介紹了MCS251單片機(jī)和PC機(jī)間的串口通信原理與通信協(xié)議

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，上位機(jī)和下位機(jī)的主從工作方式為工業(yè)控制及自動(dòng)控制系統(tǒng)所采用。由于PC機(jī)分析能力強(qiáng)、處理速度更快及單片機(jī)使用靈活方便等特點(diǎn)，所以一般都將PC機(jī)作為上位機(jī)，單片機(jī)作為下位機(jī)，二者通過(guò)RS2232或者RS2485接收、發(fā)送數(shù)據(jù)和傳送指令。單片機(jī)可單獨(dú)處理數(shù)據(jù)和控制任務(wù)，同時(shí)也將數(shù)據(jù)傳送給PC機(jī)，由PC機(jī)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理或顯示。

本文介紹PC機(jī)和單片機(jī)通信在一種基于C8051F單片機(jī)的波形發(fā)生器中的應(yīng)用，在上位機(jī)上顯示正弦波的幅值和頻率，由上位機(jī)發(fā)送指令可以改變波形幅度及頻率。

1 硬件電路的設(shè)計(jì)

MCS251 單片機(jī)有一個(gè)全雙工的串行通訊口UART,利用其RXD和TXD與外界進(jìn)行通信，其內(nèi)部有2 個(gè)物理上完全獨(dú)立的接收、發(fā)送緩沖器SBUF,可同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。所以單片機(jī)和PC機(jī)之間可以方便地進(jìn)行串口通訊。單片機(jī)串口有3條引線： TXD （發(fā)送數(shù)據(jù)） 、RXD （接收數(shù)據(jù)）和GND（信號(hào)地） .因此在通信距離較短時(shí)可采用零MO2DEM方式，簡(jiǎn)單三連線結(jié)構(gòu)。IBM2PC機(jī)有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的RS2232串行口，其電平采用的是E IA電平，而MCS251單片機(jī)的串行通信是由TXD （發(fā)送數(shù)據(jù)）和RXD （接收數(shù)據(jù)）來(lái)進(jìn)行全雙工通信的，它們的電平是TTL電平；為了PC機(jī)與MCS251機(jī)之間能可靠地進(jìn)行串行通信，需要用電平轉(zhuǎn)換芯片，我們采用了MAXIM公司生產(chǎn)的專用芯片MAX232 進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

電路如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)換芯片電路

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)分上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)和下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。這兩部分雖然在不同的機(jī)器上編寫和運(yùn)行，但它們要做的工作是對(duì)應(yīng)的：一個(gè)發(fā)送，另一個(gè)接收。

為了保證數(shù)據(jù)通信的可靠性，要制定通信協(xié)議，然后各自根據(jù)協(xié)議分別編制程序?，F(xiàn)約定通信協(xié)議如下： PC機(jī)和單片機(jī)都可以發(fā)送和接收。上位機(jī)和下位機(jī)均采用查詢方式發(fā)送控字符和數(shù)據(jù)、中斷方式接收控制字符和數(shù)據(jù)。采用RS2232串口異步通信，1位起始位， 8位數(shù)據(jù)位， 1位停止位，無(wú)奇偶校驗(yàn)，波特率9 600 b / s.每次PC機(jī)向單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，先發(fā)送握手信號(hào)"FF",下位單片機(jī)收到握手信號(hào)則發(fā)送應(yīng)答信號(hào)"EE"至PC機(jī)，上位PC機(jī)收到應(yīng)答信號(hào)后即發(fā)送數(shù)據(jù)。同樣，當(dāng)單片機(jī)要向PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，也先向PC機(jī)發(fā)聯(lián)絡(luò)信號(hào)"EB90",PC機(jī)收到聯(lián)絡(luò)信號(hào)后發(fā)應(yīng)答信號(hào)"EBOO",單片機(jī)收到應(yīng)答信號(hào)后則發(fā)送數(shù)據(jù)。

2.1 上位機(jī)通信程序設(shè)計(jì)

PC機(jī)的串口都采用的是INS8250芯片。PC機(jī)中有2個(gè)異步通信口，一個(gè)是COM1,其端口地址范圍是3F8H-3 FFH,另一個(gè)是COM2,其端口地址是2F8H-2FFH.其與MODEM配合可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。其波特率是標(biāo)準(zhǔn)波特率（50-9 600） b / s。

