基于嵌入式WinCE與MSP430單片機(jī)多串口通信設(shè)計(jì)

摘要：在遠(yuǎn)程監(jiān)控和工業(yè)自動化系統(tǒng)中，串口通信因其具有連接簡單、使用方便、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，得到越來越廣泛的應(yīng)用。討論了采用WinCE嵌入式與MSP430單片機(jī)構(gòu)建串口多機(jī)通信系統(tǒng)的問題，在分析了WinCE操作系統(tǒng)與MSP430單片機(jī)串口模塊特性的基礎(chǔ)上，給出了進(jìn)行串口通信的總體框圖，針對實(shí)際串口通信存在的問題制定串行通信協(xié)議，然后在該系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)上根據(jù)需要定制WinCE系統(tǒng)內(nèi)核，最后實(shí)現(xiàn)串口通信設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠達(dá)到多串口通信的要求。
關(guān)鍵詞：WinCE；MSP430；TCP／IP；串口通信協(xié)議

    目前WinCE嵌入式與MSP430單片機(jī)在儀器儀表、工業(yè)控制、移動設(shè)備等有著廣泛的應(yīng)用。在很多復(fù)雜的應(yīng)用場合比如多點(diǎn)溫度采集、多點(diǎn)轉(zhuǎn)速采集，一個(gè)單片機(jī)不能滿足要求，需要多臺單片機(jī)協(xié)同工作，此時(shí)，多臺單片機(jī)通信是實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。以基于WinCE嵌入式設(shè)備為核心，取代傳統(tǒng)意義上的PC機(jī)，采用TCP／IP通信機(jī)制搭建的串口通信系統(tǒng)，結(jié)合嵌入式設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，將各獨(dú)立系統(tǒng)復(fù)雜的通信協(xié)議、數(shù)據(jù)格式進(jìn)行統(tǒng)一的轉(zhuǎn)化，特別適用于遠(yuǎn)程、多機(jī)串口通信，具有重要的使用價(jià)值和應(yīng)用前景。

1 硬件平臺
    1)WinCE嵌入式采用友善之臂mini2440開發(fā)板作為硬件平臺，mini2440開發(fā)板主要的硬件資源包括：SamsungS3C2440A，主頻400MHz，最高533 MHz；1個(gè)100 M以太網(wǎng)RJ-45接口(采用DM9000網(wǎng)絡(luò)芯片)，1個(gè)通用異步串行口(UART)；2個(gè)USB數(shù)據(jù)接口；1個(gè)LCD控制器；1個(gè)64MSDRA-M；1個(gè)SD卡接口；以及鍵盤接口和IDE接口等，利用上述的核心硬件資源，根據(jù)需要定制相關(guān)的內(nèi)核，在EVC集成開發(fā)環(huán)境中編寫應(yīng)用程序。
    2)MSP430F149單片機(jī)是TI公司芯片，它具有集成度高、外圍設(shè)備豐富、超低功耗、1．8～3．6 V的低電壓供電范圍，5種可選的低功耗模式，低于6μs的喚醒時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)，是設(shè)計(jì)電池供電系統(tǒng)的極佳選擇。由于具有16位RISC結(jié)構(gòu)，16位寄存器和常數(shù)寄存器，MSP430達(dá)到了最大的代碼效率。數(shù)字控制的振蕩器提供快速從所有低功耗模式蘇醒到活動模式的能力，時(shí)間少于6ms。MSP430F149帶有2個(gè)16位定時(shí)器(帶看門狗功能)、速度極快的8通道12位A／D轉(zhuǎn)換器(ADC)(帶內(nèi)部參考電壓、采樣保持和自動掃描功能)、1個(gè)內(nèi)部比較器和2個(gè)通用同步／異步發(fā)射接收器，硬件乘法器提高了單片機(jī)的性能并使單片機(jī)在編碼和硬件上可兼容，所以在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
    3)PC機(jī)與WinCE嵌入式通過100 M／S以太網(wǎng)接口連接，WinCE嵌入式與MSP430F149通過RS232進(jìn)行通信，串口通信總體框圖如下圖1所示。

