（计算机系统结构专业论文）计算机高级接口实验平台的研制与开发.pdf

中文摘要 。计算机接口技术”是一门实践性很强的课程，实验在这门课程中占有重要 的位置。但目前现有的实验设备无法完全满足当今的教学需要，为此，本文提出 了一种新型的计算机接口实验平台的设计与实现方法。该平台是以微控制器为核 心的嵌入式系统，它具有操作简便，接口丰富，实验直观等优点。 首先，本文分析了现有接口实验设备的不足之处，提出新型实验平台的设计 目标，并根据这一目标，从硬件和软件两方面，介绍了平台的总体框架设计。 之后，分4 章分别介绍了实验台串口，并口，红外以及u s b 实验的实现。在 每一章中先简要地介绍这种接口的原理，之后重点阐述这种接口在实验台中的实 现方法，最后介绍了与该接口相关的具体实验项目的设计。 在全文的最后，进行了总结并对实验平台的后续开发作了展望。 关键词：计算机接口；串行接口：并行接口；红外；u s b ； 分类号：t p 3 6 8 2 a b s t r a c t e x p e r i m e n t i sv e o yi m p o r t a n td m - i n gt h ep r o c e s so ft e a c h i n ga n dl e a r n i n g c o m p u t e ri n t e r f a c et e c h n o l o g yc 0 1 r s e o b u fa st h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e r i n t e r f a c et e c h n o l o g y , p r e s e n te x p e r i m e n ti n s t r u m e n t sd on o tc o m p l e t e l ym e e tt h e r e q u i r e m e n t s o , w cd e s i g n e da n di m p l e m e n t e de l a b o r a t e l yan c w - $ t y l cc o m p u t e r i n t e r f a c ee x p e r i m e n ti n s t r u m e n t , w h i c hi sa ne m b e d d e ds y s t o l nb a s e0 1 15 1s e r i e s m i c r o - c o n 臼o u e r rh a sm a n ya d v a n t a g e s , s u c ha sc o n v e n i e n m a n i p u l a t i o n , v a r i o u s i l l t e r f a c e s , a n di n t u i t i o n i s f i cp r o c e s s i nt h i sp a p e r ，f i r s t l yw ci l l u s u a t et h ed e f e c t so fu a d i t i o n a lc o m p u t e ri n t e r f a c e e x p e r i m e n te q u i p m e n t su s e db yp r e s e n tt e a c h i n g , a n dp u tf o r w a r dt h ed e s i g n e dt a r g e to f t h en c w s t y l ei n s t r u m e n ta c c o r d i n gt ot h i st a r g e t , f r o mh a r d w a r ea n ds o f t w a r et w o a s p e c t s ，t h eg e n e r a ld c s j 删f l l n ci sp r e s e n t e d s e c o n d l y , f r o mc h a p t e r3t oc h a p t e r6 ，t h ef o u rp a r t sp r e s e n tt h ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no fr s 2 3 2 ，p a n f l l e lp o r t , i r d aa n du s be x p e r i m e n ts e p a r a t e l y i ne v e r y c h a p t e r , f l s tw c d e s c r i b et h ep o r ts i m p l y , t h e ni n t r o d u c et h ei m p l e m e n t a t i o no f t h i sp o r t i no u rs y s t e mi nd e t a i l ，f i n a l