CN201503585U - 基于cpci总线的多串口数据通信卡设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于CPCI总线的多串口数据通信卡设备，包括CPCI总线通信模块、磁隔离模块、至少二个具有自动RS485通信流控功能的UART通信管理模块、与UART通信管理模块数量相对应的RS232/RS485二合一通信收发模块，CPCI总线通信模块通过CPCI总线与主机***连接，CPCI总线通信模块依次通过UART通信管理模块、磁隔离模块和对应的RS232/RS485二合一通信收发模块接入RS232/RS485总线。采用该种基于CPCI总线的多串口数据通信卡设备，***运行可靠，简化了切换电路，实现了智能化；使用磁隔离模块功耗仅为使用光电耦合器的多串口通信设备的1/10～1/50；具有更高的数据传输速率、时序精度和瞬态共模抑制能力；串行通信数据传输速率可达到230400bps，安全可靠，适用范围较为广泛。

Description

基于CPCI总线的多串口数据通信卡设备

技术领域

本实用新型涉及数据通信领域，特别涉及CPCI总线通信技术领域，具体是指一种基于CPCI总线的多串口数据通信卡设备。

背景技术

现代社会中，随着数据通信技术的不断发展，在工业控制领域已经得到了越多的应用。同时，在广泛使用的工控机领域，RS232/RS485串行通信已经成为常规的模式。

作为压缩PCI(Compact PCI，简称为CPCI)技术规范，使得流行的PCI总线兼容架构可以用欧洲卡的规格实现。这种模块化的CPCI模板可以灵活组合成适合各种不同工业现场应用的***。为了提高CPCI***的可维护性，需要在CPCI产品上增加热插拔功能，使得CPCI模板可以在不需要关断电源情况下，***或拔出正在运行的***，而不影响或破坏***的正常工作，从而为高可用性(High Availability)设计奠定基础。

PICMG 2.0Revision 3.0规定了背板上各插槽之间，***槽与背板，I/O模板与背板之间严格的互连关系；定义了背板、模板和前后面板的结构和尺寸；定义P1支持32位PCI操作，P1和P2支持64位PCI操作，P3、P4和P5留给用户使用或作为总线扩展用。规范还为33MHz和66MHz工作频率的Clock信号分布，定义了严格的设计规则。规范还定义了***管理总线，并为背板上每个插槽定义了唯一对应的物理地址。CPCI***由金属外壳和前、后面板组成的整体导电以及ESD电路设计，使得CPCI具有电磁辐射屏蔽和静电释放能力，表现出良好的电磁兼容性。

RS-232协议是一个最初用于调制解调器、打印机及其它PC外设的通讯标准，提供单端20kbps的波特率，后来速率提高至1Mbps。RS-232的其它技术指标包括：标称±5V发送电平、±3V接收电平(间隔/符号)、2V共模抑制、2200pF最大电缆负载电容、300最大驱动器输出电阻、3k最小接收器(负载)阻抗、100英尺(典型值)最大电缆长度。RS-232协议只能够用于点对点通信***，不能用于多点通信***，所有RS-232***都必须遵从这些限制。

RS-422协议是单向、全双工通信协议，适合嘈杂的工业环境。RS-422规范允许单个驱动器与多个接收器通信，数据信号采用差分传输方式，速率最高可达50Mbps。接收器共模范围为±7V，驱动器输出电阻最大值为100，接收器输入阻抗可低至4k。

RS-485协议是双向、半双工通信协议，允许多个驱动器和接收器挂接在总线上，其中每个驱动器都能够脱离总线。该规范满足所有RS-422的要求，而且比RS-422稳定性更强。具有更高的接收器输入阻抗和更宽的共模范围(-7V至+12V)。驱动器能够驱动32个单位负载，即允许总线上并联32个12k的接收器。对于输入阻抗更高的接收器，一条总线上允许连接的单位负载数也较高。RS-485接收器可随意组合，连接至同一总线，但要保证这些电路的实际并联阻抗不高于32个单位负载(375)。由此可见，RS485适用于多主机/驱动器工业环境，通信距离较长淡通信速率不高的场合。

