1 概述

串行接口在数据通信中一直扮演着重要角色。他不仅没有因为时代的进步被淘汰，反而在性能上越来向其极限挑战。USB接口是当前PC机上的主流接口，但仍然有许多外设使用串口与PC机通信，尤其是在工业控制领域。普通PC机所提供的串口资源往往是不够的。

传统扩展多个串行口的方法是利用多个中断源，每个中断通常被分配给单一的设备。这是因为当多于1个的设备被设置成使用同一个特定中断时，系统不能辨认哪个设备使用中断线，所以就会产生混乱。但在嵌入式系统中，花费大量的中断源来扩展串口无疑是资源的浪费。针对这种情况，为了节省紧张的系统资源，本方案通过对CPLD的设计，采用1个中断源高效管理多个串口的有效方法实现了将PC主机上的一个USB接口扩展为8个通用串口接口，同时保证了多个串口中断的无漏监测与服务。

2 系统硬件设计

本设计方案(参见图1)采用ATMEL公司的89C52单片机来控制串口到USB接口之间的数据收发工作，选用Philips公司的USB接口芯片PDIUSBD12实现单片机与USB器件之间的连接，多串口扩展以TL16C554芯片实现，并由一片CPLD(ALTERA的EPM7064)实现高效多串口中断源管理，利用单一的中断源来管理多个扩展串口。在PC主机端，设计开发了WDM设备驱动程序对USB口进行虚拟管理，从而使得Windows应用程序能以访问普通串口的方式访问串口服务器上的多个串口。

3 CPLD设计

本设计中用CPLD设计了译码电路、锁存电路、逻辑或电路、三态门电路、状态机电路。由于对宏单元和管脚的要求不是很多，因此选用ALTERA EPM7064，44脚，PLCC封装。

3.1 译码电路

用CPLD进行PDIUSBD12的选址，2片TL16C554共8个口的选址，以及对CPLD中一位寄存器的选址，共用到A3～A7以及DO进行译码，译码设计图如图2所示。

(1) PDIUSBD12的选址

由于PO口为数据地址线，所以要经过地址锁存器，以及A7，A6一起连到一个138译码器上。因为PDIUSBD12奇地址表示命令，偶地址表示数据，所以把2个地址接异或非门后再接到PDIUSBD12的片选端。如图2上的CS2，其地址为0x7000，0x7001。

(2) TL16C554的选址

为了选中扩展的8个串口，将A3～A5连入另一个138译码器，将其译码为8个选通端连到每个芯片的片选上，然后用A6，A7，DO的译码CS0(见图2)作为第二个138译码器的低使能端。其8个口的地址依次为0x0C000，0x0C800，0x0D000，0x0D800，0x0E000，0x0E800，0x0F000，0x0F800。

(3) 一位寄存器的选址

CPLD内的一位寄存器的地址设定为0x0C001。

3.2 多串口中断源解决方案

其基本原理如图3所示。

RS232串口通过驱动芯片MAX202或MAX232转化成TTL电平，通过串口异步通信器件16C554输出中断请求，通过或门获得多个串口的中断请求，再通过CPLD与中断控制器相连接。中断控制线INTREQ通过CPLD主要是在CPLD中做一个一位寄存器INTEN(如图4所示)，用作中断允许位，并根据16C554的中断请求INTREQ和INTEN的状态来最终生成中断DLY_IRQ，CPU将实时响应该中断请求。

(1) INTREQ为n个中断的或结果。

(2) CPU对INTEN只写，操作过程分3步：

①中断安装后设置INTEN=1；

②进入中断服务程序后CPU设置INTEN=0；

③退出中断服务程序的最后指令再将INTEN=1。

(3)中断响应的时序图，如图5所示。

(4)中断控制寄存器的状态图(描述8位状态机的转换)如图6所示。

本设计支持EPM7064在线下载功能，其接口图如图8所示。

为实现主机可以如操作本机串口一样通过主机USB口对串口设备进行数据读取，主机端设备驱动程序需将串口服务器的8个串口对应到主机的8个虚拟串口上。在WDM设备驱动程序设计中，这样的功能可以通过在USB功能驱动程序上层加上一个过滤驱动层来实现。应用程序发送数据到虚拟串口，而过滤驱动程序则将虚拟串口中的数据转发给USB功能驱动程序，反之亦然。基于WDM的USB设备驱动程序分层结构如图9所示。