l yd e p i c tt h ec o n c r e t ee x p e r i m e n tc o n t e n t i nt h ee n d ，t h e r ea r es u m m a r yo ft h i sp a p e ra n dp r o s p e c to fs u b s e q u e n t d e v e l o p m e n t k e y w o r d s ：c o m p u t e ri n t e r f a c e ；u a r t ：p a r a l l e lp o r t ：i r d a gu s b ： c l a s s n o ： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：双 导师签名： 签字日期：训1 年f i - 月vp t 签字日期： ：呵f升 剌f 掺 当 蝴 弼矽 ，f口 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 致谢 本论文工作在选题、收集资料、制定工作方案、具体实施以及写作的每一个 阶段都是在我的导师周洪利副教授的悉心指导下完成的。他曾给予我大量耐心而 细致的指导，他清晰的思路，敏捷的洞察力，严谨的工作态度和丰富的实践经验 给我留下了深刻的印象，使我受益匪浅。从周老师身上，我不仅学习到了很多知 识，更重要的是学到了精益求精、学无止境的治学精神。感谢周老师两年多来对 我学业上、生活上的关心，对我各方面能力的培养。 衷心感谢陈连坤副教授在我论文写作期自j 对我的帮助与指导。感谢我实验室 的每一位同学。在日常生活和科研学习过程中，他们与我互相学习，共同探讨， 解决科研过程中的难点，在生活中给予了我无私的帮助和关怀。 最后，再次对在我读研期间所有关心、支持我的老师、同学们致以衷心的感 谢和深深的祝福。感谢他们对我的学习和论文工作所给予的无私帮助，祝福他们 在今后的学习和工作中更上一层楼! 1 1课题背景 1 绪论 “计算机接口技术”是研究处理器如何与外部设备进行连接，实现两者之间 高效可靠的信息交换的一门技术。接口技术综合性很强，涉及到微机原理、程序 设计、电子技术以及通信技术等多门课程的基础理论和专业知识。 “计算机接口技术”这一课程具有以下特点： 接口技术不断发展，课程应着重介绍当前主流接口； 强化实践环节，注重培养学生的动手能力； 接口技术中硬件与软件结合紧密； 当i ； 接口技术的实际应用往往和操作系统密不可分。 接口技术的特点决定了它是一门实践性很强的课程，除了课堂理论学习外， 还需要强有力的实践环节与之配合，否则，学习效果必然大打折扣。但在长期以 来，由于种种原因，计算机接口实验这一问题未能得到很好的解决。为了适应现 代教学实验的要求，迫切需要设计一个功能强大，操作方便，内容丰富的综合实 验平台。乖是在此基础上，我们研制开发了这个计算机高级接口实验平台。本课 题的宗旨是为大、中专院校学生学习“计算机接口技术”课程提供一个先进的实 验平台。对目前的实验设备的局限性，做出一定的改良，并依据现有的技术尽量 使学生在实验过程中有更直观的感受。其意义在于让学生有一个更好、更方便、 更直观的实验设备，从而达到更好的实验效果。 该实验平台与接口课程的教学大纲紧密结合，相互补充，教材中涉及的接口 实例，可以通过实验平台进行实际操作和实验，真正做到课堂原理讲授和实践环 节一脉相承。这不仅对提高学习效率和教学效果十分有利，而且对培养学生理论 联系实际，增强分析与解决实际问题的能力也十分有利。 1 2 现有的计算机接口教学仪器的比较 成功设计一款新型的教学仪器需满足以下两个基本要求，其一是符合教学大 纲的内容；其二是超越目前现有产品。为此，首先有必要做一些基本的市场调查。 本文列出若干市场产品的主要性能和设计思想。 当前国内开发和生产计算机接口实验系统的厂家很多，如启东达爱思计算机 公司、胜西公司、华工赛百数据系统公司。使用这些公司的实验系统都能完成计 算机接口的基本实验，如8 2 5 5 的实验、8 2 5 3 的实验、a d 转换实验、d a 转换实 验、中断实验等。但专门用于接口实验的实验设备较少。 e l 系列微机接口与单片机实验开发系统 e l 系列实验系统是北京精仪达盛科技有限公司生产的，由一块c p u 板、通用 实验板、可扩展单元三部分组成。这种实验系统可以完成微型计算机原理及应 用和微型计算机接口两门课程的基本实验，另外还可以利用面包板进行其 它扩展实验。系统采用模块化设计，配有系统调试界面软件。系统调试界面软件 分d o s 版和w i n d o w s 版两种版本，均为中文多窗口界面：该系统由于采用c p u 与接口电路分体设计，只需更换不同的c p u 板即可完成系统的升级换代。 华工赛百数据系统公司的m f i d 2 型实验系统 m f i d - 2 型实验系统主要由功能实验板、i s a 或p c i 接口板和扩展主板三部分 组成。其实验组建方案主要是计算机+ 实验系统+ 示波器口该系统的主要特点是， 采用模块化设计，提供了灵活性，通过实验系统各个模块的灵活组合，学校可自 行开发其他实验项目。