同时，iCoupler是ADI公司的一项专利隔离技术。它是一种基于芯片尺寸的变压器，而非传统的基于光电耦合器所采用的发光二极管(LED)与光电二极管的组合。由于其取消了光电耦合器中影响效率的光电转换环节，因此其功耗仅为光电耦合器的1/10～1/50。采用了iCoupler技术的数字隔离器利用平面磁场专利隔离技术，并采用变压器专利技术集成变压器驱动和接收电路，同时不再需要驱动34″的外部电路，从而在性能方面表现出色。数字隔离器使用了芯片级制造工艺直接在芯片上制造iCoupler变压器，只需一个芯片就能支持高速数据通信，同时能满足医用设备、高电压工业应用、电源以及其他高隔离度环境的严格隔离要求。iCoupler数字隔离器的隔离通道具有比光电耦合器更高的数据传输速率，时序精度和瞬态共模抑制能力，因此iCoupler数字隔离器非常适合在各种工业上的应用，包括数据通信、数据转换器接口以及其他多通道隔离应用。

虽然以上技术都已经发展的比较成熟，但是还没有一种技术方案能够将以上技术手段进行整合应用，并应用于工控机的数据通信方面。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种能够有效实现智能化多串口数据通信、扩展方便、安全可靠、功耗较低、数据传输速率较高、适用范围较为广泛的基于CPCI总线的多串口数据通信卡设备。

为了实现上述的目的，本实用新型的基于CPCI总线的多串口数据通信卡设备如下：

该基于CPCI总线的多串口数据通信卡设备，其主要特点是，所述的设备包括：

CPCI总线通信模块，该CPCI总线通信模块通过CPCI总线与主机***相连接，并向主机***提交数据接收主机***的下发数据；

至少二个具有自动RS485通信流控功能的UART通信管理模块，所述的各个UART通信管理模块分别与所述的CPCI总线通信模块相连接，进行通信数据的收发处理，并在数据发送完毕或者接收数据到达时通过CPCI总线向主机***发送中断通知；

磁隔离模块，进行通信信号的传输；和

与所述的UART通信管理模块数量相对应的RS232/RS485二合一通信收发模块，所述的各个RS232/RS485二合一通信收发模块均接入RS232/RS485总线，且所述的各个UART通信管理模块通过所述的磁隔离模块与对应的RS232/RS485二合一通信收发模块相连接，进行通信信号的逻辑电平转换和传输。

该基于CPCI总线的多串口数据通信卡设备中的CPCI总线通信模块为PCI从设备管理器。

该基于CPCI总线的多串口数据通信卡设备中的具有自动RS485通信流控功能的UART通信管理模块为具有自动RS485通信流控功能的UART通信管理器。

该基于CPCI总线的多串口数据通信卡设备中的磁隔离模块为iCoupler磁隔离器。

该基于CPCI总线的多串口数据通信卡设备中的RS232/RS485二合一通信收发模块为RS232/RS485二合一通信收发器。

该基于CPCI总线的多串口数据通信卡设备中的具有自动RS485通信流控功能的UART通信管理模块的数量为8个，所述的RS232/RS485二合一通信收发模块的数量也为8个。