2 WinCE嵌入式平臺定制
    WinCE嵌入式操作系統(tǒng)是一個(gè)緊湊、高效、可擴(kuò)展開放的、可裁減的、32位的實(shí)時(shí)嵌入式窗口操作系統(tǒng)，其最大的特點(diǎn)是使用了分層結(jié)構(gòu)技術(shù)，使系統(tǒng)具有更好的可擴(kuò)展性和定制性，使應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)獨(dú)立于具體硬件，以適應(yīng)各種特殊的應(yīng)用環(huán)境。操作系統(tǒng)從邏輯上可以分為硬件層、OEM層、操作系統(tǒng)層、應(yīng)用程序?qū)?。基于嵌入式WinCE開發(fā)平臺的定制主要是對操作系統(tǒng)層和OEM層進(jìn)行定制。
    微軟提供了PB(Platform Builder)作為定制WinCE操作系統(tǒng)的集成開發(fā)環(huán)境。PB環(huán)境支持多種功能模塊和硬件接口，可以根據(jù)目標(biāo)設(shè)備的具體硬件配置進(jìn)行WinCE的裁剪和定制，定制WinCE平臺的流程如圖2所示。首先，通過安裝和創(chuàng)建設(shè)備驅(qū)動程序?qū)W(wǎng)卡、串口、顯示驅(qū)動、USB和電源驅(qū)動等硬件進(jìn)行定制；然后，定制系統(tǒng)組件和服務(wù)，包括TCP／IP、FTP、MFC、Telnet等，并根據(jù)硬件配置和操作系統(tǒng)的應(yīng)用特性修改配置文件；最后，生成操作系統(tǒng)映像文件，通過網(wǎng)口或串口將其下載到目標(biāo)設(shè)備中運(yùn)行。定制完成后，導(dǎo)出應(yīng)用程序開發(fā)工具包SDK。

3 串口UART模塊
3．1 WinCE操作系統(tǒng)串口
    在WinCE下運(yùn)行的程序，一般是在Windows環(huán)境下開發(fā)的，然后下載到嵌入式設(shè)備中。系統(tǒng)中是在Windows環(huán)境下用EVC去開發(fā)應(yīng)用軟件，然后下載到設(shè)備中去。串口在WinCE中屬于流接口設(shè)備，可以像對文件一樣對串口進(jìn)行打開、關(guān)閉、讀寫等操作。WinCE下的串口函數(shù)和Win-dows下的串口函數(shù)基本相同，但在一些方面有所不同：1)WinCE只支持Unicode；2)WinCE中有一些自己特有的控件，可以方便編程；3)EVC不支持重疊I／O操作。
3．2 在WinCE下開發(fā)串口通信步驟
    1)打開端口并進(jìn)行初始化  在EVC中把設(shè)備當(dāng)做文件來處理，故使用CreateFile來打開端口。如果打開成功，則會返回打開串口的句柄。成功打開一個(gè)端口之后，需要對端口進(jìn)行初始化。調(diào)用串口通信函數(shù)SetupComm，設(shè)置COM的發(fā)送和接收緩沖區(qū)的大小。分配好緩沖區(qū)以后，調(diào)用CetCommTimeouts函數(shù)對讀寫串口進(jìn)行超時(shí)設(shè)置。然后調(diào)用GetCommState函數(shù)獲取當(dāng)前串口的默認(rèn)參數(shù)并返回一個(gè)DCB結(jié)構(gòu)體地址，通過給這個(gè)DCB結(jié)構(gòu)體各成員賦值來重新設(shè)定串口狀態(tài)。最后調(diào)用PurgeComm函數(shù)清空串口的發(fā)送接收緩沖區(qū)。
    2)對串口進(jìn)行讀寫操作  成功配置好串口參數(shù)后即可調(diào)用函數(shù)ReadFile和WriteFile對串口進(jìn)行讀寫操作。在通信的過程中可能出現(xiàn)通信錯(cuò)誤導(dǎo)致程序無法繼續(xù)進(jìn)行，一般需要調(diào)用ClearCommError清除這些錯(cuò)誤。
    3)關(guān)閉串口  使用完串口后必須關(guān)閉串口。串口不能像文件一樣被共享，不釋放別的應(yīng)用程序不能使用。關(guān)閉串口只需使用CloseHandle即可。WinCE串口流程圖如圖3所示。

