（电路与系统专业论文）基于PC机和单片机主从式测控系统的设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 论文题目：基于p c 机和单片机主从式测控系统的设计 学科专业：电路与系统 研究生：李宁签名：查里 指导教师：王水鱼 签名：趁立么鱼 摘要 本文着力介绍了一种基于p c 机和多单片机组成的主从式测控系统的总体设计方案， 论文从硬件和软件两个方面对系统的设计进行了详尽地阐述。硬件方面，详细分析了系统 各电路的原理和实现方法；软件方面，详细介绍了上位机和下位机之间的串行通信，并且 实现了上位机人机界面的设计。 本设计实现了一种智能化的控制系统。系统的上位p c 机主要实现对各个下位机进行 实时控制，完成参数的设定和数据的显示、存储、打印等；下位单片机可以完成数据采集、 传送等实时控制任务。此系统解决了一台p c 机只控制一个下位机而造成p c 机资源严重浪 费的问题，实现了一台p c 机同时监控多个下位机工作状态的目的，每个下位机可独立进 行工作、互不干扰。 论文还简要分析了r s 一4 8 5 总线网络的组网原理和p c 机与多单片机之间的串行通信技 术，在此基础上设计了基于r s 一4 8 5 总线的通信系统，并对上下位机间的通信协议进行了 研究和制定。通信协议物理层应用r s 一4 8 5 总线接口标准：上位机标准串行接口经 r s 2 3 2 4 8 5 转换电路将r s 一2 3 2 电平转换为r s 一4 8 5 标准电平与下位机通信；下位单片机的 串行信号通过m a x 4 8 5 芯片将t t l 电平转换为r s 一4 8 5 标准电平实现网络通信。系统采用市 场上普遍使用的p c 机、8 0 5 1 单片机和电平转换芯片为主要构件，上位p c 机通信软件利 用w i n d o w s 平台，以v i s u a lb a s i c6 0 为开发工具进行编写，下位机通信软件运用汇编 语言进行编写，从而实现了上、下位机之间的串行数据通信。该系统具有良好的实用性。 关键词：串行通信；r s 一4 8 5 总线；主从式控制；v i s u a lb a s i c6 0 西安理工大学硕士学位论文 t i t l e ：t h ed e s i g no fc o n t r o ls y s t e mb a s e do np ca n d s l n g l e c h l p m a j o r - c i r c u i ta n ds y s t e m ， n a m e - n i n gl i s u p e r v i s o r - a s s o c i a t ep r o f s h u i y uw a n g a b s t r a c t s i g n a t u r e ：牡l s i g n a t u r e ： t h i sa r t i c l em a i n l yi n t r o d u c e saw h o l ed e s i g np l a no fm a s t e r - s l a v ec o n t r o ls y s t e mb a s e d o np ca n dm u l t i s i n g l ec h i p t h i sa r t i c l ee x p a t i a t e so nt h ed e s i g no ft h es y s t e mf r o mb o t h h a r d w a r ea n ds o f t w a r e i nr e l a t i o nt oh a r d w a r e ，t h ep r i n c i p l ea n dr e a l i z a t i o no ft h es u b c i r c u i t s o fs y s t e ma r ep a r t i c u l a r l yi n t r o d u c e d ；i nr e l a t i o nt os o f t w a r e ，t h es e r i a lc o m m u n i c a t i o nb e t w e e n t h eu p p e rp ca n dt h el o w e rs i n g l e - c h i pi si n t r o d u c e di nd e t a i la n dt h ed e s i g no fm a n c o m p u t e r i n t e r f a c ei sa l s or e a l i z e d t h i sd e s i g nr e a l i z e sa ni n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e m t h eu p p e rp cm a i n l yr e a l i z e sr e a l t i m e m o n i t o ro nt h ee a c hl o w e rs i n g l e