采用了该实用新型的基于CPCI总线的多串口数据通信卡设备，由于其中采用了CPCI总线通信接口方式，并与***硬件连接采用2mm高密度针式连接器，从而在工业应用领域令***运行更加可靠；而且CPCI具有热插拔功能，可以在不需要关断电源情况下，***或拔出正在运行的***而不影响或破坏***的正常工作，从而为高可用性奠定基础；CPCI的可扩展性允许一个硬件***平台在不增加PCI桥的情况下最多扩展7块8串口卡，即可以扩展出最多达到56个串口；同时，本实用新型实现了智能控制RS485通信，而RS485为半双工串行通信，其中的UART通信控制模块中具有自动RS485通信流控功能，从而大大简化了RS232/RS485切换电路，也使RS232/RS485的切换控制真正实现了智能化；由于其中采用了的iCoupler磁隔离技术(磁隔离模块)有效避免了光电耦合器中影响效率的光电转换环节，从而功耗非常低，仅为使用光电耦合器的多串口通信设备的1/10～1/50，具有比光电耦合器更高的数据传输速率、时序精度和瞬态共模抑制能力；串行通信数据传输速率可达到230400bps，不仅安全可靠，而且适用范围较为广泛。

附图说明

图1为本实用新型的基于CPCI总线的多串口数据通信卡设备硬件结构示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本实用新型的技术内容，特举以下实施例详细说明。

请参阅图1所示，该基于CPCI总线的多串口数据通信卡设备，其中包括：

(1)CPCI总线通信模块，该CPCI总线通信模块通过CPCI总线与主机***相连接，并向主机***提交数据接收主机***的下发数据；所述的CPCI总线通信模块为PCI从设备管理器；

(2)至少二个具有自动RS485通信流控功能的UART通信管理模块，所述的各个UART通信管理模块分别与所述的CPCI总线通信模块相连接，进行通信数据的收发处理，并在数据发送完毕或者接收数据到达时通过CPCI总线向主机***发送中断通知；所述的具有自动RS485通信流控功能的UART通信管理模块为具有自动RS485通信流控功能的UART通信管理器；在本实用新型的具体实施方式中，所述的具有自动RS485通信流控功能的UART通信管理模块的数量为8个；

(3)磁隔离模块，进行通信信号的传输；所述的磁隔离模块为iCoupler磁隔离器；

(4)与所述的UART通信管理模块数量相对应的RS232/RS485二合一通信收发模块，所述的各个RS232/RS485二合一通信收发模块均接入RS232/RS485总线，且所述的各个UART通信管理模块通过所述的磁隔离模块与对应的RS232/RS485二合一通信收发模块相连接，进行通信信号的逻辑电平转换和传输；所述的RS232/RS485二合一通信收发模块为RS232/RS485二合一通信收发器；同时，在本实用新型的具体实施方式中，所述的RS232/RS485二合一通信收发模块的数量也为8个。

在实际使用当中，本实用新型的基于CPCI总线的多串口数据通信卡设备的硬件结构中包括CPCI总线接口控制器、RS232信号收发器、RS485信号收发器、iCoupler磁隔离器。此设备能直接在遵循CPCI规范的硬件平台使用，给主机***扩充出8个标准型UART，通过RS232信号收发器或RS485信号收发器，可以和外界的RS232或RS485设备通信。同时该设备中具有磁隔离器，符合国家电力行业磁隔离安全规范。本卡件具有智能安装、智能切换RS232/RS485通信模式等特性。

CPCI总线规范是PCI总线规范的另一领域应用拓展，所遵循的协议是PCI2.0协议规范，硬件上使用的CPCI从设备控制器和通用PCI从设备没有区别。本实用新型的设备的CPCI总线从设备控制器与硬件平台的CPCI总线连接，根据PCI设备的即插即用特性，卡件******装置的CPCI槽后，通用平台上的WINDOWS、LINUX***能自动检测到新硬件的***，根据PCI设备资源分配法则，***自动分配I/O空间和共享中断号。设备在得到的I/O空间与普通输入输出设备的I/O空间不同，是一种称为内存映射I/O空间(MMIO，memory mapI/O)，***可以像读写内存块一样操作读写这块I/O空间数据，存取的速率比物理I/O空间读写快得多。