同时它也配备了开发应用版和演示版的集成软件，有效提 高了实验效率、实验成功率和教学质量。 d i c e 8 0 8 6 b 液晶显示微机原理实验仪。 “三合一”教学实验系统是由沈阳明大公司生产的十六位微机原理及微机控 制技术等课程的教学实验设备，支持8 0 8 6 十六位微机、8 0 9 8 等c p u m c u 的各种 软件、硬件实验。以8 0 8 8 c p u 为主，以最小工作方式构成独立的微机系统。配有 标准a s c i 码键盘。可从键盘直接输入汇编语言或调试程序，并具有反汇编功能。 具有d e b u g 操作界面以及与p c 机兼容的b i o s 功能调用界面。提供各种标准外 设接口：打印机接口，r s 2 3 2 c 异步通讯接口等 d v c c - 8 6 j h 型8 0 8 6 通用微机原理及接口实验系统 d v c c 一8 6 j h 是启东计算机厂有限公司和东南大学合作推出的通用微机原理 及接口实验系统，能完成典型的计算机硬件接口实验，具有支持w i n 9 x n t 窗口 的界面调试软件和实验演示软件，实验板是分立的，可由用户选择购买，各实验 板具有和实验装置的接口，如键盘、l e d 显示器等。 由以上分析可以看出当前的接口课程实验装置大致有两类：一类是由 8 0 8 6 8 0 8 8 搭成的小型系统，在接口技术飞速发展的今天，这个显然已经显得过于 简陋，不利于学生和实际应用相结合，也不利于学生掌握计算机体系结构的概念 另一类是在i s a 总线上做一些计算机接口的实验，虽然i s a 是很好的教学用总线， 但随着计算机技术的发展，i s a 已经逐渐推出了历史舞台。 虽然以上这些实验仪在功能上不尽相同，但存在的问题却有共同点： 2 实验内容陈旧，缺乏针对新型接口的实验，如u s b 、i r d a 、蓝牙等； 操作复杂且不够直观，学生上手困难，实验效果不理想； 由于设备自身的局限性，无法将所有的实验都集成于一个小的实验设备 上，导致产品功能单一； 实验设备没有扩展的余地，实验仪器后续发展的空间较为狭小； 实验项目的实用行较差，与实际的操作系统环境下的应用程序开发有一定 距离。 1 3计算机接口实验平台的设计概要 本课题针对现有计算机接口实验装置所存在的种种不足，根据计算机接口课 程的教学大纲以及从事计算机接口实验教学的教师对实验装置提出的要求，认为 该实验台的设计目标应包括如下几点： 接口类型丰富。既具有串口，并口等传统接口，还涉及红外，蓝牙，u s b 等新型接口。 用户操作方便。实验项目的选择和设置都采用菜单式结构，每项实验都配 有详细的实验说明，使学q 三易于上手。 实验过程直观。液晶屏的反馈信息使学生对实验结果一目了然，帮助学生 及时发现并解决问题。 内容面向实用。实验项目设计方面紧贴实际应用，面向w i n d o w s 环境下 的接口应用程序开发。 具有良好的扩展性。软件采用模块化编程，易于后续实验项目的扩展。 3 2 实验平台的总体设计 2 1实验平台的硬件设计 实验平台的设计目标决定了其硬件架构，包括以下几点： 需要选择功能强大，内部资源丰富的微控制器作为其核心器件； 需要具备大屏幕的液晶显示屏用于信息的输出； 需要提供多个按键供用户对实验台操作； 需要具备串口，并口，红外，蓝牙，u s b 等多种接口。 综上，实验平台的总体硬件架构如下图： 键盘输入 k e y 0o - k e y i o 一 k c , 7o 啼 图2 - 1 实验平台总体硬件架构图 2 1 1实验平台微控制器选型 微控制器( m c u ) 是整个系统的核心器件，它的选择将直接影响到系统的性 能。基于以下两个原因，实验台采用了美国c y g n a l 公司的c 8 0 5 1 f 1 2 0 混合信号微 控制器。 1 性能卓越。内核采用流水线结构，速度可达1 0 0 m i p s ，比普通的5 1 快4 0 倍，能够同时满足液晶控制，按键处理及数据传输等多项任务。 4 2 资源丰富。具有8 个8 位的双向i o 端口，内部集成了a d 、d a 、定时 计数器、s p i 、1 2 c 、u a r t 等器件，极大地降低了系统的复杂性。 此外它还具有体积小、功耗低、集成度高、调试方便等众多优点。下面列出了一 些主要特性： 高速、流水线结构的8 0 5 1 兼容的c i p 5 1 内核( 1 0 0 m i p s ) ； 真正8 位5 0 0 k s p s 的a d c ，带p g a 和8 通道模拟多路开关； 两个1 2 位d a c ，具有可编程数据更新方式； 2 周期的1 6 1 6 乘法和累加引擎； 8 4 4 8 ( 8 k + 2 5 6 ) 字节的片内r a m ； 可寻址6 4 k 字节地址空间的外部数据存储器接口( 可编程为复用方式或者 非复用方式) ； 硬件实现的s p i 、s m b 璐，1 2 c 和两个u a r t 串行接口； 5 个通用的1 6 位定时器； 具有6 个捕捉比较模块的可编程计数器定时器阵列； 片内看门狗定时器、v d d 监视器和温度传感器； 具有片内v d d 监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的c 8 0 5 1 f 1 2 0 是真正 能独立工作的片上系统。