单片机的多串口扩展技术的设计

胡锴 温岭市技工学校

单片机的多串口扩展技术的设计

胡锴 温岭市技工学校

随着自动化技术的不断成熟与应用范围的日益广泛，以集成芯片形式存在的单片机在通信领域得到了快速的发展，成为现代通信技术不可缺少的一类重要元器件。本文以51系列单片机为例，对单片机多串口扩展的硬件总体设计与模块设计进行重点探讨，以进一步扩大串行通信适用场合。

单片机 多串口 扩展技术 设计

前言

信息技术的迅猛发展使得工业领域和民用领域内用户对数据采集及自动化控制系统要求越来越高，对系统的实时通信要求越来越高，传统的串口通信方式已难以满足用户快速增长的要求，设计基于单片机的多串口扩展通信变得越来越迫切和需要，尤其是在现代单片机集成度越来越高、功能越来越强大的背景下。

一、单片机的多串口扩展硬件总体设计

单片机与外围设备间串行通信的实现一般多采用RS485、RS232总线标准接口，在实际设计时，为了保证串行通信的可靠性，避免串口问题发生，需要对通信距离、通信方式、通信速率等各相关因素进行综合考虑。以MCS51系列的8751单片机为例，对该单片机多串口扩展硬件总体设计进行相应阐述［1］。总体设计包括，使用8751单片机的多路转换器实现一点对多点分时的串口通信，使用8251通信接口芯片扩展出一个独立的串口，实现两个独立串口的扩展通信，以及使用电平转换器实现单片机与其他不同类型接口间的串行通信。通过多串口通信的扩展设计，满足用户串行通信高需求。

二、单片机的多串口扩展模块设计

（一）两个独立串口的扩展设计

在实际应用中，经常会出现需要两个独立的全双工串口通信情况，但8751单片机的处理器CPU只提供有一个串口，为了解决上述问题，此时就需要对单片机串口进行扩展。试验表明，对于8751单片机来说，可以使用其P0接口来实现独立串口的扩展，将原有8251串口扩展成可编程通信接口芯片［2］。为了最大限度提高资源利用率，采用中断方式，当8751不进行数据通信时可以进行其他的工作。当系统存在请求信号（发送或接收）时，向单片机发出请求中断，同时采用8253接口来实现分频操作。之所以需要分频，主要是因为8251的异步串行通信要求其输入时钟频率必须要大于发送时钟频率和接收时钟频率相应倍数。而之所以采用8253来完成分频而不采用硬件，是因为不同波特率对分频倍数要求不同，由硬件完成分频的过程是十分复杂的，但8253则不同，其是一种可编程计数芯片，可以根据不同情况灵活的调整计数值，从而容易的实现分频操作［3］。分频的实现意味着独立串口扩展已基本实现了一半，在分频基础上依据独立串口通信各项要求，对频率值进行合理设置，使扩展后的单片机独立串口可以正常通信，且能较好的满足通信要求。

（二）与不同类型串口间的扩展设计

8751单片机串口的电平与其他类型串口电平不同，要想实现单片机与其他类型串口间的通信，就必须要使用电平转换器来将单片机串口电平转换为其他类型串口所接受的电平。以8751全双工串口与RS485 和RS232间的串行通信扩展为例，单片机串口与其他任意两类型串口间的通信都必须设置一个电平转换电路.对于8751单片机与RS232间的电平转换可以使用电平转换器MCI488/489来完成，但这种转换方式功耗大，所以一般采用内嵌有两个电平转换电路（TTL→RS232，RS232→TTL）的、功耗低、驱动能力强的MAX232芯片［4］。这种芯片集接收器与发送器于一体，且本身嵌入有电平转换电路而无需额外设置，既简化了电路设计，也降低了串行通信扩展的难度。8751单片机与RS485间的串行通信，采用MAX485芯片来实现，将单片机的一个接口与发送端和接收端相连，并将接口的反向与MAX485连接，当上电时，MAX485处于接收状态，即可实现单片机与RS485间的串行通信。

（三）一点对多点分时串行的扩展设计

由于用户类型多种多样，不同用户对通信要求存在一定差异，当用户需要进行分时串行通信时，为了满足用户这一要求就需要对单片机串行通信进行扩展。用8751单片机与16路外设其中一个串口进行扩展，使用两个包含16选1的译码器16路双向模拟开关CD4067从16个接口中选出一个最为恰当的串口，对单片机进行扩展，将两个双向模拟开关输出端分别接在8751单片机的发送端和接收端，从而实现一点对多点的分时串行通信［5］。

总结：基于单片机的多串口扩展设计，本质上是对串口通信功能与适用范围的一个扩展。通过扩展设计不仅简化了硬件方面电路设计的复杂性，丰富了通信芯片的功能，提高了单片机的集成度，而且软件方面编程易于实现，难度低，可以有效提高单片机程序的处理速率，从而实现数据的高效可靠传输，对推动单片机进一步发展具有重要影响。

［1］吴允平，蔡声镇，苏伟达等. 51单片机系统的扩展多串口设计及应用［J］. 福建师范大学学报（自然科学版），2011，02：29-33.

［2］詹平红，丁函，李文娟. 单片机多串口通信扩展的设计及其应用［J］. 自动化与仪器仪表，2015，02：125-127.

［3］王心鹏，门雅彬，顾季源等. 串口扩展芯片XR16L784在水文监测系统中的应用［J］. 计算机测量与控制，2016，03：14-17.

［4］曾博昊. 基于多串口通讯技术的单片机应用［J］. 西部皮革，2016，04：19.

［5］冯金霞，张轮，熊天圣. 基于SPI接口的异步串口扩展技术研究［J］. 微型电脑应用，2009，12：50-52+78.