本实用新型的设备上还可以设置多达8个UART通信管理器，这8个UART通信管理器和CPCI从设备控制器完美整合在一起。当平台上的WINDOWS、LINUX***辨别卡件分配资源后，平台上的软件***(驱动)会衍生出8个UART设备，并且将MMIO空间对应8个UART分成8个部分，用作每个UART的发送数据缓冲区和接收数据缓冲区，同时平台上的软件***(驱动)还运用了操作***中的共享中断技术，根据卡件中断状态字的标志位辨别出是由哪个UART发出的中断请求，从而调度这个UART的中断处理过程函数。

UART通信管理器可以引出RS485通信收发器的流控信号，这样这个UART通信管理器既可以作RS232通信也可以作RS485通信管理。在本实用新型的技术方案中，将RS232/RS485的切换控制植入到软件***(驱动)中，而以往的RS232/RS485的切换控制由***的硬件设置电路完成，因此本实用新型中的RS232/RS485的切换控制真正实现了智能化。

该基于上述的设备实现基于CPCI总线的多串口数据通信的方法，其中包括设备初始化处理操作、数据发送处理和数据接收处理，所述的设备初始化处理操作，包括以下步骤：

(11)所述的设备***主机***的CPCI接口槽，主机***根据PCI设备资源分配法则为该设备分配共享中断号；

(12)所述的主机***为该设备分配内存映射I/O空间；

(13)所述的主机***创建与所述的UART通信管理模块数量相对应的UART虚拟设备，并将所述的内存映射I/O空间分割为与各个UART虚拟设备相对应的部分，作为每个UART虚拟设备的发送数据缓冲区和接收数据缓冲区；

所述的数据发送处理，包括以下步骤：

(21)所述的主机***将需要发送的数据拷贝到所述的内存映射I/O空间中的发送数据缓冲区；

(22)所述的主机***通过所述的CPCI总线通信模块通知对应的UART通信管理模块相应的数据发送缓冲区有数据待发送；

(23)所述的UART通信管理模块读取相应的数据发送缓冲区中的数据，并进行数据转换和发送操作，包括以下步骤：

(a)所述的UART通信管理模块将所读取到的数据转换为实际的逻辑电平信号；

(b)所述的UART通信管理模块将转换后的逻辑电平信号通过磁隔离器传送给对应的RS232/RS485二合一通信收发模块；

(c)所述的RS232/RS485二合一通信收发模块将所述的逻辑电平信号转换为符合IEA232/IEA485通信协议的电气信号，并将该电气信号通过RS232/RS485总线传送给远端设备；

(d)所述的UART通信管理模块通过CPCI总线通信模块通知主机***数据发送完毕；

所述的数据接收处理，包括以下步骤：

(31)当RS232/RS485总线上的远端设备有数据到达所述的RS232/RS485二合一通信收发模块时，所述的设备进行数据接收和转换操作，并得到接收数据；所述的数据接收和转换操作，包括以下步骤：

(a)所述的RS232/RS485二合一通信收发模块将符合IEA232/IEA485通信协议的电气信号转换为逻辑电平信号；

(b)所述的RS232/RS485二合一通信收发模块将该逻辑电平信号通过磁隔离器传送到对应的UART通信管理模块；

(c)所述的UART通信管理模块将接收到的逻辑电平信号转换为实际的接收数据；

(32)所述的UART通信管理模块将接收到的数据拷贝至所述的内存映射I/O空间中的接收数据缓冲区中，并向所述的主机***发送硬件中断通知该主机***读取数据；

(33)所述的主机***通过该硬件中断的中断状态字的标志位判断是哪个UART通信管理模块接收到数据；

(34)所述的主机***调度该UART通信管理模块所对应的中断处理过程函数，将所述的接收数据传递至上层应用程序。

在实际使用当中，当***有发送数据需要从卡件的某个UART发送出去时，***将此发送数据拷贝到软件***(驱动)的发送数据缓冲区，即卡件的MMIO中，并通过PCI总线通信控制器中告诉这个UART的通信管理器数据发送缓冲区有数据发送，UART的通信管理器即转换计算机数据为实际的逻辑电平(TTL)信号经磁隔离器输送给RS232/RS485通信收发器，由这个RS232/RS485通信收发器转换逻辑电平信号为符合IEA232/IEA485通信的电气信号输送到远方设备；发送完毕后UART的通信管理器通过PCI总线通信控制器告知***数据发送完毕。