c h i pa n dp e r f o r m sf o l l o w i n gf u n c t i o n s ：p a r a m e t e rs e t t i n g ，d a t a d i s p l a y , s t o r i n g ，p r i n t ，e t c t h el o w e rs i n g l e - c h i p sc a l la c c o m p l i s hm i s s i o n so fr e a l - t i m ec o n t r o l ， s u c ha sd a t ag a t h e r i n g ，t r a n s m i t t i n ga n ds oo n t h es y s t e mr e s o l v e sap r o b l e mw h i c ht h e r e s o u r c eo fc o m p u t e ri sg r e a t l yw a s t e d ，b e c a u s ea c o m p u t e rc o n t r o l sam e c h a n i c a lm o d e l t h e w h o l es y s t e ma t t a i nt h eg o a lt h a tm a n yl o w e rs i n g l e c h i p ss i m u l t a n e o u s l yc o n t r o l l e db yo n e c o m p u t e r , e a c hl o w e rs i n g l e c h i pc a np e r f o r mt e s t i n gi n d e p e n d e n t l ya n dd o e sn o ti n t e r f a c ew i t l l e a c ho t h e r t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo fr s 一4 8 5b u sn e t w o r ka n ds e r i a lc o m m u n i c a t i o n b e t w e e nac o m p u t e ra n dm a n ym c ub r i e f l y o nt h i sf o u n d a t i o n ，ac o m m u n i c a t i o ns y s t e m b a s e do nt h er s 一4 8 5b u si sd e s i g n e da n dt h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o lb e t w e e nt h eu p p e rp c a n dt h el o w e rs i n g l e c h i pi ss t u d i e da n df o r m u l a t e d p h y s i c a ll a y e rc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l a p p l i e sr s - 4 8 5i n t e r f a c es t a n d a r d s ：p cs e r i a li n t e r f a c es t a n d a r dt h r o u g hr s 2 3 2 4 8 5c o n v e r t e r c i r c u i tw i l lb ec o n v e r t e dt or s - 4 8 5s t a n d a r dl e v e la n dc o m m u n i c a t ew i t ht h el o w e rs i n g l e c h i p ； t h el o w e rs i n g l e - c h i p t t ll e v e lw i l lb ec o n v e r t e dt or s - 4 8 5s t a n d a r dl e v e lt h r o u g hm a x 4 8 5 c h i p t h e nt h es y s t e mm a i n l yc o n s i s t so fac o m p u t e r , 8 0 5 1 s i n g l e c h i p sa n de l e c t r i cs w i t c h c h i p ， w h i c ha r ev e r yp o p u l a ro np r e s e n tm a r k e t t h eu p p e rp cc o m m u n i c a t i o ns o f t w a r eu s e s i i a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n tt o o lo fv