所有模拟和数字外设均可由用户固件配置为使能或禁止。 f l a s h 存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现 场更新固件。 片内j t a g 调试电路允许使用安装在最终应用系统上的产品微控制器进行 非侵入式( 不占用片内资源) 、全速、在系统测试。该测试系统支持观察和修改存 储器和寄存器，支持断点、观察点、单步及运行和停机命令。在使用j t a g 调试时， 所有的模拟和数字外设均可全功能运行。 每个微控制器都可在工业温度范围( _ 4 5 + 8 5 ) 内用2 7 v - 3 6 v 的电 压工作。端口i ，o 、r s t 和j t a g 引脚都容许5 v 的输入信号电压。c 8 0 5 1 f 1 2 0 为 1 0 0 脚t q f p 封装。 2 1 2实验平台的液晶显示屏选型 为了使实验过程直观，需要为系统配备一块合适的液晶显示屏。该显示屏应 满足以下几个要求： 1 点阵不能太小，否则不足以显示实验过程中的大量信息。 2 液晶自带控制器。 3 支持图形显示模式。 考虑到以上三点，我们选用的是北京青云创新科技发展有限公司的 l c m 3 2 0 2 4 0 1 点阵型液晶显示模块，点阵为3 2 0 x 2 4 0 。内部采用s e d l 3 3 5 控制器。 它主要的指标如下： l c m 3 2 0 2 4 0 1 显示内容3 2 0 x 2 4 0 点阵，点大小0 3 4 x 0 3 41 1 1 1 1 1 2 ，点间距 0 0 2 m m ； 显示类型：s t n 蓝模式( 蓝底白字) ，6 ：0 0 视角，负向显示； c c f l 背光或l e d 背光： t 作电压：3 5 v ，不含背光工作电流：9 0 1 0 0 m a ( 典型值) ； 工作温度：一2 0 7 0 ，储存温度：- - 3 0 8 0 ； 控制器s e d l 3 3 5 ，芯片封装s m t ； 改进增强型液晶显示模块，美国专用d c - - d c 电源 l c m 3 2 0 2 4 0 模块的外观如下图所示： 图2 - 2l c m 3 2 0 2 4 0 外观图 s e d l 3 3 5 的特性： s e d l 3 3 5 控制器在同类产品中功能最强，具有以下特点： 有较强功能的i ，o 缓冲器； 指令功能丰富； 具有文本、图形、文本与图形联合等三种显示方式； 具有垂直、水平滚动功能； 图形方式下有三重屏幕显示； 四位数据并行发送，最大驱动能力为6 4 0x2 5 6 点阵。 6 s e d l 3 3 5 电路原理框图分别见下图： 图2 - 3s e e d l 3 3 5 电路原理图 2 1 3实验平台的按键设计 实验台为用户提供了8 个按键作为系统的输入，用于选择、设置和控制实验， 键盘部分的电路如下图： 图2 4 实验台键盘电路图 2 1 4 实验平台的接口及相关器件 目前实验台提供的所有接口包括： 7 r s 2 3 2 ：标准电平r s 2 3 2 c ，接口连接中包括全部d b - 9 联络线； 1 - r l 2 3 2 ：3 3 v 电平的9 线串行接口，同时可以作为普通的数字l ，o 接口， 通过软件编程实现特定的i ，o 功能； p a r a l l e l ：标准并行接口，支持s p p 、p s ，2 、e p p 和e c p 模式，将实验 台仿真成不同的标准并行接口外设。两一方面，可以直接通过该接口控制l c d 显 示器： u s b 接口，u s b l 1 标准，支持低速和全速模式； i r d a 红外线接口，实现s i r 模式传输，支持高层i r d a 协议； s p ! 接口，提供标准的3 线s p i ，同时用于连接m m c ，s d 存储卡，实验台 具备一个m m c 卡座，可以通过其他接口编程实现m m c 卡的f a t 格式文件； 1 2 c 接口，提供标准的2 线1 2 c i a v o u t 模拟输出接口，2 个通道，可以实现1 2 位模拟输出，可以编程实现 信号发生器： a v i n 模拟输入接口，8 个通道，内含可编程序放大器、采样保持器和基准 电压，可以实现1 2 位1 0 0 k s p s 模拟输入。 接口器件包括： m a x 3 2 3 8 ：用于实现丌l 电平与r s 2 3 2 电平之间的转换 p d l u s b d l 2 ：用于实现u s b 底层协议。 m c p 2 1 5 0 ：用于实现红外协议。 各接口的详细硬件电路及器件说明将在后续章节中给出。下面是实验平台的总 体电路图及实物图。 2 1 5实验平台总体电路图 图2 - 5 实验台总体硬件电路图 9 2 1 6实验平台实物图 正面： 背面： 图2 - 6 实验台实物图( i f 面) 图2 - 7 实验台实物图( 背面) 1 0 2 2 实验平台的软件设计 2 2 1实验台软件模块 在程序设计过程中，模块化已成为一种普遍接受的方法。