基于双向透明串口扩展技术的多参数监护仪设计方案

文章摘要：嵌入式多参数监护仪系统中一般包括多个独立的硬件采集模块，每个硬件采集模块分别完成对人体的心电、呼吸率、体温、血压和血氧饱和度等生理参数的采集，并通过其串口接收HOST端的控制信息，定时向HOST端发送采集数据。本嵌入式多参数监护仪HOST端使用AT91RM9200处理器，该处理器具有4个通用同步/异步接收/发送器（USART），其中一个是DEBUG串口,但它们都是分时复用的[1]。为了使HOST端更好地与各采集模块进行通信，必须解决其串口扩展的问题。目前比较通用的串口扩展方案主要有2种。一种通过硬件实现，使用多串口ARM/MCU或专用串口扩展芯片，可供选择的串口扩展芯片有TI公司开发的 16C

基于双向透明串口扩展技术的多参数监护仪设计方案,标签：接口技术,微机原理与接口技术,http://www.88dzw.com

　　嵌入式多参数监护仪系统中一般包括多个独立的硬件采集模块，每个硬件采集模块分别完成对人体的心电、呼吸率、体温、血压和血氧饱和度等生理参数的采集，并通过其串口接收HOST端的控制信息，定时向HOST端发送采集数据。

　　本嵌入式多参数监护仪HOST端使用AT91RM9200处理器，该处理器具有4个通用同步/异步接收/发送器（USART），其中一个是DEBUG串口,但它们都是分时复用的[1]。为了使HOST端更好地与各采集模块进行通信，必须解决其串口扩展的问题。

　　目前比较通用的串口扩展方案主要有2种。一种通过硬件实现，使用多串口ARM/MCU或专用串口扩展芯片，可供选择的串口扩展芯片有TI公司开发的 16C55X系列串口扩展芯片和国腾公司开发的GM812X系列串口扩展芯片等。TI公司的16C55X系列芯片通过并行口扩展串行口，功能比较强大、通信速度高，但控制复杂，同时价格较高，主要应用于PC机串口扩展。另一种串口扩展方案通过软件实现，但用软件模拟串口存在缺点：(1)采样次数低，一般只能做到2次/bit，这样，数据的正确性就难以保证；(2)不能实现高波特率通信，软件模拟串口一般不能实现高于4 800 b/s的波特率[2-3]。

　　不管是采用硬件还是软件方案，大多数串口扩展产品几乎都是单向传输，不够透明化[4-7]。本文根据参与的多参数监护仪项目的需要，提出一种双向透明的串口扩展设计方案，并通过了实验验证。

　　1硬件设计

　　1.1串口扩展模块拓扑图

　　在设计中，串口扩展模块可以外接4个用户设备，每个用户设备都可以在与HOST端进行双向数据传输，采用分时复用技术，即在任一时刻，最多仅有一个串口与HOST端连接，串口扩展模块负责4个通道的切换/选择。双方通过硬件和软件机制进行仲裁。如图1所示。

　　1.2硬件设计方案

　　串口扩展模块主要由2部分组成：单片机AT89C2051及模拟开关CD4052、双4通道模拟开关。

　　串口扩展模块拓扑结构图如图2所示，其中虚线框内为串口扩展模块的主要部分。

　　2 通信协议设计

　　2.1数据由用户设备发送到HOST端

　　由于各模块是分时复用的，为了避免用户设备之间发生竞争，需要AT89C2051对4个用户设备通道进行仲裁，本文采用以下方案。

　　4个用户设备各用一根I/O口线分别与AT89C2051的P1.0～P1.3引脚相连，同时还与一个4输入或非门相连，将某根或某几根I/O口线置高电平并经过该4输入或非门来触发中断，通知AT89C2051有用户设备请求向HOST终端发送数据，同时AT89C2051进行用户设备号查询。AT89C2051收到请求信号后，首先判断 HOST端与其他用户设备之间的数据发送是否结束，若结束，则根据仲裁机制通过与各用户设备相连的P1.4～P1.7引脚置高给出应答响应信号，同时 AT89C2051根据中断查询到的用户设备号对P3.4和P3.5引脚进行设置来控制CD4052模拟开关选通对应通道，用户设备收到应答响应信号后就开始发送数据；若未结束，则屏蔽此次中断，直到数据发送结束才开中断。用户设备数据发送结束时则将通过一个4输入或非门来触发中断，通知AT89C2051此次数据发送结束。在响应数据发送请求时会涉及到多个用户设备请求，从而需要AT89C2051进行仲裁。仲裁机制如下：心电和血氧模块是50 ms定时发送数据，而血压模块需要HOST端发来启动测量命令后才向HOST端发送血压数据，因此需要将血压模块发送数据的请求设置为较高优先级，才能保证血压数据正确及时地发送到HOST端，而心电和血氧模块设置为低优先级轮流发送。

　　2.2数据由HOST端发送到用户设备

　　为了使HOST端的数据能够及时准确地发送到各个用户设备，就需要和AT89C2051之间定义好通信协议。其协议如下。

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