i s u a lb a s i c6 0t op r o g r a mi nt h ew i n d o w se n v i r o n m e n t ，a n dt h e l o w e r s i n g l e c h i pc o m m u n i c a t i o ns o f t w a r eu s e sa s s e m b l yl a n g u a g et op r o g r a m ，t h e r e f o r e ，s e r i a l d a t ac o m m u n i c a t i o nb e t w e e nu p p e ra n dl o w e rc o m p u t e r sa r er e a l i z e d t h i ss y s t e mh a sg o o d p r a c t i c a l i t y k e yw o r d s ：s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ；r s 4 8 5b u s ；m a s t e r - s l a v ec o n t r o lv i s u a lb a s i c6 0 i i i 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：奎童w ，6 年月他日 学位论文使用授权声明 本人 垒宝在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩， 并已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索：2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：二泣导师签名：垄塑垫么坠伽。g年月，夕 日 绪论 1 绪论 1 1 引言 计算机技术、自动化技术和通信技术是现代信息科学技术的重要组成部分，是现代科 学技术中的核心先导技术。计算机控制是计算机技术与自动控制理论、自动化技术紧密结 合并应用于实际的结果，它的应用领域非常广泛。 随着高性能计算机、网络技术及单片机技术的不断发展，不仅使计算机应用向网络化、 综合化、集成化、智能化发展，而且使单片机的应用也从独立的单机控制向多机联网的方 向发展，这就需要将各单机进行组网以进行相互通信，从简单的集中式控制逐渐向复杂的 分布式形式发展，于是出现了以通信网络技术为基础的新的控制形式。串行通信作为一种 简单、廉价的通信方式在控制工程中得到了广泛的应用，其中r s - 4 8 5 总线型控制系统得 到了推广和发展。由p c 机和多台单片机构成的多级网络测控系统已成为单片机技术发展 的一个方向。 在一个应用系统中，通常由p c 机对数据进行分析并处理，单片机则完成数据的采集 和上传等工作，复杂的还要建立数据库。在这样的系统中，单片机系统一般称之为下位机， 由p c 机、网络设备、数据库组成的应用部分则通称为上位机。二者结合，充分发挥了单 片机在实时数据采集和p c 机对图形处理、显示以及数据库管理上的优点，使得单片机的 应用已不仅仅局限于传统意义上的自动监测或控制，而且形成了以网络为核心的分布式多 点系统发展的趋势。这种发展的结果就使得数据通信在单片机应用系统中的作用越发重 要。 1 2 研究的背景及意义 在工业应用中，p c 机由于其优越的性能价格比和丰富的软件资源，已成为计算机应 用的主要机种。应用中我们常常会遇到若干任务需要同时执行的情况，单片机可以根据预 先设置的指令获取现场数据并完成规定的控制功能，从而能够解决此类问题，因此被广泛 的应用于工业检测与控制系统中。分布式控制为一种常用的控制方式，要实现分布式控制， 多采用主从式微机网络形式，每台独立的单片机不仅要按预先设计的程序工作，更多时候 需要根据来自上位机的控制指令适时调整工作程序。因此，各单片机之间、上位机与各单 片机之间需要信息的相互传递，这样就形成了一个以单片机为用户的网络“1 。不同于计算 机网络的是：网络中单片机的工作只能被动的发送或接收信息。与单个独立单片机系统不 同，网络中单片机的工作程序可以按照上位机的指令随时加以改变。上位机或称主控微机 能对整个网络的运行进行管理和控制，所以说是微机控制下的单片机网络。这种以p c 机 为中心控制机和以单片机为现场测控机的分布式控制系统可以广泛的应用于工业测控系 统中，而且具有很好的应用前景。 现代实时控制系统综合了多功能，要解决的不仅是系统局部最优化问题，而且要解决 西安理工大学硕士学位论文 整个系统的最优化设计，以保证整个系统各功能部件的协调工作。因而整个系统结构复杂、 规模庞大，计算机不仅要完成整个系统的控制任务，以保证动态最优化的实现；而且要对 生产的组织、决策等进行相应的规划管理，实现生产过程的静态最优化任务。因此，目前 对大系统的控制，普遍采用的是分解原则，将大系统分解成若干相对独立的小系统，利用 局部的控制器完成一个小系统的最佳控制，由监督管理计算机完成个子系统控制器的协调 工作，负责整个系统的各种管理。