摘 要：介紹AVR單片機(jī)ATmega16和計算機(jī)的串行通信的軟、硬件設(shè)計，采用Visual Basic6.0中的MSComm通信控件實現(xiàn)計算機(jī)與單片機(jī)ATmega16之間的串行通信。文章詳細(xì)闡述了程序的設(shè)計流程，并給出了部分程序代碼。實驗證明該系統(tǒng)可以實現(xiàn)ATmega16與計算機(jī)之間的通信。
關(guān)鍵詞： ATmega16；計算機(jī)；串行通信；Visual Basic6.0
AVR單片機(jī)[1]是美國ATMEL公司的精簡指令集單片機(jī)，大多數(shù)是單周期指令，運(yùn)行速度快。AVR單片機(jī)帶有Flash程序存儲器，擦寫方便，支持ISP(串行在線下載），便于產(chǎn)品的調(diào)試、開發(fā)和更新。ATmega16是AVR單片機(jī)家族中的高檔產(chǎn)品，是目前占主流、高信價比的AVR芯片之一。ATmega16的主要特點有：功耗低，在正常模式下只有1.1 mA；最高工作頻率可達(dá)16 MHz；具有可擦寫的16 KB的可編程Flash；內(nèi)含8路10 bit ADC；具有高度靈活的串行通信設(shè)備USART，使用時只需設(shè)置相關(guān)的寄存器參數(shù)就可以實現(xiàn)串行通信。
EIA-232是常用的串行通信[2]技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之一，是目前通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口，這是由于工業(yè)領(lǐng)域?qū)Ξa(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性的要求更高，EIA標(biāo)準(zhǔn)下的串行通信技術(shù)完全可以滿足人們對工業(yè)設(shè)備傳輸?shù)母鞣N性能要求，使得EIA串口通信在系統(tǒng)控制[3-5]的范疇中一直占據(jù)著極其重要的地位。計算機(jī)和單片機(jī)的EIA-232串行通信是許多測控系統(tǒng)常用的一種通信解決方案。本文介紹了計算機(jī)和單片機(jī)ATmega16之間EIA-232串行通信的實現(xiàn)。計算機(jī)作為上位機(jī)，單片機(jī)作為下位機(jī)。
1 硬件設(shè)計
圖1為EIA-232串行通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
EIA-232用正、負(fù)電壓來表示邏輯狀態(tài),有效負(fù)電平的狀態(tài)為邏輯1，有效正電平的狀態(tài)為邏輯0；而單片機(jī)使用的TTL電平是以高、低電平表示1和0兩種邏輯狀態(tài)，因此將兩者相連必需進(jìn)行電平邏輯關(guān)系的變換。圖1中的芯片MAX232就是將TTL和RS232電平相互轉(zhuǎn)換的器件。
圖2為EIA-232串行通信電原理圖。電壓VCC可采用5 V供電。
圖2中的D Connector9是用于連接計算機(jī)串行口的接插件，5腳是接地端，3腳是發(fā)送端TXD，2腳是接收端RXD。TXD端的電平經(jīng)MAX232轉(zhuǎn)換為TTL電平后送給單片機(jī)的接收端；單片機(jī)發(fā)送出的TTL電平的數(shù)據(jù)經(jīng)MAX232轉(zhuǎn)換為RS232電平經(jīng)RXD傳送給計算機(jī)。ATmega16工作時使用系統(tǒng)內(nèi)部時鐘8 MHz，不需外接晶振，只需在燒錄程序時設(shè)置相關(guān)參數(shù)即可使用內(nèi)部時鐘。圖2中標(biāo)號為UP的是一個10腳的接插件，通過這個接插件與程序燒錄器相連即可實現(xiàn)單片機(jī)程序的燒錄操作，方便產(chǎn)品升級。
2 上位機(jī)程序設(shè)計
上位機(jī)程序的編寫采用Visual Basic6.0的編程環(huán)境。使用Visual Basic6.0的MSComm串行通信控件，非常容易實現(xiàn)串口通信，使用時要對串行通信的信息格式和協(xié)議進(jìn)行設(shè)置。每個通信控件對應(yīng)一個串口, 如果要訪問多個通信口, 則要設(shè)計多個通信控件。
計算機(jī)與單片機(jī)之間的通信采用查詢的工作方法，計算機(jī)作為上位機(jī)，單片機(jī)作為下位機(jī)。計算機(jī)主要負(fù)責(zé)發(fā)送控制命令以及數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收、處理、計算和顯示等功能。計算機(jī)的程序設(shè)計包括界面設(shè)計以及程序代碼的編寫。圖3為設(shè)計的程序界面，圖3中含有發(fā)送數(shù)據(jù)的輸入框、接收數(shù)據(jù)的顯示框和命令控件按鈕。用鼠標(biāo)點擊“發(fā)送/接收”按鈕后程序開始運(yùn)行，接收數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)一致時說明通信成功,否則失敗。
圖4為程序設(shè)計的流程圖。具體的程序代碼包括串口的初始化及數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。初始化代碼主要對串行通信的信息格式和協(xié)議進(jìn)行設(shè)置，串口的初始化代碼如下：
MSComm1. CommPort = 1 //使用COM1串口
MSComm1. Settings="9600,n,8,1"
//數(shù)據(jù)格式:波特率9600 b/s,無奇偶
