PIC單片機(jī)與PC機(jī)異步串行通信的設(shè)計(jì)

引言

因?yàn)榫哂羞\(yùn)行速度快、低功耗、價(jià)格低、體積小等優(yōu)點(diǎn)，Microchip公司推出的PIC系列單片機(jī)已經(jīng)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。應(yīng)用之一是作為下位機(jī)與上位機(jī)（例如PC機(jī)）通信，它被廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制、數(shù)據(jù)采集和檢測(cè)等領(lǐng)域中。單片機(jī)與PC機(jī)通信的方式有串行通信、并行通信。其中，串行通信具有硬件電路簡(jiǎn)單、軟件實(shí)現(xiàn)容易和運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，十分適合對(duì)實(shí)時(shí)性要求不太高的場(chǎng)合。由于部分PIC單片機(jī)不具備串行通信所需的硬件USART口，故系統(tǒng)設(shè)計(jì)者需要用軟件實(shí)現(xiàn)PIC單片機(jī)與PC機(jī)之間的串行通信。筆者介紹利用PIC單片機(jī)的中斷功能實(shí)現(xiàn)異步串行通信的方法。

異步串行通信基本概念

異步串行通信字符格式如圖1所示。通信線(xiàn)路上傳送的每個(gè)字符包括1個(gè)起始位、5～8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)奇偶校驗(yàn)位（可無(wú)）和1～2個(gè)停止位。每個(gè)字符的傳送都是以起始位作為開(kāi)始標(biāo)志，緊跟其后的是要傳送的數(shù)據(jù)（低位先傳送），然后是奇偶校驗(yàn)位，最后是停止位。相鄰字符之間的時(shí)間間隔即空閑時(shí)間可為任意長(zhǎng)。線(xiàn)路空閑時(shí)應(yīng)表現(xiàn)為“1”，當(dāng)檢測(cè)到“0”時(shí)，表示一幀字符的開(kāi)始。

圖1　異步串行通信字符格式

串行接口硬件電路

選用的單片機(jī)型號(hào)為PIC16C711，不具備硬件USART，需要用一般I/O口來(lái)模擬串行口。如圖2所示，RB0為接收腳，RB5為發(fā)送腳。RB0除作為一般I/O引腳外，還可以作為外部中斷輸入引腳，引起中斷的方式分為上跳沿和下跳沿2種方式。在本文中，設(shè)置下跳沿引起中斷。當(dāng)起始位到來(lái)時(shí)，RB0 上出現(xiàn)下跳沿，引起中斷，如果不是干擾信號(hào)則開(kāi)始接收數(shù)據(jù)。