在这种分布式系统中，各个控制器安装于现场，信号传 输线路短，能及时处理控制对象的i o 数据，反应迅速，抗干扰能力强，减少通道上的信 息传输量，减少了对上一级计算机的要求。 在测控系统和工程应用中，还会经常遇到对多个检测对象进行检测与控制的情况，而 主从多机分布式测控系统就能很好地解决这一问题，它们大多由p c 机和单片机组成。单片 机由于其体积小、功能强、价格低廉、开发应用方便，尤其具有全双工串行通信的特点， 在工业控制、数据采集、智能仪器仪表等方面都有广泛的应用。而p c 机正好弥补了单片机 数据处理能力弱和软硬件资源贫乏的缺陷。各单片机独立完成数据采集和控制任务，同时 通过通信接口将检测数据传送给p c 机，p c 机将这些数据进行处理、显示或打印，并根据需 要把各种控制命令传送给单片机，以实现集中管理和最优控制。 因此，p c 机( 上位机) 与各单片机( 下位机) 之间的通信就显得尤其重要。 1 3 论文的主要工作 本论文主要研究的内容是设计以p c 机为主机、多个单片机为从机组成的主从分布式 测控系统。系统的工作过程为主机直接与单片机建立通信联系，而单片机之间不能直接进 行通信，通信时需要通过主机。通信方式有串行通行和并行通信两种，我们采用的是串行 通行方式。 论文的主要工作： 1 对基于p c 机和多单片机组成的总线型主从式测控系统的总体方案进行制定与设 计； 2 对p c 机与单片机之间的接口电路以及外围电路进行设计； 3 对通信总线和通信协议进行方案制定和设计； 4 建立数据库； 5 开发上位p c 机人机交互界面以及编制上位p c 机与下位单片机通信软件。 1 4 论文结构安排 为了使读者方便、快速地了解本论文的主要内容，这里从总体上简要介绍一下论文 的章节安排及内容。 第一章绪论。主要介绍本论文研究的背景、意义以及主要工作； 第二章系统总体方案的设计。给出了系统的结构简图并阐明了简图中各个部分的 功能和所要做的工作； 2 绪论 第三章串行通信技术概述。对数据通信基础、5 1 单片机串行接口和异步串行通信 接口标准进行了简要的介绍。 第四章系统硬件的设计。对组成各接口的关键电路进行设计和分析，以及对印刷 电路板进行了设计和测试。 第五章系统软件的设计。首先介绍了软件开发语言和对通信协议的制定，接下来 对上、下位机通信软件进行了设计，最后建立了数据库。 第六章主机人机交互界面的设计。首先对设计此界面的需求进行分析，接下来分 六小节阐述了该界面构成。 第七章对主从式系统进行实验测试。 第八章总结和展望。 西安理工大学硕士学位论文 2 系统总体方案的设计 2 1 系统总体设计 系统的总体方案设计，关系到系统功能模块的划分、硬件设备的选择和配备以及软件 的设计和编制。总体方案对整个系统的性能以及运行的可靠性有十分重要的意义3 1 。 本测控系统是由一台p c 机为上位机，多台8 0 5 1 单片机为下位机组成的主从式测控系 统，此系统达到合理使用资源的目的。 本测控系统工作过程如下：上位p c 机经过一定的程序后，向下位机发出信号，同时 准备向下位机发送数据或接收下位机发送上来到信号和数据。下位机一方面要响应上位机 发出的信号，另一方面接收数据或向上位机传输数据。当数据传输完毕，上位机可以把接 收到的数据进行显示、存储。 p c 机与多台单片机的配合是按需要将它们组成一定形式的网络，使它们之间相互通 信，以完成各种功能。目前，最常用的多机通信网络形式有以下4 种4 5 1 ： 串行总线型网络结构、环型网络结构、星型网络结构、树型结构，如图2 - 1 所示。 总线型环型星型树型 o v 众 占占占 麓孙 图2 1 四种计算机网络拓扑结构 f i g u r e2 - 1f o u rt o p o l o g ys t r u c t u r e so f c o m p u t e rn e t w o r k s 上述几种通信网络形式各有优缺点，其性能比较见表2 - 1 所示。 表2 - 1 计算机数据通信网络性能比较 殆6e2 1c 0 r a p a r i s o no fc o m p m e rd a t ac o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s 类漱可靠性接口复杂性组成灵活性通信效率价格控制 星型差简单好高高较复杂 总线型 较好简单很好 中等 较低 简单 环型 中等较简单较好中等较低简单 树型 好 复杂 差 最高很高很复杂 从表中可以看出，总线型网络结构接口简单、使用灵活，因此在本测控系统中使用 总线型网络结构，同时为了提高系统在通信过程中的性能和进行多机通信，我们在设计时 采用r s 一4 8 5 总线进行串行数据通信。 4 系统总体方案的设计 2 2 系统主要构成部分 本系统是建立在4 8 5 总线型网络基础上的主从分布式测控系统。系统中作为主机的 p c 机通过调用串行口控件和外部的r s 2 3 2 c 进行通信，r s 一2 3 2 c 和r s 一4 8 5 总线标准间通 过m a x 2 3 2 、m a x 4 8 5 两个芯片进行转换。各下位单片机和r s 一4 8 5 总线的连接通过m a x 4 8 5 芯片来实现。