当远方设备有数据到达某个UART时，RS232/RS485通信收发器将IEA232/IEA485通信的电气信号转换为逻辑电平(TTL)信号，经过磁隔离器传输到UART的通信管理器，通信管理器拷贝数据到卡件的MMIO中，并且发出一个硬件中断，通知***取走数据；软件***(驱动)通过中断状态字的标志位辨别是哪个UART接收到的数据，调度这个UART的中断处理过程函数，即可以将接收数据传递给应用程序。

采用了上述的基于CPCI总线的多串口数据通信卡设备，由于其中采用了CPCI总线通信接口方式，并与***硬件连接采用2mm高密度针式连接器，从而在工业应用领域令***运行更加可靠；而且CPCI具有热插拔功能，可以在不需要关断电源情况下，***或拔出正在运行的多串口数据通信卡设备而不影响或破坏***的正常工作，从而为高可用性奠定基础；CPCI的可扩展性允许一个硬件***平台在不增加PCI桥的情况下最多扩展7块8串口卡，即可以扩展出最多达到56个串口；同时，本实用新型中实现了智能控制RS485通信，而RS485为半双工串行通信，其中的UART通信控制模块中具有自动RS485通信流控功能，从而大大简化了RS232/RS485切换电路，也使RS232/RS485的切换控制真正实现了智能化；由于其中采用了的iCoupler磁隔离技术(磁隔离模块)有效避免了光电耦合器中影响效率的光电转换环节，从而功耗非常低，仅为使用光电耦合器的多串口通信设备的1/10～1/50，具有比光电耦合器更高的数据传输速率、时序精度和瞬态共模抑制能力；串行通信数据传输速率可达到230400bps，不仅安全可靠，而且适用范围较为广泛。

在此说明书中，本实用新型已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本实用新型的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (6)

1.一种基于CPCI总线的多串口数据通信卡设备，其特征在于，所述的设备包括CPCI总线通信模块、磁隔离模块、至少二个具有自动RS485通信流控功能的UART通信管理模块、与所述的UART通信管理模块数量相对应的RS232/RS485二合一通信收发模块，该CPCI总线通信模块通过CPCI总线与主机***相连接，所述的各个UART通信管理模块分别与所述的CPCI总线通信模块相连接，所述的各个RS232/RS485二合一通信收发模块均接入RS232/RS485总线，且所述的各个UART通信管理模块通过所述的磁隔离模块与对应的RS232/RS485二合一通信收发模块相连接。

2.根据权利要求1所述的基于CPCI总线的多串口数据通信卡设备，其特征在于，所述的CPCI总线通信模块为PCI从设备管理器。

3.根据权利要求1所述的基于CPCI总线的多串口数据通信卡设备，其特征在于，所述的具有自动RS485通信流控功能的UART通信管理模块为具有自动RS485通信流控功能的UART通信管理器。

4.根据权利要求1所述的基于CPCI总线的多串口数据通信卡设备，其特征在于，所述的磁隔离模块为iCoupler磁隔离器。

5.根据权利要求1所述的基于CPCI总线的多串口数据通信卡设备，其特征在于，所述的RS232/RS485二合一通信收发模块为RS232/RS485二合一通信收发器。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的基于CPCI总线的多串口数据通信卡设备，其特征在于，所述的具有自动RS485通信流控功能的UART通信管理模块的数量为8个，所述的RS232/RS485二合一通信收发模块的数量也为8个。

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