在嵌入式系統中，串行接口設備憑借其控制靈活、接口簡單、占用系統資源少等優點而得到廣泛應用。以單片機為核心的嵌入式系統，單片機常需要連接多個串行外設，如上位計算機、串口LCD、外部傳感器等。通常單片機只提供一到兩個異步串行通信接口（UART）。因此，為了實現多串口通信，必須對其串行口進行擴展。

    常見的串口擴展方法有軟件模擬法和硬件擴展法。軟件模擬法通過兩個通用I/O引腳、兩個定時器和一個外部中斷用軟件模擬UART的發送/接收功能，成本低，易于實現，但占用資源多， 誤碼率高， 不適用于高速傳輸[1]。硬件擴展法主要有三種方式: (1)基于普通I/O口的串口擴展，如采用16C554芯片，其占用資源多，價格較貴； (2)基于USB的多串口擴展，如專用USB/串口轉換器，可擴展最多16路串口，性能可靠，但體積大，且價格隨串口數增加顯著提高;(3)基于SPI口的串口擴展。
    本文采用GM814X串口擴展接口芯片通過單片機的增強型串行外設接口(SPI)實現多串口擴展。GM814X控制芯片在有限的資源下，可以增加擴展串口的數量并且性價比較高，運行可靠穩定，便于嵌入式系統使用。該方法成功應用于某RS-485通信終端開發。此通信終端與實際設備對接，工作穩定，設置靈活，滿足RS-485總線高速通信要求。
1 基于GM814X的串口擴展
    GM814X是專用低功耗串行口擴展芯片，該芯片主要是為了解決單片機等MCU自身的UART串口有限、不能與多個基于UART通信的外圍智能模塊及器件通信等問題而推出的。它可將現有單片機的單串口或雙串口擴展成2個（GM8141）或4個(GM8142）標準的UART，并具備兩種工作模式：串口擴展模式和廣播模式。串口擴展模式下，各子串口可獨立設置波特率、幀長和校驗方式，并同時與SPI接口進行數據收發[2]。
1.1 SPI接口及時序
    增強型串行外設接口（SPI）提供訪問一個全雙工同步串行總線的能力，可以使用3線或4線方式，并可在同一總線上支持多個主器件和從器件[3]。GM814X芯片是基于SPI接口實現的，因此SPI的時序對串口功能的使用尤為重要，時序圖如圖1所示。由于SPI時序較為簡單，利用GM8141擴展串口時MCU選擇比較靈活，可選用帶SPI口的MCU（如C8051F340）實現，也可用通用I/O口通過軟件模擬SPI實現。

    SPI 上的數據為16位，其中高8位為子串口地址及附加命令和狀態信息，低8位為實際收發數據。數據接收以時鐘上升沿為采樣標志，數據發送以時鐘下降沿為移位標志。16 bit的數據收發從CS為低時有效,當CS拉高后，結束數據的收發,并對數據進行判斷和有效性分析。
1.2 GM814X芯片
    GM814X是一款兼容SPI總線的UART擴展芯片，其工作模式、各子串口的波特率、數據幀長等參數可通過向功能設置寄存器寫入控制字進行靈活設置，I/O口占用率低。通過寫功能設置寄存器的波特率分頻標志位，各子串口可在母串口波特率基礎上分頻同時工作。其主要指標為:晶振頻率為3.686 4 MHz 時, 波特率范圍為600 b/s~230.4 kb/s，輸出波特率誤差小于0.1%，輸入波特率誤差允許小于3.4%。以GM8141芯片為例，其引腳功能如圖2所示。

    SHDN為軟件shutdown控制標志位，0為正常工作模式，1為低功耗掉電模式。掉電模式下，GM814X自動清除中斷寄存器的內容，但保留功能寄存器內的數據。當多個GM814X芯片掛在SPI總線上時，外部MCU可通過CS引腳選擇與其中某個GM814X通信時的控制，以此實現芯片的并聯工作。
2 應用設計
2.1 RS-485通信終端
    RS-485串行接口采用差分傳輸方式，半雙工方式通信，抗共模干擾能力強，并可聯網構成分布式系統，在要求精度高的實際工業儀器中應用廣泛[4]。
    本文設計的RS-485通信終端作為一個獨立的多路RS-485總線接口設備，具有多路RS-485信號的數據采集、發送及數據處理功能。通過外接LCD顯示屏及矩陣鍵盤提供獨立的人際交互手段。此外，該終端還可與PC機構成上、下位機系統，實現更為復雜的功能。其硬件組成如圖3所示。

    根據設備配置，該通信終端需要4個串口：C8051F340自帶的UART0用于與串口LCD屏通信，與矩陣鍵盤配合，實現參數顯示和人機交互；自帶的UART1用于上位機進行RS-232通信，用于接收其指令或數據信息；擴展的兩個串口用于與RS-485外設進行RS-485總線通信。
2.2 電路設計
    選用C8051F340作為主控MCU，C8051F340具有豐富的數字外設如UART、SPI、SMBus/I2C、USB等資源，在工程中得到廣泛應用。通過GM8141實現串口擴展，一片MAX232實現兩路單片機TTL電平與RS-232C電平的雙向轉換，兩片MAX485實現GM8141的TTL電平與RS-485電平的雙向轉換。電路圖見圖4。