本系统的结构简图如图2 2 所示： 图2 - 2 系统总体结构 f i g u r e2 - 2g e n e r a ls t r u c t u r eo ft h es y s t e m 从结构上可以分为：上位p c 机部分、r s 2 3 2 接口电路部分、带光电隔离r s 2 3 2 4 8 5 转换电路、r s - 4 8 5 总线型通信网络部分和下位单片机部分。 1 上位p c 机 上位机作为主控机一般采用p c 机，放置在中央控制室，该上位机主要用来进行人机 交互，并向下位机发送命令和接收下位机做出的反应。设计人机交互界面的目的主要是为 了用户方便地使用该系统，我们采用v i s u a lb a s i c6 0 在w i n d o w s 平台上对上位机人机 交互界面进行设计。 具体实现功能： 主要承担复杂控制计算、数据显示等功能； 向下位机发出信号，接收、处理和存储下位机上传的数据； 对通信参数进行设置； 提供用户登录界面和帮助系统。 2 r s 2 3 2 接口电路 串行通信中，只有通信双方采用相同的接口标准，才能进行正常的通信，由于上位 p c 机的串行通信口采用的r s 一2 3 2 电平和下位单片机的t t l 逻辑电平不一致，所以我们必 须进行电平转换；此电路就是解决电平转换问题，对信息进行接收和发送，实现逻辑电平 转换我们采用m a x i m 公司生产的m a x 2 3 2 转换芯片。 3 带光电隔离r s 2 3 2 4 8 5 转换电路 r s 2 3 2 4 8 5 转换电路通过4 8 5 收发芯片和光电耦合器相结合，实现对收发芯片两端进 西安理工大学硕士学位论文 行电流隔离和总线信息收发。 4 r s 一4 8 5 总线型通信网络 分布式控制是一种常用的控制方式，要实现分布式控制，多采用主从式微机网络形式。 现代控制系统越来越复杂，一个系统往往由分散目标监控系统、数据采集系统、智能仪表 等几部分组成，自动控制系统大多为多站、远距离通信网络，r s - 4 8 5 总线的传输距离长、 抗干扰能力强，因此常采用r s - 4 8 5 总线进行网络通信。由m a x 4 8 5 收发器组成的差分平衡 系统，抗干扰能力强、适合于远距离通信，可组成满足r s - 4 8 5 标准的通信网络。 5 下位单片机部分 每个下位机是一个以8 0 5 1 单片机为核心，再配上必要的外围电路，如信号显示、键 盘和时钟电路等所构成的单片机系统。 该部分具体完成任务： 对上位机发出的信号做出响应； 完成与上位p c 机的数据传输； 进行数据采集。 2 3 系统主从通信的基本条件 为了确保主从测控系统通信的畅通，在通信过程中需要满足以下三个基本条件6 1 ： 1 系统中的各下位单片机都有各自唯一的地址码。 2 在系统中，主机直接与下位机建立通信联系，主机在通信中起主导作用，进行主动 通信，下位机为被动通信，各下位机之间不能进行直接通信，通信时需要通过主机；各下 位机在不进行通信时处于监听状态。 3 在通信的任意时刻，只允许主机和一台下位机进行通信，即一对一通信，而不允许 多个下位机同时通信。 6 串行通信技术概述 3 串行通信技术概述 3 1 数据通信基础 3 1 1 数据通信的概念 在实际工作中，计算机的c p u 与外部设备之间常常需要进行信息交换；一台计算 机与其他计算机之间往往也需要交换信息，所有这些信息交换都可称为数据通信。 数据通信方式有两种，即并行数据通信和串行数据通信。通常根据信息传送的距 离决定采用哪种通信方式“ 阳。 并行数据通信是指数据的各位同时进行传送的通信方式。其优点是传送速率快； 缺点是数据有多少位，就需要多少根传送线。 串行数据通信指数据是一位一位顺序传送的通信方式，它的突出优点是只需一对 传送线，这样就大大降低了传送成本，特别适合于远距离通信。所以本文采用串行通 信方式。 3 1 2 串行通信的传送方式 串行通信的传送方式通常有三种4 8 1 ：一种为单工( 或单向) 配置，只允许数据 向一个方向传送；另一种是半双工( 或半双向) 配置，允许数据向两个方向中的任一 个方向传送，但每次只能有一个站发送；第三种传送方式是全双工( 或全双向) 配置， 允许同时双向传送数据，因此，全双工配置是一对单向配置，它要求两端的通信设备 都具有完整和独立的发送和接收能力。图3 一l 所示为串行通信中数据传送方式。 la 发送器广1b 发送器l ( a ) 单工方式 a 接收器 数据流向 发送器 b 接收器 发送器 ( b ) 半双工方式 a 接收器 然借搋i 口j 。 b 接收器 发送器发送器 ( c ) 全双工方式 图3 1 串行通信的数据传输方式 f i g u r e3 一ls e r i a lc o m m u n i c a t i o nd a t at r a n s f e rm o d e 7 西安理工大学硕士学位论丈 3 1 3 异步通信和同步通信 串行通信有两种基本通信方式：异步通信和同步通信9 1 。 异步通信：异步通信规定了字符数据的传送格式，即每个数据以相同的帧格式传 送，每一帧信息由起始位、数据位、奇偶校验位和停止位组成，其格式如图3 - 2 所示。 