3．3 MSP430F149單片機(jī)UART模塊特點(diǎn)
    MSP430單片機(jī)的UART模塊具有比普通51單片機(jī)更完善的特性，如可選擇奇偶校驗(yàn)方式、波特率小數(shù)部分可編程、提供差錯(cuò)控制及錯(cuò)誤狀態(tài)位、串口中斷喚醒CPU等。將這些特點(diǎn)應(yīng)用于串口通信中可以增強(qiáng)通信的可靠性，比如：UART硬件模塊可以被設(shè)置為若奇偶校驗(yàn)出錯(cuò)則不接收當(dāng)前數(shù)據(jù)，通過設(shè)定波特率調(diào)制值可使波特率更準(zhǔn)確，通過休眠模式的應(yīng)用可提高CPU工作的效率并降低系統(tǒng)的功耗。對于多機(jī)通信，MSP-430單片機(jī)內(nèi)置了空閑式(idle-line)和地址位式(address-bit)兩種多機(jī)通信模式，為提供可靠高效的多機(jī)通信提供了保證。兩種模式主要在如何確定地址幀方面存在差別：1)空閑模式：兩個(gè)數(shù)據(jù)塊之間的傳輸空閑時(shí)間大于或等于10 bit，也即用傳輸線上大于或等于10 bit空閑之后的第一個(gè)數(shù)據(jù)表示地址。2)地址位模式：通過字節(jié)幀中的地址位(1或0)指示該幀是地址幀還是數(shù)據(jù)幀。一由于空閑模式要求兩個(gè)數(shù)據(jù)塊之間一定要有大于或等于10 bit的時(shí)間間隔，所以在連續(xù)傳輸?shù)膱龊蟼鬏斔俾蕰鹊刂肺荒Ｊ铰?，但是編程簡單?br />
4 串口通信協(xié)議設(shè)計(jì)
    在WinCE嵌入式和多臺MSP430單片機(jī)的通訊中，確定一個(gè)明確而合理的通訊協(xié)議是關(guān)鍵，包括對數(shù)據(jù)格式、通訊方式、傳送速度、傳送步驟、檢糾錯(cuò)方式以及控制字符定義等問題做出統(tǒng)一規(guī)定。為了區(qū)別不同的分機(jī)，必須為每個(gè)分機(jī)分配一個(gè)唯一的地址，此地址唯一區(qū)別各單片機(jī)。數(shù)據(jù)格式采用數(shù)據(jù)包的形式，一次傳輸一組數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)包格式如表1所示。

    數(shù)據(jù)格式中的地址位表示與PC機(jī)通訊的單片機(jī)地址。操作命令則表示此次通訊要完成的操作。在單片機(jī)發(fā)送上位機(jī)接收的時(shí)候，此時(shí)數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)內(nèi)容、和檢驗(yàn)3個(gè)域便填充實(shí)際發(fā)送數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)、數(shù)據(jù)及和校驗(yàn)；操作命令域在PC機(jī)發(fā)送單片機(jī)接收的時(shí)候也有相似的協(xié)議規(guī)定。

5 TCP／IP數(shù)據(jù)通信
    TCP／IP數(shù)據(jù)通信模塊用于完成WinCE嵌入式與PC機(jī)服務(wù)器之間的通信，其主要功能包括，接收下位機(jī)發(fā)來的信息、發(fā)送控制命令，控制程序的運(yùn)行狀態(tài)，為多機(jī)串口通信提供方便。數(shù)據(jù)通信模塊采用基于WinCE的TCP／IP協(xié)議，能夠保證在傳輸過程中數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性；嵌入式系統(tǒng)硬件抗干擾能力強(qiáng)，能夠保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行。客戶進(jìn)程建立連接及通信的程序流程如圖4所示。

    在基于Wince的TCP／IP協(xié)議中，其通信實(shí)現(xiàn)流程為：TCP服務(wù)器首先調(diào)用socket()函數(shù)建立流式套接字，然后調(diào)用bind()綁定本地地址，調(diào)用listen()函數(shù)進(jìn)行客戶終端連接，一旦與客戶終端連接后，服務(wù)器就調(diào)用accept()函數(shù)接收終端的連接請求，并建立連接，同時(shí)服務(wù)器端啟動一個(gè)新線程，建立單獨(dú)的套接字實(shí)例與客戶終端進(jìn)行通訊。
    TCP客戶端通信實(shí)現(xiàn)流程為：調(diào)用socket()函數(shù)建立流式套接字，然后調(diào)用connect()函數(shù)，請求與WinCE服務(wù)器建立TCP連接，成功建立連接后，同服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
    服務(wù)進(jìn)程和客戶進(jìn)程通過調(diào)用send()和recv()來交換數(shù)據(jù)，服務(wù)器可向客戶端傳送所收集的數(shù)據(jù)?？蛻舳藙t向服務(wù)器反饋控制信息和參數(shù)調(diào)整信息：服務(wù)進(jìn)程或客戶進(jìn)程可通過調(diào)用close()來撤消套接字并中斷連接。

6 結(jié)論
    串口通訊方式在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，通過WinCE嵌入式與多臺MSP430單片機(jī)串口通信研究開發(fā)，運(yùn)用嵌入式、單片機(jī)及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)了多機(jī)串口通信。本文設(shè)計(jì)的通訊協(xié)議經(jīng)實(shí)踐證明穩(wěn)定可靠，保證了單片機(jī)與PC之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確率。本文所采用的技術(shù)在遠(yuǎn)程控制，工業(yè)控制等領(lǐng)域具有重要的實(shí)用價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。