8250內(nèi)部有10個(gè)寄存器端口，其中有一個(gè)除數(shù)鎖存器，可以通過(guò)編程除數(shù)的大小來(lái)確定異步通信的波特率。8250使用的頻率是2 MHz的基準(zhǔn)時(shí)鐘輸入信號(hào)，所以必須用分頻的方法產(chǎn)生所需要的波特率（移位脈沖） .除數(shù)鎖存器的值必須在8250初始化時(shí)設(shè)置， 即把通信線路控制器的最高位（DLAB）置1,然后分兩次把除數(shù)鎖存器的高8位和低8位分別寫入端口地址3F8H和3F9H （COM1） ,8250傳送或接收串行數(shù)據(jù)時(shí)使用的時(shí)鐘信號(hào)的頻率是數(shù)據(jù)傳輸波特率的16 倍，即波特率= 16 ×除數(shù)/1 843 200.

在Windows平臺(tái)上的串行通信多使用其提供的AP I函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種方法使用起來(lái)需要許多底層設(shè)置，因而較為繁瑣，并且難以理解。Microsoft推出的ActiveX技術(shù)提供了另外一種實(shí)現(xiàn)串行通信的方法。這種方法不僅相對(duì)較為簡(jiǎn)單，而且非常實(shí)用。

尤其是Visual C + +這種可視化面向?qū)ο蟮木幊汰h(huán)境中，可以真正把串口看作一個(gè)對(duì)象，編程時(shí)只需簡(jiǎn)單的設(shè)置，理解起來(lái)也很容易。本文上位機(jī)通信程序使用VC + +提供的串行通信控件MSComm （Mi2crosoft Communication Control） ,主要步驟如下：打開VC + + 610集成開發(fā)環(huán)境，選擇菜單項(xiàng)File /New,在出現(xiàn)的對(duì)話框中選中Projects標(biāo)簽中的MFC App2Wizard （ exe） ,生成一個(gè)基于對(duì)話框的應(yīng)用程序。選擇菜單項(xiàng)Project/Add to p roject/Components andControls?,在彈出的對(duì)話框中選擇Registered Ac2tiveX Controls文件夾下的Microsoft CommunicationsControl, 選擇Registered ActiveX Controls 來(lái)注冊(cè)MSComm,將該控件從工具箱中拉到對(duì)話框中即可實(shí)現(xiàn)控件的插入。選擇ClassWizard為新創(chuàng)建的通信控件加入一個(gè)成員變量，將其命名為m_commute.

通過(guò)該成員變量便可以對(duì)串口屬性進(jìn)行設(shè)置。以下是通過(guò)設(shè)置控件屬性對(duì)串口進(jìn)行初始化：

BOOL CMyCOMMDlg: : OnlnitDialog（ ）

{

CDialog: : OnlnitDialog（ ） ;

/ /此處為應(yīng)用框架自動(dòng)生成代碼

m_commute. SetCommPort（1） ; / /使用串口1

m_commute. SetSettings（"9600,N, 8, 1"） ; / /波特率為9600,無(wú)奇偶校驗(yàn)， 8位數(shù)據(jù)位， 1位停止位

m_commute. SetRThreshold （10） ; / /每接收10個(gè)字符就觸發(fā)1次接收事件

m_commute. SetSThreshold （0） ; / /不觸發(fā)發(fā)送事件

m_commute. SetInputLen （10） ; / /每次讀操作從緩沖區(qū)中取10個(gè)字符

m_commute. SetInputMode （1） ; / /二進(jìn)制數(shù)據(jù)傳輸形式

m_commute. SetPortOpen （ TRUE） ; / /打開串口

return TRUE; / /返回

}

事件驅(qū)動(dòng)是處理串行端口交互作用的一種非常有效的方法。OnComm 事件的CommEvent屬性可以捕捉并檢查通信事件和錯(cuò)誤。發(fā)生通信事件或錯(cuò)誤時(shí)，將觸發(fā)OnComm 事件， CommEvent屬性的值將被改變，應(yīng)用程序檢查CommEvent屬性值并作出相應(yīng)的反應(yīng)。雙擊對(duì)話框中CMSComm控件，添加OnComm事件的代碼：

if （m_commute. GetCommEvent（ ） = = 2） / /判斷comEvReceive事件發(fā)生否

{

shortm_size =m_commute. GetinBufferCount（ ） ;

if （m_size = = 11） / /緩沖區(qū)為11個(gè)字符為滿

{

m_commute. SetInputLen （L） ; / /讀取接收到的數(shù)據(jù)

