89C2051的P1.0～P1.3引腳相連,，同時(shí)還與一個(gè)4輸入或非門相連,，將某根或某幾根I/O口線置高電平并經(jīng)過該4輸入或非門來觸發(fā)中斷，通知AT89C2051有用戶設(shè)備請求向HOST終端發(fā)送數(shù)據(jù),，同時(shí)AT89C2051進(jìn)行用戶設(shè)備號查詢,。AT89C2051收到請求信號后，首先判斷HOST端與其他用戶設(shè)備之間的數(shù)據(jù)發(fā)送是否結(jié)束,，若結(jié)束,，則根據(jù)仲裁機(jī)制通過與各用戶設(shè)備相連的P1.4～P1.7引腳置高給出應(yīng)答響應(yīng)信號，同時(shí)AT89C2051根據(jù)中斷查詢到的用戶設(shè)備號對P3.4和P3.5引腳進(jìn)行設(shè)置來控制CD4052模擬開關(guān)選通對應(yīng)通道,，用戶設(shè)備收到應(yīng)答響應(yīng)信號后就開始發(fā)送數(shù)據(jù),；若未結(jié)束，則屏蔽此次中斷，直到數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束才開中斷,。用戶設(shè)備數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束時(shí)則將通過一個(gè)4輸入或非門來觸發(fā)中斷,，通知AT89C2051此次數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束。在響應(yīng)數(shù)據(jù)發(fā)送請求時(shí)會涉及到多個(gè)用戶設(shè)備請求,，從而需要AT89C2051進(jìn)行仲裁,。仲裁機(jī)制如下：心電和血氧模塊是50 ms定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，而血壓模塊需要HOST端發(fā)來啟動測量命令后才向HOST端發(fā)送血壓數(shù)據(jù),，因此需要將血壓模塊發(fā)送數(shù)據(jù)的請求設(shè)置為較高優(yōu)先級,，才能保證血壓數(shù)據(jù)正確及時(shí)地發(fā)送到HOST端，而心電和血氧模塊設(shè)置為低優(yōu)先級輪流發(fā)送,。
2.2數(shù)據(jù)由HOST端發(fā)送到用戶設(shè)備
??? 為了使HOST端的數(shù)據(jù)能夠及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)送到各個(gè)用戶設(shè)備,，就需要和AT89C2051之間定義好通信協(xié)議。其協(xié)議如下,。
??? AT89C2051始終監(jiān)視HOST終端發(fā)出的信息,，一旦收到HOST終端發(fā)出的串口選擇命令，如表1所示,，立即對P3.4和P3.5引腳進(jìn)行設(shè)置來控制CD4052模擬開關(guān)選通對應(yīng)通道并控制相應(yīng)的LED燈以作指示,。串口選擇后， HOST終端需要根據(jù)AT89C2051指令執(zhí)行和模擬開關(guān)切換時(shí)間延遲一定時(shí)間后再開始向?qū)?yīng)用戶設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)/命令,。HOST端數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束則由接收端的用戶設(shè)備向AT89C2051發(fā)送中斷結(jié)束信號,，其結(jié)束處理與數(shù)據(jù)由用戶設(shè)備發(fā)送到HOST端的結(jié)束處理相同。如果同時(shí)有用戶設(shè)備向AT89C2051請求發(fā)送數(shù)據(jù)到HOST端,，則優(yōu)先響應(yīng)HOST端的發(fā)送數(shù)據(jù)/命令請求,，即HOST端的發(fā)送數(shù)據(jù)/命令請求的優(yōu)先級最高。

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??? 本文在設(shè)計(jì)中將HOST端的TXD引腳連接到AT89C2051的RXD引腳,，這樣就可以通過AT89C2051的串口接收中斷和HOST端通信,， HOST端發(fā)送數(shù)據(jù)/命令時(shí)首先發(fā)送串口選擇命令字，其次再發(fā)送數(shù)據(jù)/命令去控制用戶設(shè)備的數(shù)據(jù)采集,，例如增益大小,、是否啟動血壓測量等命令。
3軟件設(shè)計(jì)
??? 軟件設(shè)計(jì)分為主函數(shù),、串口中斷服務(wù)程序,、外部中斷0和1服務(wù)程序4個(gè)部分，如圖3所示,。

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??? 在很多場合需要進(jìn)行串口擴(kuò)展以滿足系統(tǒng)集成多個(gè)串口設(shè)備,，擴(kuò)展方法很多，各有優(yōu)缺點(diǎn),。本文提出的用單片機(jī)AT89C2051為AT91RM9200擴(kuò)展串口的方案是基于單片機(jī)價(jià)格低廉,、體積小,，完全可以替代一般的專用接口芯片,，作為真正意義上的可編程接口,，實(shí)現(xiàn)雙向通信，使串口擴(kuò)展模塊變得透明,。這種方案使用靈活,，與一般接口芯片相比對外部用戶設(shè)備具有更好的適用性，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo),。將單片機(jī)等同于普通接口芯片使用,，是一種新思路，具有一定的啟迪作用和實(shí)際參考價(jià)值,。
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