Windows 2K平臺下多機通信卡及其驅動程序的開發

在工業現場，監控系統經常采用RS-485/423/422通信標準。然而，在Windows2K平臺下，復雜的多機通信和大數據量的傳輸會加重計算機的負擔。作者采用自制的多機通信卡解決了這一問題。本文介紹了Windows2K平臺下多機通信的基本原理，論述了多機通信卡的設計方法，進一步闡述了驅動程序設計的一般原則。

關鍵詞：RS-485，單片機，多機通信，WDM

1 引言

在電力監控系統中，為保證數據通信的可靠性，從機經常采用RS-485標準接口同主機進行通信。通常，主機是一臺安裝有Windows9X、WinNT或Windows2K等操作系統的計算機。從機為8051單片機系統，8051串行口的輸入輸出為TTL電平，抗干擾性較差，只能在幾米的范圍之內傳輸數據。

為了增強抗干擾性，提高串地通信的可靠性，增加傳輸距離，必須采用標準串行總線接口。若將串行口的輸入輸出電平轉換成目前流行的RS-485標準串行總線接口，那么主機也必須完成相應的RS-485轉換接口。普遍采用的做法是給計算機外接一個RS-485/232轉換接口卡，利用現有的RS-232接口完成主機同從機之間的通信。

在單機通信的情況下，這種做法是可以的。但是在多機通信中，實現起來非常麻煩，而且會大量占用計算機CPU的時間。下面介紹Windows平臺實現通信的幾種基本方式，以及開發多機通信卡的方法和技巧。

2 Windows平臺下多機通信方式

利用計算機的串行通信適配器，其核心為可編程異步收發器 UART8250芯片，8250由10個可尋址寄存器供CPU讀/寫，實現與外界的數據通信，制動通信協議和提供通信狀態信息。這樣，可以滿足單機通信的要求。

8051單片機的串行通道是一個全雙工的串行通信口，既可以實現雙機通信，也可以實現多機通信。當串行口工作在方式2或方式3時，若特殊功能寄存器SCON的SM2由軟件置為“1”，則為多機方式；若SM2置為“0”，則為9位異步通信方式。

在多機通信時，8051的幀格式是11位，其中第9位是SCON中的TB8，它是多機通信時發送地址（TB8=1）或發送數據（TB8=0）的標志。

計算機的串行通信接口芯片8250并不具有多機通信的功能，也不能產生類似8051的TB8。為了完成多機通信的功能，一般的實現方式是：

計算機給每臺8051單片機系統發送9位數據，查詢是否有要發送的數據，并等待應答。若有，則接收數據；沒有，則繼續查詢下一臺。由此可以看出，這種通信方式速度是很慢的（如果有一臺8051長時間沒有響應，則耗時更長），而且也并不可靠，從機的臺數越多則計算機的資源浪費就會越嚴重。這種實現方式效率不高，不能滿足我們的通信要求。

因此，直接利用計算機串口的方式進行通信是行不通的。為了盡可能減輕CPU的負擔，采用自行設計的智能通信卡，利用中斷方式的通信（這里指的是從機與通信卡之間的通信方式），來解決這個問題。

3 通信卡與多個8051通信的原理

為完成異步串行通信，首先就需要實現異步收發器的功能，其次還要實現多機通信時發送的幀格式。考慮到8051除了實現異步收發的功能外，還可以編制控制程序，使用起來更加靈活、方便，因此，用8051來實現異步收發器。為了提高通信速度，從機與通信卡之間采用中斷通信方式。

具體的實現方案如圖1所示。

圖示的這種硬件結構，使從機解放出來，平時不必處于監聽狀態。當計算機要求通信時，可以利用多機通信卡的處理器向從機發出中斷信號，即通信卡通過3487（TTL電平轉換為RS-485電平），從機通過3486（RS-485電平轉換為TTL電平）進行從機中斷信號聯系。從機進入中斷服務程序后，則關閉外部中斷，保護現場，監聽主機發送的地址信號，并對其進行識別，如果與本機地址相符，取消監聽，進入通信狀態。

通信卡與計算機進行通信是通過數據接口和譯碼電路實現的。該接口卡利用中斷方式與計算機通信，即通信卡向計算機發出中斷請求，計算機接收到相應中斷請求后，執行數據收發的任務。其中，計算機對通信卡的訪問是利用內存映射方式實現的。

4 通信卡設計

該通信卡基于ISA總線工業標準。它的設計主要分為三個部分：地址譯碼電路、數據接口電路和控制邏輯電路。

（1）地址譯碼電路

由于采用的是端口統一編址的方式（也就是給每一個I/O端口分配一個存儲器地址），I/O端口的尋址信號由地址總線通過譯碼得到。CPU用存儲器讀寫指令對I/O接口進行讀寫，此時，I/O端口的讀寫操作控制信號采用存儲器讀（MEMR）和存儲器寫（MEMW）信號。而在通信卡上為實現內存映射就必須完成相應的譯碼轉換，也就是將對應的雙口RAM地址與分配的地址空間對應起來，實現地址的轉換。

實現時，采用動態配置內存映射設備，改變內存映射端口的地址也相對方便，比老式的ISA[1]接口用跳線配置要優越些。該雙口RAM為8K，但計算機能夠訪問的只有4K。其中CTRL線是8K RAM的控制線，通過該線可以實現“乒乓”結構[1]的數據傳輸。

（2）數據接口電路

數據接口電路實現數據線的驅動功能。盡管很多計算機主板的數據總線都經過驅動，但為了確保可靠性，數據總線不應直接與雙口RAM相連接，而是通過數據驅動器件與數據線相連。

（3）控制邏輯電路

控制邏輯電路是與計算機通信的核心部分，該部分主要是實現“乒乓”結構的硬件控制部分。當存儲器中的RAM達到HALF READY（半滿狀態）時發出中斷申請實現數據的傳輸，同時，將CTRL狀態取反，使得計算機訪問的是其中的一半，即實現了數據傳輸的“乒乓”結構。此外，數據的讀寫控制也通過控制邏輯實現。

89C52實現與從機多機通信，同時將得到的數據存入雙口RAM中，控制邏輯協調RAM的數據讀寫工作。

5 設備驅動程序的設計

在Windows 9x下的VxD（虛擬設備驅動程序）相比，Windows 2K下的WDM（Windows設備驅動模型）驅動程序要復雜一些。

WDM驅動程序是分層的，不同層上的驅動程序有著不同的優先級[2]。此外，WDM還引入了FDO（功能設備對象）與PDO（物理設備對象）兩個新類來描述硬件。

在開發驅動程序過程中，使用了DriverStudio中的DriverWorks工具用來創建WDM框架。

DriverWorks提供用于訪問內存映射地址的類KmemoryRange和KmemoryRegister。實現步驟如下：