VAR IANT vRep ly =m_commute. GetInput （ ） ; / /處理接收到的數(shù)據(jù)

}

}

2.2 下位機(jī)通信程序設(shè)計(jì)

在上位機(jī)與多片單片機(jī)通信中，要保證主機(jī)與從機(jī)間可靠的通信，必須保證通信接口具有識(shí)別功能。而單片機(jī)串行口控制寄存器SCON中的控制位SM2就是為了滿足這一要求而設(shè)置的。且SM2控制位只在MCS51單片機(jī)的串行工作方式2與方式3才起作用。在串行口以方式2或方式3接收時(shí)，若SM2 =1,表示置多機(jī)通信功能位，這時(shí)出現(xiàn)兩種可能情況：接收到第9位數(shù)據(jù)為1時(shí)，數(shù)據(jù)才裝入SBUF,并置R I = 1向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求；如果接收到第9位數(shù)據(jù)為0時(shí)，則不發(fā)生中斷，信息被掉失。若SM2=0,則接收到的第9位數(shù)據(jù)無(wú)論是0還是1都產(chǎn)生R I =1中斷標(biāo)志，接收到的數(shù)據(jù)裝入SBUF中。根據(jù)上述情況MCS - 51多機(jī)通信過(guò)程安排如下：

（1）開始時(shí)設(shè)所有的從機(jī)SM2位為1 ,處于只接收地址幀的狀態(tài)（串行幀的第9位為1 ） ,對(duì)數(shù)據(jù)幀（串行口的第9位為0）則不做響應(yīng)。

（2）當(dāng)從機(jī)接收到主機(jī)發(fā)來(lái)的地址幀后，將所接收的地址與本機(jī)地址相比較，若地址與本機(jī)地址相符，便使SM2清零以接收主機(jī)隨后發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，對(duì)于地址不相符合的從機(jī)，仍保持SM2 = 1狀態(tài)，故不能接收主機(jī)隨后發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)信息。

（3）當(dāng)主機(jī)改為與另外從機(jī)聯(lián)系時(shí)，可再發(fā)出地址幀來(lái)尋找其它從機(jī)。而先前被尋址過(guò)的從機(jī)在分析出主機(jī)是對(duì)其它從機(jī)尋址時(shí)，恢復(fù)其SM2 = 1,等待主機(jī)的再一次尋址。

（4）從機(jī)要呼叫主機(jī)時(shí)，可先發(fā)送握手信號(hào)，主機(jī)檢測(cè)到有從機(jī)呼叫后，發(fā)出應(yīng)答信號(hào)，從機(jī)接收到主機(jī)應(yīng)答后，便可發(fā)送數(shù)據(jù)給主機(jī)。主機(jī)通過(guò)該信號(hào)來(lái)判斷從機(jī)所處的狀態(tài)，從而作出相應(yīng)的反應(yīng)。

設(shè)計(jì)單片機(jī)通信程序時(shí)，必須充分發(fā)揮單片機(jī)的效率。由于單片機(jī)多應(yīng)用于實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的控制場(chǎng)合，因此，應(yīng)將及時(shí)響應(yīng)和控制對(duì)象的動(dòng)作放在優(yōu)先考慮的位置，以盡量減少通信等輔助性操作所占用的CPU時(shí)間?；谏鲜隹紤]，筆者在設(shè)計(jì)單片機(jī)通信程序時(shí)，將通信程序分為接收中斷處理程序、發(fā)送中斷處理程序和通信處理程序3部分，并將這3部分程序巧妙地進(jìn)行組合，從而構(gòu)成整個(gè)單片機(jī)的通信程序。圖2給出了接收中斷處理子程序，圖3給出了發(fā)送中斷子程序。

圖2 接收中斷處理程序

圖3 發(fā)送中斷處理程序

3 結(jié)束語(yǔ)

本文給出了上位PC機(jī)與下位單片機(jī)之間進(jìn)行異步串行通信的解決方案，上位機(jī)通過(guò)友好的用戶界面，可給下位機(jī)發(fā)送控制指令。此方案在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，運(yùn)行穩(wěn)定，效果良好，從而較好地解決了上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信問(wèn)題。