模块化设计可以降 低程序的复杂性，使程序易于理解、扩充和修改。 在本实验台的软件设计过程中，主要的模块包括：设置菜单模块，实验说明 模块，液晶显示模块，按键检测模块以及各接口模块。 设置菜单模块 为了便于用户操作，对实验项目的设置通过菜单实现。 下图是串行接口基本实验的设置菜单： 图2 - 8 串口传输实验设置菜单 用户通过上、下键选择某项参数，通过左、右键对该参数进行设置。设置完 成后，如果选择“确定”，将使设置生效，并进入该实验：如果选择“放弃”，则 设置无效，退回前一菜单， 所有实验项目采用统一的实验设置数据格式。每个设置项被定义为m e n u i t e m 结构体类型： s l n j c t m c n u i t e m c h a rs e t u p t y p e ； ，设置参数类型 c h a rs e t u p s t a r t x ； 显示横坐标 c h a rs e t u p s t a y ，显示纵坐标 c h a r s e t u p t e x t ； ，说明字符串指针 c h a r * s e t u p v a l u e i 参数字符串指针，以。，。分隔的多个参量 若干条设置项构成一个菜单，上图的设置菜单有7 条设置项组成： s t r u c tm e n u l t e mc o d eu a r t s e t u p 7 = m i e n u m ，2 4 ，4 0 ，。接口速率：”，1 3 6 , 5 ，2 4 0 0 ，4 8 0 0 , 9 6 0 0 ，1 9 2 0 0 ，5 7 6 0 0 , “， m i _ _ e n u m , 2 4 ，5 6 ，”数据位数：”，1 3 6 , 2 78 ”， m i e n u m , 2 4 ；7 2 ，”停止位数：”，1 3 6 , 3 ，l ，1 5 ，2 ，。， m i e n u m ，2 4 ，8 8 ，”校验设置2 ”，1 3 6 , 3 , n o n e , o d d ，e v e n ，”， m l e n u m ，2 4 ，1 2 0 , 显示模式：”，1 3 6 , 2 ，字符串，十六进制”， m i _ _ e n u m ，2 4 , 1 3 6 , 显示字体：”，1 3 6 , 2 ，大字体，j 、字体”， m i e n u m ，2 4 ，1 6 8 , 数据回传：”，1 3 6 , 4 ，2 不回传，回传，大写交换 ，j 、写变换，”， ) ； 将该结构体数组作为参数传递给设置菜单函数s e t u p m e n u 0 ，即生成了上图的设 置菜单。 实验说明模块 为了便于用户明确各项实验的内容，每个实验项目都带有实验说明。在主菜 单或该项目的设置菜单点击“说明”按钮进入实验说明。 下图是串行接 g p s 模拟传输实验的实验说明： 图2 - 9 串行接口g p s 模拟传输实验实验说明 阙读实验说明后按“确定”键返回，如果说明内容较多，一屏显示不下，可以 按上下键翻页。 液晶显示模块 液晶显示模块负责液晶屏的显示控制。基本的函数有两个d p r i n t f ( i n tx , i n t y , c h a r p t r ) 和p o i n t ( i n tx , i n ty ) d p r i n t f t ) 功能：在屏幕x ，y 处显示字符串p 乜，其中的汉字以1 6 x 1 6 点阵显示， 英文字符可以选择以1 6 x 8 或8 5 大小两种字体显示。 p o i n t ( ) 功能：在屏幕x ，y 处显示一个点。显示直线、矩形、圆等其它几何图 形的函数都是在该函数的基础上，附加几何算法实现的。 按键检测模块 主程序中采用定时查询的方式来实现按键检测，一个定时器被设置为1 0 m s 定 时，在其中断中设置一个按键检测标志位，主程序检测到该标志位时则进行键盘 检测。键盘检测时k e y ：被簧为低电平，如果某个按键被按下则电路被导通，相 应的m c u 管脚被拉低，否则m c u 管脚保持高电平。如果发现某个管脚在连续五 次检测中都为低电平，即按键的时间超过5 0 毫秒，则认为按键发生了一次。持续 按键以每秒4 次计算。 各接口模块 各接口模块实现了实验台通过某种接口与外界进行双向的数据传输。具体的 实现过程将在串口、并口、红外、u s b 接口实验设计几章中详细介绍。 2 2 2实验台软件流程 实验台上电后进入主菜单界面，等待用户选择实验。目前实验台共支持7 项 实验。如下图： 图2 1 0 实验台主菜单 用户选择某一实验项目后进入该项目的设置菜单，之后可以选择“放弃”回 到主菜单或“确认”进入该实验。在实验过程中，用户通过按键对实验台进行控 制，按键的功能与具体的实验设计有关，选择“退出”则退出实验，返回主菜单 另外用户可以随时使用“说明”键来查看实验说明。 实验台状态图如下图： | 鳘| 2 - 1 1 实验台状态酗 1 4 3 串行接口实验设计 3 1串行接口r s 2 3 2 标准简介 串行传输的特点是所传输的数据在传输线上一位一位的传送，这根线既作为 数据线又作为联络线，既要传输数据信息又要传输控制信息。