l 丽蕊虿+ l l 一帧我露 l 图3 - 2 异步串行通信的数据格式。1 f i g u r e3 - 2d a t af o r mo fa s y n c h r o n o u ss e r i a lc o m m u n i c a t i o n 在通信线上没有数据传送时处于逻辑“l 状态。当发送设备要发送一个字符数 据时，首先发出一个逻辑“0 信号，这个逻辑电平就是起始位，当接收设备检测到 这个低电平后，就开始准备接收数据位信号。 当接收设备收到起始位后，紧接着就会收到数据位。数据位的个数可以为5 、6 、 7 或8 位的数据，在传送过程中，数据位从最小有效位( 最低位) 开始传送。 数据位发送完后，可以发送奇偶校验位，奇偶校验位用于有限差错检测，通信双 方在通信时须约定一致的校验方式。就数据传送而言，奇偶校验位是冗余位，但它表 示数据的一种性质，这种性质虽有限但很容易实现。 在奇偶位或数据位( 当无奇偶校验位时) 之后发送的是停止位。可以是1 位、1 5 位或2 位。停止位是一个字符数据的结束标志。 在异步通信中，字符数据以图3 - 2 的格式一个接一个地发送。在发送间隙，即空 闲时，通信线路总是处于逻辑“1 状态，每个字符数据的传送均以逻辑“0 开始。 在异步通信中，每一字符要用起始位和停止位作为字符开始和结束标志，以至占 用了时间。所以当传输的数据量很大时，为了提高通信速度，常去掉这些标志，而采 用同步传送。 同步通信：同步通信是通过同步字符在每个数据块传送开始时使收发双方同步。 同步通信数据传送格式如图3 3 所示。 匣霸磊互两圃一薮嘉病滠e 澄嚣卫诵圃 图3 3 同步步串行通信的数据格式 f i g u r e3 - 3d a t af o r mo fs y n c h r o n o u ss e r i a lc o m m u n i c a t i o n 在应用中，对于近距离的点点数据通信，若不要求太高的数据传输率( 例如不 超过9 6 0 0 b s ) ，传输信息量不太大，则通常采用设备简单控制容易的异步传输为好。 串行通信技术概述 这就是本系统设计采用异步通信的重要原因。 3 1 3 串行通信波特率的设定和接收发送时钟 波特率，即数据传送速率，表示每秒钟传送二进制代码的位数，它的单位是位 秒( b s ) 。波特率对于c p u 与外界的通信是很重要的。波特率是衡量传输通道频宽的 指标，它和传送数据的速率并不一致“1 。 异步通信的传送速度在5 0 1 9 2 0 0 b s 之间。常用于计算机到终端机和打印机之 间的通信、直通电报以及无线电通信的数据发送等。 在串行通信过程中二进制数字系列以数字信号波形的形式出现。不论接收还是发 送，都必须有时钟信号对传送的数据进行定位。接收发送时钟就是用来控制通信设 备接收发送字符数据速度的，该时钟信号通常由微机内部时钟电路产生。 在接收数据时，接收器在接收时钟的上升沿对接收数据采样，进行数据位检测； 在发送数据时，发送器在发送时钟的下降沿将移位寄存器的数据串行移位输出，如图 3 - 4 和图3 - 5 所示。 接收时钟 数据位 图3 4 接收时钟 f i g u r e3 - 4r e c e i v ec l o c k 发送时钟 数据位 图3 5 发送时钟 f i g u r e3 - 5s e n dc l o c k 接收发送时钟频率与波特率有如下关系： 收发时钟频率= r l 收发波特率：3 i ) 收发波特率：堕互塑堕燮其中频率系数n ：l ，1 6 ，6 4 。 ( 3 2 ) n 对于同步传送方式，必须取n = 1 ，即接收发送时钟的频率等于收发波特率。对 于异步传送方式，n = 1 ，1 6 ，6 4 ，即可以选择的接收发送时钟频率是波特率的1 ，1 6 ， 6 4 倍。因此，可由要求的传送波特率及所选择的倍数n 来确定接收发送时钟的频率。 接收发送时钟的周期t 。与发送的数据位宽t d 之间的关系是： t c = t d n( n = 1 ，1 6 ，6 4 ) ( 3 3 ) 若取n = 1 6 ，那么异步传送接收数据实现同步的过程如下：接收器在每一个接收时钟的 上升沿采样接收数据线，当发现接收数据线出现低电平是就认为是起始位的开始，以 后若在连续的8 个时钟周期( 因n = 1 6 ，故t d = 1 6 t 。) 内检测到接收数据线仍保持为低 电平，则确定它为起始位( 不是干扰信号) 。通过这种方法，不仅能够排除接收线上 的噪声干扰，识别假起始位，而且能够相当精确地确定起始位的中间点，从而提供一 9 西安理工大学硕士学位论文 个准确的时间基准。从这个基准算起，每隔1 6 t 。采样一次数据线，作为输入数据。一 般来说，从接收数据线上检测到一个下降沿开始，若其低电平能保持n t 。2 ( 半位时 间) ，则确定为起始位，其后每隔n t 。时间( 一个数据位时间) 在每个数据位的中间点 采样。 3 1 4 设备同步 设备同步，即同步发送设备和接收设备的工作节拍相同，以确保发送数据在接收 端被正确读出t 4 1 。 进行串行通信的两台设备必须同步工作才能有效地检测通信线路上的信号变化， 从而采样传送数据脉冲。