Windows 2K平台下多机通信卡及其驱动程序的开发

在工业现场，监控系统经常采用RS-485/423/422通信标准。然而，在Windows2K平台下，复杂的多机通信和大数据量的传输会加重计算机的负担。作者采用自制的多机通信卡解决了这一问题。本文介绍了Windows2K平台下多机通信的基本原理，论述了多机通信卡的设计方法，进一步阐述了驱动程序设计的一般原则。

关键词：RS-485，单片机，多机通信，WDM

 

1 引言

在电力监控系统中，为保证数据通信的可靠性，从机经常采用RS-485标准接口同主机进行通信。通常，主机是一台安装有Windows9X、WinNT或Windows2K等操作系统的计算机。从机为8051单片机系统，8051串行口的输入输出为TTL电平，抗干扰性较差，只能在几米的范围之内传输数据。

为了增强抗干扰性，提高串地通信的可靠性，增加传输距离，必须采用标准串行总线接口。若将串行口的输入输出电平转换成目前流行的RS-485标准串行总线接口，那么主机也必须完成相应的RS-485转换接口。普遍采用的做法是给计算机外接一个RS-485/232转换接口卡，利用现有的RS-232接口完成主机同从机之间的通信。

在单机通信的情况下，这种做法是可以的。但是在多机通信中，实现起来非常麻烦，而且会大量占用计算机CPU的时间。下面介绍Windows平台实现通信的几种基本方式，以及开发多机通信卡的方法和技巧。

2 Windows平台下多机通信方式

利用计算机的串行通信适配器，其核心为可编程异步收发器UART8250芯片，8250由10个可寻址寄存器供CPU读/写，实现与外界的数据通信，制动通信协议和提供通信状态信息。这样，可以满足单机通信的要求。

8051单片机的串行通道是一个全双工的串行通信口，既可以实现双机通信，也可以实现多机通信。当串行口工作在方式2或方式3时，若特殊功能寄存器SCON的SM2由软件置为“1”，则为多机方式；若SM2置为“0”，则为9位异步通信方式。

在多机通信时，8051的帧格式是11位，其中第9位是SCON中的TB8，它是多机通信时发送地址（TB8=1）或发送数据（TB8=0）的标志。

计算机的串行通信接口芯片8250并不具有多机通信的功能，也不能产生类似8051的TB8。为了完成多机通信的功能，一般的实现方式是：

计算机给每台8051单片机系统发送9位数据，查询是否有要发送的数据，并等待应答。若有，则接收数据；没有，则继续查询下一台。由此可以看出，这种通信方式速度是很慢的（如果有一台8051长时间没有响应，则耗时更长），而且也并不可靠，从机的台数越多则计算机的资源浪费就会越严重。这种实现方式效率不高，不能满足我们的通信要求。

因此，直接利用计算机串口的方式进行通信是行不通的。为了尽可能减轻CPU的负担，采用自行设计的智能通信卡，利用中断方式的通信（这里指的是从机与通信卡之间的通信方式），来解决这个问题。

3 通信卡与多个8051通信的原理

为完成异步串行通信，首先就需要实现异步收发器的功能，其次还要实现多机通信时发送的帧格式。考虑到8051除了实现异步收发的功能外，还可以编制控制程序，使用起来更加灵活、方便，因此，用8051来实现异步收发器。为了提高通信速度，从机与通信卡之间采用中断通信方式。

具体的实现方案如图1所示。

 

 

 

图示的这种硬件结构，使从机解放出来，平时不必处于监听状态。当计算机要求通信时，可以利用多机通信卡的处理器向从机发出中断信号，即通信卡通过3487（TTL电平转换为RS-485电平），从机通过3486（RS-485电平转换为TTL电平）进行从机中断信号联系。从机进入中断服务程序后，则关闭外部中断，保护现场，监听主机发送的地址信号，并对其进行识别，如果与本机地址相符，取消监听，进入通信状态。

通信卡与计算机进行通信是通过数据接口和译码电路实现的。该接口卡利用中断方式与计算机通信，即通信卡向计算机发出中断请求，计算机接收到相应中断请求后，执行数据收发的任务。其中，计算机对通信卡的访问是利用内存映射方式实现的。

4 通信卡设计

该通信卡基于ISA总线工业标准。它的设计主要分为三个部分：地址译码电路、数据接口电路和控制逻辑电路。

（1）地址译码电路

由于采用的是端口统一编址的方式（也就是给每一个I/O端口分配一个存储器地址），I/O端口的寻址信号由地址总线通过译码得到。CPU用存储器读写指令对I/O接口进行读写，此时，I/O端口的读写操作控制信号采用存储器读（MEMR）和存储器写（MEMW）信号。而在通信卡上为实现内存映射就必须完成相应的译码转换，也就是将对应的双口RAM地址与分配的地址空间对应起来，实现地址的转换。

实现时，采用动态配置内存映射设备，改变内存映射端口的地址也相对方便，比老式的ISA[1]接口用跳线配置要优越些。该双口RAM为8K，但计算机能够访问的只有4K。其中CTRL线是8K RAM的控制线，通过该线可以实现“乒乓”结构[1]的数据传输。

（2）数据接口电路

数据接口电路实现数据线的驱动功能。尽管很多计算机主板的数据总线都经过驱动，但为了确保可靠性，数据总线不应直接与双口RAM相连接，而是通过数据驱动器件与数据线相连。

（3）控制逻辑电路

控制逻辑电路是与计算机通信的核心部分，该部分主要是实现“乒乓”结构的硬件控制部分。当存储器中的RAM达到HALF READY（半满状态）时发出中断申请实现数据的传输，同时，将CTRL状态取反，使得计算机访问的是其中的一半，即实现了数据传输的“乒乓”结构。此外，数据的读写控制也通过控制逻辑实现。

89C52实现与从机多机通信，同时将得到的数据存入双口RAM中，控制逻辑协调RAM的数据读写工作。

5 设备驱动程序的设计

在Windows 9x下的VxD（虚拟设备驱动程序）相比，Windows 2K下的WDM（Windows设备驱动模型）驱动程序要复杂一些。

WDM驱动程序是分层的，不同层上的驱动程序有着不同的优先级[2]。此外，WDM还引入了FDO（功能设备对象）与PDO（物理设备对象）两个新类来描述硬件。

在开发驱动程序过程中，使用了DriverStudio中的DriverWorks工具用来创建WDM框架。

DriverWorks提供用于访问内存映射地址的类KmemoryRange和KmemoryRegister。实现步骤如下：

（3）在初始化成功后，可以调用类KmemoryRange的成员函数实现对内存映射地址寄存器[2]的访问。

在驱动程序的开发中还涉及到硬件中断的处理。具体地说，首先安装一个中断服务例程（ISR），当相应的中断发生时，内核调用它的中断服务例程。中断服务例程的第一个工作是判断该中断是否由自己的设备产生。如果不是，则返回FALSE，交给其他的中断服务例程；如果是，则处理该中断，并返回TRUE。

同样，DriverWorks提供Kinterrpt和KdefrredCall类处理中断。具体编程如下：

6 结束语

由于在接口卡中采用了89C52芯片完成数据收发工作，同时协助主机进行信号的处理，这在很大程度上减轻了主机的负担，加速了I/O操作。在驱动程序的编制上，采用了WDM驱动模型，这样可以很方便地将程序移植到任何支持WDM模型的操作系统中去。

 

参考文献

 

1 路友荣 编著.PC系列微机接口扩展设计.成都：成都科技大学出版社，1994

2 尤晋元，史美琳等 编著.Windows操作系统原理.北京：机械工业出版社，2001