为了区分这两种信 息和正确的解析出数据，通信双方必须事先约定好通信的格式和通信速率。 3 1 1r s 2 3 2 标准基本特征 r s 2 3 2 ( 又称e i ar s - 2 3 2 c ，以下简称r s 2 3 2 ) 是在1 9 7 0 年由美国电子工业协 会( e i a ) 联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串 行通讯的标准。它是一种全双工的传输标准( 即可以同时进行数据接收和发送) 。 r s 2 3 2 标准最初是为远程通信连接数据终端设备d t e 与数据通信设备d c e 而制 定的。这个标准对串行通信接口的有关问题，如信号功能、电气特性和机械特性 都作了较明确的规定。由于很多通信设备都与r s 2 3 2 标准兼容，因此它己成为目 i i i 微机串行通信接口中使用最广泛的一种标准。 目前r s 2 3 2 接口多采用9 d b 连接器： g n d 就绪 d t r 数据 t 】o 数据 r x d 硷测 c d 剐，振铃指示 c l s允许发送 r 下s 请求发迸 d s r 设备就绪 图3 - 1r s 2 3 2d b 9 连接器线序 r s 2 3 2 标准对信号的逻辑电平、最高数据传输速率和各信号功能都作了规定。 为了提高抗干扰能力和增加传送距离，r s - 2 3 2 选择一1 5 v 一3 v 和+ 3 v 十1 5 v 正负 电压区间来传输信号，这样连接电缆最远可以达到5 0 英尺( 1 5 2 4 m ) 。各信号定 义如下： g n d ：信号地，其他各信号电压的参考点。 t x d ：发送数据，由d t e 发至d c e 的数据信号。 1 5 r x d ：接收数据，由d c e 发至d t e 的数据信号。 r t s ：请求发送，由d t e 发至d c e 的信号，表示d t e 要向d c e 发送数据。 c t s ：清除发送，由d c e 发至d t e 的信号，表示d c e 已准备好接收数据。 d s t ：数传设备就绪，由d c e 发至陋的信号，表示d c e 已与通信信道相 连接。 d t r ：数据终端就绪，由d t e 发至d c e 的信号，表示d t e 准备发送数据至 d c e 。 l u ：振铃指示，由d c e 发至r e 的信号，砌为正电压时，指示d c e 正在接 收振铃信号。 c d ：载波信号检测，当d c e 接收到满足要求的载波信号时，d c d 便是正电 压，这个信号可用来驱动载波检测发光二极管。 3 1 2r s 2 3 2 接口传输过程 在异步通信中，由于被传送的字符出现在数据流中的相对时问是任意的，随 机的。为了确保通信的正确性，在数据格式中设置起始位和停止位，发送端在一 个字符一式发送之前先发送一个起始位，而在该字符结束时再发一个( 或几个) 停止 位。接收端在检测到起始位时，便知道数据将要到达，准备接收数据：当检测到 停止位时，则知道字符已结束。由于这种通信是靠起始位和停止位来进行字符同 步的，故称之为起止式数据结构。起止式帧数据格式如下图： iii ：卜藏n 个宁节 一霁詈吾 ：嘲 姗 ： ( 1 位)( 5 8 能)( i 住，l 2 位) ( 位数不限) 图3 2 串行接口起止式帧格式 每帧信息有4 部分组成： 1 1 位起始位( 低电平，逻辑o ) ； 2 5 8 位数据位紧跟在起始位后面，即要传送的有效数据； 3 1 位校验位( 也可以没有校验位) ； 4 1 位停止位( 也可以是1 5 位或2 位) ，停止位之后是不定长的空闲状态。 传输开始之前，通信双方必须约定好数据传输速率和帧格式( 包括字符的数据 位位数，停止位位数，有无校验及流控) 。传输开始后，接收设备不断地检测传输 线，当检测到一个下降沿时，说明起始位出现，经过确认后，就开始接收事先约 定好位数的数据位，校验位( 可能没有) 和停止位。之后把数据位拼装成一个字节， 经奇偶校验无误后则成功接收一个字节数据。一个字符接收完毕后，接收设备又 继续检测传输线，等待下一个字节的到来，如此反复，直至全部数据传送完毕。 3 2 实验台串行接口实现 3 2 1串行接口电路连接 r s - 2 3 2 采用正负电平来表示逻辑状态： 逻辑i 对应3 v 1 5 v ；逻辑0 对应+ 3 v + 1 5 v 。 而实验台采用丌l 高低电平表示逻辑状态： 逻辑l 对应3 v ；逻辑0 对应0 v 。 因此，为了实现通信，必须在r s 2 3 2 与实验台之间进行电平和逻辑关系的变 换。实验台采用m a x 3 2 3 8 芯片，它是m a x i m 公司生产的9 线r s 2 3 2 电平转换 芯片，可以实现r s 2 3 2 接口全部信号的电平转换。 虽然c 8 0 5 1 f 1 2 0 微控制器内部集成有u a r t ( 通用异步接收发送器) 模块可以实 现串行通信，但其传输方式不够灵活，例如无法设置数据位数，不具有流控功能， 不能完全满足实验要求。