设备同步多通信双方有两个共同的要求；一是通信双方必须 采用统一的编码方法；二是通信双方必须能产生相同的传送速率。 采用统一的编码方法确定了一个字符二进制表示值的位发送顺序和位串长度，当 然还包括统一的逻辑电平规定，即电平信号高低与逻辑“0 与逻辑“l 的固定对应 关系。 通信双方只有产生相同的传送速率，才能确保设备同步，这就要求发送设备和接 收设备采用相同频率的时钟。发送设备在统一的时钟脉冲上发出数据，接收设备才能 正确地检测出与时钟脉冲同步的数据信息。 3 1 5 串行通信协议 通信协议是对数据传送方式的规定，包括数据格式定义和数据位定义等。通信方 式必须遵从统一的通信协议。串行通信协议包括同步协议和异步协议两种，我们只讨 论异步串行通信协议1 0 1 1 1 。 要想保证通信成功，通信双方必须有一系列的约定，比如：作为发送方，必须知 道什么时候发送信息、发送什么、对方是否收到、收到的内容有没有错、要不要重发、 怎么通知对方结束等；作为接收方，必须知道对方是否发送了信息、发的是什么、收 到的信息是否有错、如果有错怎么通知对方重发、怎么判断结束等。 这种约定就叫做通信规程或协议，它必须在编程之前确定下来。要想使通信双方 能够正确的交换信息和数据，在协议中对什么时候开始通信、什么时候结束通信、何 时交换信息等问题都必须做出明确的规定。只有双方都正确的识别并遵守这些规定才 能顺利地进行通信。 1 起始位： 当通信线上没有数据被传送时处于逻辑“1 状态。当发送设备要发送一个字符 数据时，首先发出一个逻辑“0 ”信号，这个逻辑低电平就是起始位。起始位通过通 信线传向接收设备，接收设备检测到这个逻辑低电平后，就开始准备接收数据位信号。 起始位所起的作用就是使设备同步，通信双方必须在传送数据位前协调同步。 2 数据位 1 0 串行通信技术概述 当接收设备收到起始位后，紧接着就会收到数据位。数据位的个数可以是5 、6 、 7 或8 ，p c 机中经常采用7 位或8 位数据传送，8 0 5 1 串行口采用8 位或9 位数据传送。 这些数据位被接收到移位寄存器中，构成传送数据字符。在字符数据传送过程中，数 据位从最低有效位开始发送，依次在接收设备中被转换为并行数据。 3 奇偶校验位 数据位发送完后，便可以发送奇偶校验位。奇偶校验用于有限差错检测，通信双 方应约定一致的奇偶校验方式。如果选择偶校验，那么组成数据位和奇偶位的逻辑“l 的个数必须是偶数；如果选择奇校验，那么逻辑“l 的个数必须是奇数。 4 停止位约定 在奇偶位或数据位( 当无奇偶校验时) 之后发送的是停止位。停止位是一个字符 数据的结束标志，可以是1 位、1 5 位或2 位的低电平。接收设备收到停止位之后， 通信线路上便又恢复逻辑“1 状态，直至下一个字符数据的起始位到来。 5 波特率的设置 通信线上传送的所有位信号都保持一致的信号持续时间，每一位的宽度都由数据 传送速率确定，而传送速率是以每秒多少个二进制位来度量的，这个速率叫波特率。 如果数据以每秒1 0 0 个二进制位在通信线上传送，那么这个传送速率为i 0 0 波特。 3 25 1 单片机串行接口 3 2 1 单片机的串口结构 8 0 5 1 内部的串口是一个标准的全双工串口，支持4 种工作方式。对于波特率的设 定，可由软件设置。8 0 5 1 还为串口保留了一个中断源，因此对串口的接收和发送可以 选择中断方式或查询方式 1 2 1 。 对8 0 5 1 串口的访问和设置是通过访问其相关的特殊寄存器进行的，与8 0 5 1 串口 相关的特殊寄存器共有3 个：s c o n 、p c o n 和s b u f 。 1 串口控制寄存器s c o n 串口控制寄存器s c o n 主要用于设置串口的工作模式和串口中断的查询。其格式 为： 表3 - 1 串行口控制寄存器s c o n 的格式 d ， d 6d 5 d 4 d 3d 2d ld o s m os m ls m 2r e nt b 8r b 8t ir i 下面介绍各个位的功能： s m 0 、s m l ：为了适应不同的通信环境和接口的需要，单片机的串口提供了4 种 不同的工作方式；s c o n 寄存器的s m 0 和s m l 位就是用于设置串口的工作方式。 s m 2 ：串口多机通信控制位。当串d - l ：作方式被设为方式2 或方式3 时，如s m 2 = i ， 西安理工大学硕士学位论文 接收到的第9 位数据( r b 8 ) 为1 ，才将接收到的前8 位数据送到s b u f ，并置位r i 申 请中断；否则，将所接收的前8 位数据丢弃，且不置位r i 。而当s m 2 = 0 时，则不论第 9 位数据为0 还是为1 ，都将接收到的前8 位数据送到s b u f 并置位r i 申请中断。串 口使用工作方式1 时，若s m 2 = 1 ，在收到有效停止位后置位r i 。方式0 中，s m 2 应置 为o 。 r e n 允许串行接收控制。将其置为1 时允许接收。 t b 8 用于设置串1 2 1 i 作在方式2 和方式3 情况下要发送的第9 位数据，由软 件置位或复位。 r b 8 - 用于保存串口工作在方式2 和方式3 情况下要接收的第9 位数据。