校驗,8 bit數(shù)據(jù)位,1 bit停止位
MSComm1. OutBufferCount = 0 //清空發(fā)送緩沖區(qū)
MSComm1. InBufferCount = 0 //清空接收緩沖區(qū)
MSComm1. InputMode = 1 //以二進(jìn)制形式取回數(shù)據(jù)
MSComm1. InputLen=0 //一次讀取緩沖區(qū)內(nèi)全部數(shù)據(jù)
If MSComm1.PortOpen = False Then
MSComm1.PortOpen = True
End If //打開串口
數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收主要用到下面兩句代碼：
MSComm1.Output = outdata
backdata = MSComm1.Input
由于篇幅的限制，其他代碼不再給出。
3 下位機(jī)程序設(shè)計
Atmega16內(nèi)部的USART是一個通用的同步和異步串行接收器和發(fā)送器，其高度靈活，使用非常方便。與USART相關(guān)的寄存器有：UDR、UCSRA、UCSRB、UCSRC、UBRRH和UBRRL。UDR是USART發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)共享的數(shù)據(jù)寄存器,將數(shù)據(jù)寫入UDR時實際操作的是通過UDR發(fā)送數(shù)據(jù)，讀UDR時實際返回的是UDR中的數(shù)據(jù)。UCSRA、UCSRC和UCSRB為控制和狀態(tài)寄存器，串行口的通信模式的設(shè)置可通過對UCSRA和UCSRB的相關(guān)數(shù)據(jù)位進(jìn)行寫操作來實現(xiàn)。數(shù)據(jù)幀包含的數(shù)據(jù)位數(shù)也是由UCSRB來確定，并與上位機(jī)保持一致。UBRRH和UBRRL為波特率寄存器，UBRRH和UBRRL是16位寄存器UBRR的高8位和低8位。UBRR的值是用于確定串行通信的波特率，對于異步正常模式（由UCSRA和UCSRB確定),波特率的計算公式為
，對于9 600 b/s的波特率(和上位機(jī)一致)，在fosc=8 MHz的情況下，通過計算得UBRR的值為51。對UBRR進(jìn)行寫操作時注意要先寫高8位UBRRH，后寫低8位UBRRL，否則寫入無效。
程序流程如圖5所示。判斷接收是否結(jié)束依據(jù)UCSRA中的標(biāo)志位RXC,當(dāng)RXC=1時表示接收沒有結(jié)束,繼續(xù)接收；當(dāng)RXC=0時表示接收結(jié)束,可以從UDR中讀出接收到的數(shù)據(jù)。判斷發(fā)送是否結(jié)束依據(jù)UCSRA中的標(biāo)志位TXC，當(dāng)TXC=1時表示發(fā)送沒有結(jié)束；當(dāng)TXC=0時表示發(fā)送結(jié)束。
程序的編寫環(huán)境采用ATMEL公司的AVRstudio軟件。初始化部分程序代碼如下：
LDI r16,0x20
OUT UCSRA,r16 //設(shè)置串口通信模式
LDI r17,0x00
OUT UBRRH,r17
LDI r16,0x33
OUT UBRRL,r16 //設(shè)置串口通信的波特率 LDI r16,0x86
OUT UCSRC,r16 //設(shè)置串口通信的數(shù)據(jù)格式
LDI r16,0x18
OUT UCSRB,r16 //使能串口通信
判斷UCSRA的標(biāo)志位RXC和TXC采用跳轉(zhuǎn)指令SBIS，具體語句為：
SBIS UCSRA，RXC
SBIS UCSRA，TXC
將編寫好的程序燒錄進(jìn)單片機(jī)，硬件連接完成后運(yùn)行上位機(jī)程序即可實現(xiàn)串行通信，在圖3的程序界面可以查看結(jié)果。如果需要重新燒錄程序，可以進(jìn)行在線燒錄，而不需要把單片機(jī)ATmega16從電路上取下來。因此，可以采用SMD封裝，有利于產(chǎn)品微型化。
本文采用查詢的工作方式，通過電平轉(zhuǎn)換器MAX232實現(xiàn)了單片機(jī)ATmega16與計算機(jī)之間的EIA-232串行通信。雖然目前USB的應(yīng)用很廣泛，但由于工業(yè)設(shè)備一般連接好以后很少進(jìn)行重復(fù)插拔，USB的優(yōu)越性不能得到很好的體現(xiàn)，使得工業(yè)領(lǐng)域使用USB接口的產(chǎn)品并不多，EIA串行通信仍占據(jù)重要地位，因此研究EIA串行通信是很必要的。
參考文獻(xiàn)
[1] 耿德根，宋建國，馬潮,等. AVR高速嵌入式單片機(jī)原理與應(yīng)用[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001.
[2] 謝瑞和. 串行技術(shù)大全[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.
[3] 張艷玲,黃海康. 基于VB的機(jī)房計算機(jī)電源監(jiān)控系統(tǒng)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2004，23(1)：41-44.
[4] 王平，張新東. 基于智能儀表的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計[J]. 自動化與儀表，2009，24(4)：9-10.
[5] 柳劍，陳於學(xué)，楊曙年. 基于編程口的三菱PLC與PC機(jī)串行通信實現(xiàn)[J]. 自動化儀表，2010，31(10)：31-37.