    GM8141與單片機采用SPI口的3線單主方式和3線單從方式連接，SPI時鐘為250 kHz。IRQ引腳外接30 k?贅上拉電阻。當FIFO 接收到數據后置位R，并產生IRQ 中斷，該IRQ 中斷連接C8051340的P0.3管腳，當單片機響應，且對GM814X 進行了收（發）數據操作后，該中斷即被清除；若接收FIFO 內還有數據，則繼續重復產生新的IRQ中斷和置位R，直到FIFO 內的數據被讀取完；片選信號CS連接單片機的P1.6管腳，控制SPI時鐘的有效性。
    MAX485的發送/接收轉換器由使能端RE和DE控制。當RE和DE都為0時, MAX485處于接收狀態；RE和DE都為1時，MAX485處于發送狀態。用于遠距離傳輸時，應在A+和B-輸出端并接匹配電阻。
2.3 軟件設計
    單片機采用C51語言編程，在Keil uVision3集成開發環境下調試。
    使用GM8141進行擴展串口通信之前，首先進行初始化。SPI的初始化需設置工作方式和時鐘頻率。GM8141的初始化需要設置工作模式,字串口的波特率和數據幀長等，通過向配置寄存器中寫入相應的控制字實現。
　　終端對于RS-485外設的通信主要是接收和發送數據程序,應嚴格按照圖3中的SPI接口時序圖進行設計。
　　以下為部分程序代碼，串口擴展通信時僅給出RS-485通道1的發送接收程序,通道2類似，多串口通信初始化程序流程如圖5所示。

    (1)初始化：
    void SPI0_Init()
    功能：對SPI進行初始化
    {
           SPI0CFG=0x40;    //設置工作方式、3線模式
           SPI0CN=0x01;    //使能SPI
           SPI0CKR=23;    //SPI0時鐘為250 kHz
    }
    void Init_System()
    功能：對GM8141進行初始化
    {
        uint temp=0;
        while(cnt0<240);          //等待LCD初始化
         W_8141Config(1,1,11);   
                       //串口1、發送中斷屏蔽、波特率57 600
    temp=Read8141Config(1);  //讀取配置返回結果
    EX0=1;                   
                           //開外部中斷（允許接收485信號）
    }
    調用函數說明：
       ①void W_8141Config(uchar n, uchar high, uchar low)
　    功能：配置GM8141指定串口、波特率，屏蔽設置等
　　參數：n為串口號；high為配置寄存器的高位字節(低三位有效),low為低位字節。
       ②uint Read8141Config(uchar n) 
　　功能：讀GM8141配置后的狀態
    (2) GM8141發送函數：
    uint WR_8141(uchar W_com, uchar W_dat)    
    參數：W_com是對要發送的數據配置、W_dat是發送數據，W_dat與W_com的發送程序一樣
    {
        uint R_state,R_dat; uint Receive;
        CS=0;                                        //GM8141有效
    Delay(20);     
                //SPI時序要求時間：CS低電平到第一次
                                       SCLK的延遲時間Tcss           SPI0DAT=W_com;  
                         //向SPI0數據寄存器中寫入配置信息
        while(!SPIF);                    //等待SPI發送數據結束
        SPIF=0;                  //清SPI數據結束中斷標志位
        Delay(80);                      //SPI時序要求延遲時間
           R_state=SPI0DAT;               //讀取GM8141接收值
        &hellip;&hellip;
    }
    (3) GM8141接收函數：
    uint ReadFIFOData(void)
    {
        uint Receive;    
        Receive=WR_8141(0x00,0x00);
                                 //GM8141單獨數據接收模式
    return Receive;                    //讀出接收FIFO數據
    }
    C8051F340需要處理多種外設信息，應合理安排單片機的中斷優先級。本電路中，優先考慮RS-485外設的高速通信，設置為高優先級，并采用外部中斷0方式接收RS-485數據。當GM8141接收數據時，接收中斷中應首先接收完整數據，然后判斷子串口的數據地址信息；發送數據時所發送的數據幀應該包含其到達的子串口地址，這樣才能實現正確接收。
    在實驗室條件下進行前期調試開發時，通過RS-232與RS-485轉換器實現PC機模擬實際裝備的RS-485信號進行通信，各串口測試運行良好；后期實裝對接時，與RS-485外設通信穩定可靠，可實現多路RS-485信號的通信，實時性和可靠性均能達到要求。實踐表明，通過GM814X擴展串口可以很好地解決串行通信系統的串口局限問題。隨著單片機的廣泛應用，此類擴展串口方法在解決同類問題中具有一定的使用參考價值。
參考文獻
[1] 張毅坤.單片微型計算機原理及應用[M].西安：西安電子科技大學出版社，2006.
[2] 成都國騰微電子. GM8141/2數據手冊[M]. 2006.
[3] 潘琢金.C8051Fxxx高速SOC單片機原理及[M]. 北京：北京航空航天大學出版社,2002.
[4] 劉小芳.單片機的多串口擴展技術的設計[J]. 計算機測量與控制,2004,12(11):1088-1090.