因此实验台通过微控制器的通用1 0 端口利用软件实现了 串口通信功能。 r s 2 3 2 连接器连接m a x 3 2 3 8 芯片进行r s 2 3 2 电平到t r l 电平转换，转换后 的信号在接入微控制器的通用i o 端口，电路图如下： 1 7 围3 - 3r s 2 3 2 接口电路图 3 2 2串行接口软件实现 接收数据 进入串行接口模块后，通过设置交叉矩阵将外部中断0 引到r x d 信号线上， 并将外部中断设置为下降沿触发。这样，每当r x d 线上出现一个下降沿，都会引 发一个外部中断。在中断中设置定时器定时长度为半个位长，定时器到时后检测 r x d ，如果为低电平则确认为起始位，否则认为之前的下降沿是有干扰引起的，返 回空闲状态。 确认起始位后进入接收数据位过程，每次定时一个位长并保存一个b i t 的数据， 直至收到所有的数据位( 数据位数通过串口实验设置菜单设置) 。如果有校验位则接 收校验位，并根据校验位对数据进行校验。最后接收停止位，校验位与停止位都 无误则成功的接收了一次数据，将数据保存并重新进入空闲状态。接收数据程序 流程图如下； 1 8 图3 _ 4串行接口接收数据程序流程图 发送数据 发送数据信号线在平时空闲状态下保持高电平状态。当有数据需要通过串行 接口发送出去时，先用定时器定时一个位长。之后如果有流控设置，则检测流控 信号，确认对方是否允许己方发送数据，若不允许则延时一个位长的时间重新尝 试发送。若对方允许则进入数据发送阶段，每次发送一个b i t 的数据，直至发送完 约定的位数。之后如果有校验位则发送校验位，最后是停止位。至此完成了一次 数据的发送。 图3 - 5串行接口发送数据程序流程图 3 3串行接口实验项目设计 3 3 1串行接口基本传输实验 实验内容： 学生用r s 2 3 2 电缆将p c 与实验台相连，通过在p c 端编程实现二者之问的串 行通信。在本实验中串行传输只使用t x d 和r x d 两条信号。实验台收到数据后在 屏幕上以字符或十六进制方式显示，并可以根据设置将数据作变换后返回计算机。 实验设置： 幽3 - 6串 j 接u 基本传输实验设置界向 波特率：1 2 0 0 、2 4 0 0 、2 8 0 0 、9 6 0 0 、1 9 2 0 0 、3 8 4 0 0 、5 7 6 0 0 、1 1 5 2 0 0b p s 数据位数：7 、8停止位数：l 、1 5 、2 校验设置：n o n e 、o d d 、e v e n显示模式：字符串、十六进制 显示字体：大字体、小字体 数据回传：不回传、回传、大写变换回传、小写变换回传 实验界面： 图3 7串行接口基本传输实验界面 2 1 键盘功能： 按键1 ：字符与十六进制两种显示模式切换 按键2 ：1 6 8 与8 5 大小两种字体显示切换 按键4 ：打开，关闭回传 按键5 ：屏幕清除 按键6 ：计数清零 按键7 ：实验说明 按键8 ：退出实验 3 3 2串行接口g p s 模拟接收机实验 实验内容： 进入该实验后，实验台被仿真成为一台安装在行驶的汽车上的g p s 接收机， 实验台按照n m e a m l 3 8 格式输出g p s 定位信息。n m e a m l 3 8 格式是国际通用 的g p s 数据输出格式，采用固定的a s c 编码。n m e a 旬1 3 8 包含多种数据类型， 本实验台输出最常用的g g a 、r m c 和z d a 三种。按照大多数民用g p s 接收机 的标准，实验台每1 秒输出一组数据。每一组数据包括三种类型的数据各一行。 学生在p c 端编程实现g p s 数据的接收，并从中解析出经度、纬度、海拔高度、 同期、时间、可见卫星数目、移动速度、移动方向等信息。 实验设置： ! 坚兰 串行接口g p s 模拟接收机实验设置界面 波特率：4 8 0 0 、9 6 0 0b p s 日期和时间 实验界面： 图3 - 9串行接口g p s 模拟接收机实验界面( 数据模式) 图3 1 0 串行接口g p s 模拟接收机图形界面( 图形模式) 键盘功能： 按键l ：字符与图形轨迹两种显示模式切换 按键2 ：暂停，继续发送 按键3 ：暂停继续行驶 按键4 ：加速行驶 按键5 ：减速行驶 按键7 ：实验说明 按键8 ：退出实验 3 3 3串行接口流控实验 实验内容： 本实验的主要目的是掌握串行接口流控的程序设计方法，帮助学生理解接口 数据缓冲区机制。使用了串行接口的t x d 、r x d 、c t s 和r t s 信号线。实验台作 为接收端，可以设置为硬件流控或是软件流控方式。p c 作为发送端，对于硬件流 控方式，应监测c t s 信号线，以判断是否可以继续发送。对于x o n x o f f 流控方式， 应监测控制台发送的字符( 1 1 h ) 和x ( 沂( 1 3 h ) 。 当实验台接收数据超过缓冲区3 1 4 时，将使用流控禁止计算机发送数据，计算 应及时相应停止发送，否则将造成缓冲区溢出。接收数据的同时实验台以一定的 速率处理数据，当实验台缓冲区状态低于1 4 满状态时，控制流控允许计算枫发送 数据。从实验界面上可以明显地看出这一动态的过程。 