RS-485標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)，傳輸速率高、傳送距離遠(yuǎn)。它規(guī)定了雙端（平衡式）電氣接口特性。當(dāng)單片機(jī)與具有RS-485接口的PC機(jī)通信時(shí)，需要進(jìn)行信號(hào)形式的轉(zhuǎn)換。從單片機(jī)發(fā)送到PC機(jī)的信號(hào)首先轉(zhuǎn)換成平衡信號(hào)，再送往PC機(jī)。從PC機(jī)發(fā)送到單片機(jī)的信號(hào)先轉(zhuǎn)換成非平衡信號(hào)，再輸入單片機(jī)。信號(hào)形式的轉(zhuǎn)換工作由RS-485接口芯片SN75176完成。SN75176差分總線(xiàn)收發(fā)器工作在半雙工方式，當(dāng)工作于發(fā)送方式時(shí)，發(fā)送使能引腳DE為高電平，接收使能引腳也為高電平。當(dāng)工作于接收方式時(shí)，發(fā)送使能引腳DE為低電平，接收使能引腳也為低電平。這樣，可以將DE與連接在一起，由RB6引腳輸出控制信號(hào)，控制SN75176的發(fā)送和接收使能。為了減少線(xiàn)路上信號(hào)的反射，需要匹配線(xiàn)路的特性阻抗。由于通信載體是雙絞線(xiàn)，它的特性阻抗為120Ω左右，所以線(xiàn)路設(shè)計(jì)時(shí)，在RS-485網(wǎng)絡(luò)傳輸線(xiàn)的始端和末端各應(yīng)接1只120Ω的匹配電阻，R1為單片機(jī)一側(cè)的匹配電阻。由于RS485芯片的特性，接收器的靈敏度為±200mV，即差分輸入端VA-VB≥±200mV時(shí)，輸出邏輯“1”；VA-VB≤200mV時(shí)，輸出邏輯“0”。當(dāng)︱VA-VB︱≤200mV 時(shí)，輸出不確定。因此，當(dāng)A、B無(wú)信號(hào)輸入時(shí)，可能造成接收引腳R上出現(xiàn)低電平，這會(huì)誤認(rèn)為通信幀起始位到來(lái)而引起工作不正常。為了避免這種情況發(fā)生，可以人為的讓A端電位高于B端電位，使R引腳在RS485總線(xiàn)不發(fā)送期間呈現(xiàn)唯一的高電平，單片機(jī)不會(huì)被誤中斷而接收到亂字符。通過(guò)在A(yíng)、B接上拉、下拉電阻R3、R2可解決這個(gè)問(wèn)題。

圖2　PIC16C711與PC機(jī)之間的接口電路

單片機(jī)通信程序框圖

單片機(jī)與PC機(jī)之間的通信方式為半雙工方式。一幀數(shù)據(jù)包括一位起始位、8位數(shù)據(jù)位、一位停止位和無(wú)奇偶校驗(yàn)位。設(shè)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的波特率為 9600b/s，則每一位占用的時(shí)間td為1/9600s，約為104μs。單片機(jī)晶振頻率為4MHz。單片機(jī)執(zhí)行一條指令耗費(fèi)時(shí)間1μs。

單片機(jī)接收數(shù)據(jù)程序框圖

PIC16C711單片機(jī)的RB0引腳具備外部引腳跳變沿中斷功能，向RB0引腳送一個(gè)上跳沿或下跳沿信號(hào)，則INTCON寄存器的外部引腳跳變沿中斷標(biāo)志位INTF被置1。如果總中斷和外部引腳跳變沿中斷都使能，并且此時(shí)單片機(jī)沒(méi)有執(zhí)行其他中斷服務(wù)子程序，程序進(jìn)入INT中斷服務(wù)子程序。根據(jù)異步串行通信的特點(diǎn)，通信線(xiàn)路空閑時(shí)單片機(jī)接收的是高電平，起始位到來(lái)時(shí)單片機(jī)接收到低電平，因此空閑位和起始位之間是一個(gè)下跳沿。單片機(jī)接收到下跳沿即起始位后，馬上進(jìn)入中斷服務(wù)子程序，準(zhǔn)備接收一幀數(shù)據(jù)。因此在主程序中設(shè)置由下跳沿引起外部引腳跳變沿中斷。以下內(nèi)容主要分析接收子程序即中斷服務(wù)子程序。單片機(jī)接收數(shù)據(jù)程序框圖如圖3所示。進(jìn)入中斷服務(wù)子程序后，首先保護(hù)中斷現(xiàn)場(chǎng)，然后檢測(cè)起始位是否是“真的”。由于可能存在的各種干擾，單片機(jī)有可能接收到的干擾信號(hào)正好是一個(gè)下跳沿，而實(shí)際上此時(shí)根本沒(méi)有數(shù)據(jù)到來(lái)，從而造成誤接收數(shù)據(jù)。因此檢測(cè)起始位的真實(shí)性是有必要的。采取的方法是在52μs（起始位的中點(diǎn)） 后，檢測(cè)一次RB0上的信號(hào)。程序框圖中是延時(shí)47μs后檢測(cè)RB0上的信號(hào)，原因是保護(hù)中斷現(xiàn)場(chǎng)的幾條指令要耗費(fèi)幾個(gè)μs。如果是低電平，則起始位是 “真的”，否則為干擾信號(hào)，單片機(jī)清INTF標(biāo)志位，然后退出中斷服務(wù)子程序，回到主程序。若起始位是“真的”，則準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)。本文規(guī)定數(shù)據(jù)位為8位，故首先設(shè)置接收計(jì)數(shù)器R_CNT內(nèi)容為8。然后將STATUS寄存器中的C位清零，并右移接收數(shù)據(jù)寄存器RCV_R。C的內(nèi)容即0移入RCV_R最高位，接下來(lái)接收數(shù)據(jù)位。