方式 0 下，该位无效。 t i - 串口中断发送标志。当串行口数据发送完毕时置位t i ，同时向c p u 发送 串口中断请求，c p u 响应中断后不对该位清0 。 r i ：串口中断接收标志。当串行口数据接收到一个数据时置位t i ，同时向c p u 发送串口中断请求，c p u 响应中断后不对该位清0 。 2 特殊功能寄存器p c o n 特殊功能寄存器p c o n 仅有最高位与串口有关，其结构如下： 表3 - 2 特殊功能寄存器p c o n 格式 t a b l e3 - 2p c o nf o r m a to fs p e c i a lf e a t u r er e g i s t e r p c o n 的最高位s m o d 为波特率倍增位，用于波特率的计算。当s m o d = i 时，波特 率加倍。系统复位时，s m o d = 0 。 3 发送接收缓冲器s b u f 串口中的发送接收缓冲器s b u f 实际上共有两个，分别为发送缓冲器和接收缓冲 器，他们在物理上是完全独立的，因此可以同时进行发送和接收。两个缓冲器共用一 个内存地址9 9 h 。 3 2 2 串口的工作方式 8 0 5 1 内部串1 2 1 的工作方式有4 种，由特殊寄存器s c o n 的s m 0 和s m l 位设定，4 种工作方式如表3 3 所示t 1 3 1 0 1 2 表3 - 3 串口4 种工作方式 工作方式s m os m l说明 o0 o 移位寄存器方式，波特率同定为振荡频率的1 1 2 1ol 1 0 位u a r t ，波特率可变 串行通信技术概述 续表 工作方式s m 0s m l 说明 21 0 1 1 位u a r t ，波特率同定为振荡频率的1 3 2 或l “ 31l 1 1 位u a r t ，波特率可变 1 工作方式0 将s m 0 、s m l 位设置为0 、0 ，则串d i 作在工作方式0 ，此时串行口是一个同步 移位寄存器。r x d ( p 3 o ) 作为数据传送端，t x d ( p 3 1 ) 作为同步移位脉冲输出，接 收、发送均为8 位数据，低位在先。 发送数据时，r x d 为数据发送端，t x d 以振荡频率的1 1 2 输出同步移位脉冲，将 s b u f 中的8 位数据从低位起依次发送。发送完毕后，硬件自动将中断标志t i 置1 。 再次发送数据前，需要软件将t i 清o 。 当r e n = i 时，单片机允许接收数据，此时r x d 为数据接收端，t x d 以振荡频率的 1 1 2 输出同步移位脉冲，接收数据被保存至s b u f 接收缓冲器中。接收完毕后，硬件 自动将中断标志r i 置1 。再次接收数据前，需要软件将r i 清0 。 在工作方式0 下，必须将s c o n 的s m 2 位置为0 。 2 工作方式1 将s m 0 、s m l 位设置为0 、1 ，则串口工作在工作方式l ，此时串行口是一个l o 位 异步串行接口( u a r t ) 。这里传送的一帧长度为1 0 位，包括1 位起始位、8 位数据位 和1 位停止位，不包括奇偶校验位。r x d 为数据接收位，t x d 为数据发送位，波特率 由定时计数器t l 的溢出率决定，因此是可变的。 所谓定时器t 1 的溢出率，是指单位时间内定时器t 1 的溢出次数。设定时器初值 为n ，则定时器溢出率的计算公式如下： t 1 溢出率：曼堡塑奎( 2 n n )( 3 4 ) 1 2 通常在t 1 被用作串口波特率的设置时，t 1 常被设置为工作模式2 ，即8 位自动 装入初值的定时器模式。此时，t l l 被用做8 位定时器，t h l 用于保存定时器初值， 当定时器t l 溢出时，会自动装载初值，无需进行软件处理。这样上述公式中的n 的 值为8 ，此时定时器溢出率的计算公式为： t 1 溢出率：曼堡塑奎( 2 s n )( 3 5 )t 1 溢出率= 里燮( 2 8 一n )(5 ) 1 2 而工作方式1 情况下，波特率的计算公式应为： ，s m o d 波特率= 寺定时器t 1 溢出中断 ( 3 6 ) j z 由此，可以求得定时器初值n 的值为： 西安理工大学硕士学位论文 5 6 一豢嬲 7 ， 2 5 6 一訇美爱萧 7 ) 这样就可以求出不同波特率对应的t l l 的初值。 3 工作方式2 将s m o 、s m l 位设置为1 、0 ，则串口工作在工作方式2 ，此时串行口是一个1 1 位异步串行接口( u a r t ) 。这里传送的一帧长度为1 1 位，包括l 位起始位、8 位数据 位、1 位自定义位和1 位停止位。r x d 为数据接收端，t x d 为数据发送端，发送时，自 定义位内容为t b 8 中内容，接收时，自定义位保存在r b 8 中。这种工作方式下，波特 率固定为单片机晶振频率的1 3 2 或1 6 4 ，该值由s m o d 位决定，当s m o d = i 时，波特 率为晶振频率的1 3 2 ，当s m o d = o 时，波特率为晶振频率的1 6 4 。计算公式如下： 波特率：三竺兰! 兰曼堡塑奎( 3 8 )波特率= 三鲨型鉴( 3 ) 6 4 发送数据时，