实验设置： 幽3 - 1 1 串行接u 流控实验设置界面 波特率：1 2 0 0 、2 4 0 0 、2 8 0 0 、9 6 0 0 、1 9 2 0 0 、3 8 4 0 0 、5 7 6 0 0 、11 5 2 0 0b p s 数据位数：7 、8校验设置：n o n e 、o d d 、e v e n 流控方式：硬件流控、x o n x o f f 流控缓冲容量：3 2 、1 2 8 、2 5 6 、5 1 2 字节 实验晃面： 幽3 1 2 串行接口流控实验界面 键盘功能： 按键2 ：1 6 8 与8 x 5 大小两种字体显示切换 按键5 ：屏幕清除 按键6 ：计数清零 按键7 ：实验说明 按键8 ：退出实验 4 i 并行接口简介 4 并行接口实验设计 并行传输的特点是数据在多根信号线上以字节为单位进行传输。并行传输与 串行传输的不同之处在于，并行传输除了数据线之外还拥有额外的联络线，双方 通过联络线提供互锁握手信号来保障通信，所以并行传输不需要事先约定通信的 格式。 4 1 i并行接口基本特性 并行接口最初的作用是p c 机连接打印机，在当时这是并行口的唯一用途。下 面是并口连接器线序及信号定义。 似 插头 2 s 图舢l 并行接口线序图 表4 - l 原始并行接口信号线定义 d b 2 5信号线信吁方向 并行u 引脚功能定义 土机一外设 i 选通，n s o o b e 2 9 数据 d n d 7 1 0心替仿吁 n a c k l i 忙信码b u s y 1 2 无纸信号p a p a r e n d 1 3联机信号 s d e d 1 4自动走纸 n a u t o l f 1 5 错误信号 n e n o r 1 6 初始化 n l n i t 1 7 选择输入 n s e l e c t l n 1 8 2 5 地 g r o u n d 在以后的发展中，并行接口逐步成为一个标准的多功能接口。i e e e1 2 8 4 是并 行接口的标准，其中标准定义四种端口类型。 4 i = a 、 鹰 = 哺口| 插 磊 一备 表4 - 21 e e e l 2 8 4 的4 种端口类型 并行口类型输入模式输出模式注释 s p p ( 标准并行口)半字节 兼容 8 位输出“位输入 双向并行口( p s 2 )字节 兼容8 位输入输出 e p p ( 增强型并行口)e p p e p p 8 位输入输出 e c p ( 增强性能并行口) e c pe c p 8 位输入输出，支持d m a 1 、s p p 模式 s p p ( s t a n d a r d p a r a l l e lp o r t ) 模式即标准并口模式，是为打印输出而设计的。 数据由计算机单向输出，不能用数据线进行数据输入，要做数据输入只能利用状 态线。 2 、p s 2 模式 i b m 公司引进了p s 2 设计后开始支持并口的双向数据传输。p s 2 模式和s p p 模式兼容。它通过一个方向控制位来设置并口的数据方向：如果设置为输出，p s 2 模式就和s p p 模式完全相同；如果设置为输入，则从并口数据线上每次可以读取 一个字节的数据。无论是s p p 模式还是p s t 2 模式，数据通信速度都不高。 3 、e p p 模式 e p p ( e n h a n c e d p a r a l l e l p o r t ) 增强并口模式支持并口和外设问的双向数据交换， 速度能够达到i 2 m b s 。增强并口通过精密的逻辑界面和明确定义的电气参数保 证了数据传输的速度和准确性。允许8 位双向数据传送，它可以在大约l m s 的时 间内完成包括握手联络在内的一个字节的数据传送；而s p p 或s p 2 接口则需要大 约4 m s 才能完成同样的工作。 4 、e c p 模式 e c p 口扩展并行口：是双向数据端口，并能以i s a 总线速度传送数据。e c p 有缓冲区，支持命令周期、数据周期和多个逻辑设备寻址，在多任务环境下可以 使用d m a ( 直接存储器访问) 。 4 1 2并行接口传输过程 实验台目前支持p s 2 与e p p 两种并口传输方式，由于篇幅限制，这里只以e p p 模式为例介绍。 e p p 模式的握手信号可以由硬件自动完成，数据传输速率最高可达2 m b s e c 。 e p p 协议提供了数据写、数据读、地址写、地址读四种数据传输周期。在四种传 输周期中，由w r i t e 、d s t r o b e 和a s t r o b e 控制传输类型，由w a i t 实现握手交互。 下面分别是数据地址的读写时序图： 写数据，地址的过程如下： d q t r o b 瞄e a ，s l r o l m 弋厂一 ( c 1 ，c 3 ) 、， 圈4 2e p p 数据地址写时序 将数据地址写到e p p 的数据寄存器b a s e + 4 地址寄存器b a s e + 3 ： w r i t e 置为低； 数据地址被送到接口的数据线； 如w a i t 是低电平，表明接口空闲，d s t r o b e a s t r o b e 置为低电平，写周期 开始； 主机