為盡量保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，應(yīng)該在每位數(shù)據(jù)的中點(diǎn)檢測(cè)該位數(shù)據(jù)。因此，檢測(cè)第一位數(shù)據(jù)的時(shí)刻距離檢測(cè)起始位的時(shí)刻應(yīng)該是一位數(shù)據(jù)所占的時(shí)間即104μs，此后的每一位數(shù)據(jù)檢測(cè)時(shí)刻之間也是如此。此時(shí)又要用到延時(shí)程序。因?yàn)槊績(jī)纱螜z測(cè)時(shí)刻之間除了延時(shí)之外，指令（C清零、右移等指令）還要占用時(shí)間，這些指令占用5～6μs，因此，為了盡量保證在每一位的中心位置檢測(cè)數(shù)據(jù)，延時(shí)時(shí)間定為98μs。如果檢測(cè)得到的數(shù)據(jù)位為1，則置RCV_R最高位為1。如果數(shù)據(jù)位為0，則不必改變最高位，因?yàn)镃為0且已經(jīng)移入RCV_R的最高位。然后，將接收計(jì)數(shù)器內(nèi)容減1。8位數(shù)據(jù)接收完畢后，清INTF標(biāo)志。最后，退出中斷服務(wù)子程序。至此，8位數(shù)據(jù)接收全部存放于RCV_R中。

圖3　單片機(jī)接收數(shù)據(jù)程序框圖

單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)程序框圖

用RB5引腳作為發(fā)送引腳，單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)程序框圖如圖4所示。當(dāng)有數(shù)據(jù)要從單片機(jī)發(fā)往PC機(jī)時(shí)，單片機(jī)調(diào)用發(fā)送子程序。在發(fā)送子程序中，首先設(shè)置發(fā)送計(jì)數(shù)器內(nèi)容為8，然后發(fā)送起始位，起始位應(yīng)持續(xù)104μs。因此要調(diào)用延時(shí)子程序，延時(shí)子程序執(zhí)行完后，RB5上的信號(hào)并未立刻變成第一位數(shù)據(jù)的值，這是因?yàn)檫€要執(zhí)行幾條指令，如右移TRS_R、置位等RB5上的信號(hào)才會(huì)變化。假設(shè)延時(shí)104μs，那么加上幾條指令的執(zhí)行時(shí)間，起始位就比104μs寬了。因此，延時(shí)子程序少于104μs，根據(jù)具體的程序定為97μs。然后，右移發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器TRS_R，將其最低位即要發(fā)送的數(shù)據(jù)位移入C中，再根據(jù)C中的內(nèi)容將RB5清零或置1，然后將發(fā)送計(jì)數(shù)器內(nèi)容減1，并判斷其是否為0。若為1，則說(shuō)明未發(fā)送完畢，繼續(xù)發(fā)送；否則，發(fā)送停止位。最后，退出發(fā)送子程序。

