多串口船舶導航數據轉換器的低成本實現

1?引言
?由于接收信號強弱差別、設備使用狀況差異等因素，船舶導航過程中會出現信號不穩、輸出中斷等問題，給船舶導航帶來極大不便。而電羅經和GPS是遠洋船舶上常用的導航設備，合理地配合使用這兩種設備可以有效地增加導航的可靠性。
?為實現電羅經和GPS的配合使用，使用單片機設計了一種新型的船舶導航數據轉換器[1]。在只有一種可靠導航數據的情況下，轉換器可以實時地進行兩種數據格式的轉換，保證電羅經和GPS設備的正常工作，為船舶航行提供可靠導航。

2?串口擴展方案比較分析
?數據轉換器有兩個輸入端，分別與電羅經和GPS設備連接，且均為RS422接口[2]。GPS信號是標準NMEA-0183格式，并包括兩種語句，其中HDT語句輸出航向信號，ROT語句輸出航向變化率信號。而電羅經信號只有一種格式，它包括了航向數據信號和航向變化率信號。
?數據轉換器對輸入信號進行選擇，當輸入信號為電羅經時，轉換器將電羅經的航向語句直接輸出到接口為RS422的電羅經導航設備終端，同時將輸入的數據轉換為標準NMEA-0183格式的HDT與ROT語句數據輸出到接口為RS232的GPS導航設備終端。而輸入信號為GPS時，轉換器將GPS的航向語句直接輸出到接口為RS232的GPS導航設備終端，同時將輸入的HDT與ROT數據轉換為電羅經數據格式輸出到接口為RS422的電羅經導航設備終端。數據轉換器的功能框圖如圖1所示。
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圖1 數據轉換器的功能框圖
?為實現數據的轉換，就需要數據轉換器至少具備三個標準的UART串口。有多種設計方案都能滿足這一要求且不盡相同，成本、指標、可靠性等都存在差異。根據目前的串口器件設計，歸納起來主要有以下幾種比較常用的多串口設計方案[3]。
?(1)?多串口單片機。其中雙串口的單片機的價格在30~70元左右，三串口的單片機價格更加昂貴，直接增加了系統設計的成本。同時，由于各單片機的指令不同，以及由于串口功能的擴展帶來的陌生寄存器的使用都增加了設計人員的工作量和難度。
?(2)?軟件模擬串口。其主要優點是成本低，但是可靠性和串口指標都無法控制，存在缺點：一是采樣次數低，一般只能做到2次/BIT，這樣數據的正確性就難以保證；二是不能實現高波特率通訊，軟件模擬串口一般不能實現高于4800 bps的波特率。
?(3)?專用IC器件。使用專用串口擴展芯片，例如TI等公司開發的16C554系列串口擴展芯片，通過并行口擴展串行口，功能比較強大、通訊速度高；成都國騰微電子有限公司推出的GM8123/25系列串口擴展芯片，通過串行口擴展串行口，可簡單方便地實現全硬件擴展。但總而言之，串口擴展芯片價格普遍較高。
?根據數據轉換器的設計要求，考慮降低成本，最后選取可通過RS232接口在線編程的飛利浦單片機P89C669作為數據轉換的主處理器。并充分利用P89C669豐富的IO口，通過AT89C2051來擴展數據轉換器所需要的第三個串口，以低成本實現了串口擴展[4]。

3?UART的低成本實現方案
3.1?單片機IO口的分配、連線
?P89C669[5]是基于Philips半導體新51MX（存儲器擴展）內核的Flash微控制器代表。它包含96k字節的Flash程序存儲器、2k字節的片內數據RAM、1個可編程計數器陣列（PCA）、可配置成不同時間范圍的看門狗定時器（通過SFR的位設置）、2個增強型UART以及字節型I2C總線串行接口等。
?P89C669主要實現電羅經和GPS信號數據的接收、轉換和發送，AT89C2051主要用來擴展串口[5]，具體的IO分配如下。AT89C2051的P1口與P89C669的P0口相連，作為數據通信總線；單片機AT89C2051的P3.3引腳接P89C669的P3.2引腳，作為AT89C2051向P89C669的發送請求信號( )；AT89C2051的P3.2引腳接P89C669的P2.7引腳，作為P89C669向AT89C2051請求中斷的控制信號；AT89C2051的P3.4引腳接P89C669的P2.6引腳，作為P89C669對AT89C2051讀寫操作的控制信號( )；AT89C2051的P3.5引腳接P89C669的P2.5引腳，作為P89C669向AT89C2051寫入指令或數據的控制信號( )。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P89C669與AT89C2051通信程序的設計
?單片機P89C669與AT89C2051之間的數據通信流程圖如圖3所示，具體實現如下。
(1)?P89C669方面
?①?P89C669發送數據。首先，程序初始化后P89C669將AT89C2051有關的晶振信息、波特率等參數以命令字形式傳送給AT89C2051，AT89C2051接收后查表求解進行串口波特率設置。然后P89C669將接收完畢的數據存入緩沖區，并檢測 引腳，若為高電平則等待，直到變為低電平時通過并口將數據傳給AT89C2051。在AT89C2051將接收緩沖區數據發送出去的同時檢測緩沖區，如果緩沖區不滿則將 引腳置低，反之則高。
?②?P89C669接收數據。AT89C2051接收到數據后用 引腳產生邊沿信號向P89C669發出請求，P89C669收到請求信號后執行讀取數據程序。
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圖3 P89C669方面的程序流程圖

(2)?AT89C2051方面
?AT89C2051是作為IC芯片用來進行串口擴展的，在初始化階段接收上位機傳來的數據進行初始化設置，然后循環等待接收上位機發送的數據[6]。AT89C2051將并口傳來的數據存在并口接收緩沖區，并復制到串口發送緩沖區，激活串口使用中斷方式發送；將串口傳來的數據存在串口接收緩沖區，并復制到并口發送緩沖區，同時改變 的電位，向上位機發出請求。在船舶導航數據轉換器中，AT89C2051主要是用來串口發送電羅經信號，它與P89C669的通信流程圖如圖4所示。

4?結束語
?文中應用AT89C2051擴展串口后，系統共有三個串行口。其中，一個串口用來選擇接收電羅經或者GPS信號用以數據轉換；一個串口經過MAX3232實現TTL電平與RS-232電平轉換后可連接微機的串行口，從而簡單方便地實現單片機P89C669的在線編程，它同時也作為GPS信號的輸出接口；另一個串口主要用來輸出電羅經信號。
?該電路與采用專用芯片的電路相比，并不復雜，而且編程設計較簡單，綜合考慮是一種比較經濟實用的低成本設計方法。
?創新點：
文章本著低成本的指導思想進行設計。首先，選用可在線編程的P89C669單片機為主處理器，省去編程器，降低了成本；其次，采用價格便宜的AT89C2051單片機與充分利用P89C669單片機豐富的IO口進行串口擴展。最終，實現了多串口船舶導航數據轉換器的低成本實現。