圖4　單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)程序框圖

PC機(jī)通信程序

VB6.0提供了串行通訊MSComm（電話(huà)盒）控件來(lái)為應(yīng)用程序提供串行通信，它將串口設(shè)備當(dāng)作一個(gè)目標(biāo)封裝起來(lái)，容易操作，編程很方便，其良好的用戶(hù)界面、簡(jiǎn)單方便的串行通信和實(shí)用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，無(wú)需借用其他語(yǔ)言就可以開(kāi)發(fā)出優(yōu)秀的通信軟件，因而PC機(jī)軟件采用VB6.0語(yǔ)言編寫(xiě)。

MSComm控件的調(diào)出及其主要屬性如下。

（1）MSComm控件的調(diào)出

VB6.0的MSComm控件并不會(huì)主動(dòng)出現(xiàn)在工具箱中，當(dāng)需要它時(shí)，讓它出現(xiàn)在工具箱中的步驟如下：

①選擇菜單上的“工程”；

②在“工程”菜單中選擇“部件”；

③出現(xiàn)對(duì)話(huà)框后，在可勾選的項(xiàng)目中勾選Microsoft Comm Contro l6.0；

④按下“確定”按鈕，即可在工具箱中見(jiàn)到“電話(huà)盒”的圖標(biāo)，就可以將此控件加載進(jìn)行串行通信。

（2）MSComm屬性

MSComm屬性很多，其重要的屬性說(shuō)明如下：

①CommPort：設(shè)定或返回通信端口號(hào)。端口號(hào)由1開(kāi)始往上遞增，最大值是16。

②Settings：設(shè)定通信端口初始化參數(shù)。其格式為“Baud，P，D，S”，其中Baud為波特率，    可設(shè)為1200、2400、9600、14400、19200和28800等幾種；P為校驗(yàn)位（E表示偶校驗(yàn)、O表示奇校驗(yàn)、M表示符號(hào)校驗(yàn)（即在校驗(yàn)位放置一個(gè)1的位）、S表示空白校驗(yàn)（即在校驗(yàn)位放置一個(gè)0的位）、N表示無(wú)校驗(yàn)位（默認(rèn)值））；D為數(shù)據(jù)位數(shù)，可選值為4、5、6、7、8（默認(rèn)值）；S 表示停止位數(shù)，可選值為1、1.5、2。

③PortOpen：設(shè)定并返回通信端口的狀態(tài)。

使用串行端口之前必須先打開(kāi)該端口（PortOpen=True），而在使用完畢后必須關(guān)閉該端口（PortOpen=False）。

④Input：從輸入緩沖區(qū)返回并清除字符。這是一種FIFO（FirstinFirstOut）機(jī)制。如Buffer＄=MSComm1.Input，表示將輸入緩沖區(qū)的字符讀入Buffer字符串變量中。

⑤Output：將一個(gè)字符或字符串寫(xiě)入傳輸緩沖區(qū)，如MSComm1.Output=“ABCD”。此即將ABCD4個(gè)字符通過(guò)串行端口傳送出去。

⑥InBufferCount：傳回在接收緩沖區(qū)中的字符數(shù)，是指已接收，并在接收緩沖區(qū)等待讀取的字符數(shù)。

⑦InputMode：設(shè)定和返回類(lèi)型。該屬性設(shè)為0時(shí)，數(shù)據(jù)通過(guò)Input屬性以文本方式取回，如設(shè)為1，則數(shù)據(jù)通過(guò)Input屬性以二進(jìn)制方式取回。

結(jié)論

利用PIC16C711的外部中斷輸入引腳RB0/INT接收數(shù)據(jù)，避免了查詢(xún)法帶來(lái)的耗費(fèi)大量系統(tǒng)資源的缺點(diǎn)。PIC系列單片機(jī)執(zhí)行指令的速度快，提高了系統(tǒng)效率。PIC16C711內(nèi)部無(wú)硬件UART，本文用軟件模擬它與PC之間的串行異步通信，從而降低了硬件成本。VB具備MSComm（電話(huà)盒）控件，實(shí)現(xiàn)串行通信非常方便。