??? 摘 要: 介紹了基于單片機(jī)C8051F020的通用串口" title="串口">串口適配器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。通過用C51語(yǔ)言對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程,控制與RS-232(232電平)、RS-232(TTL電平)、422接口的數(shù)據(jù)通信;用C++ Builder作為開發(fā)平臺(tái),通過RS-232接口實(shí)現(xiàn)上位機(jī)" title="上位機(jī)">上位機(jī)對(duì)適配器各通信端口的控制。
??? 關(guān)鍵詞: 適配器? 串行通信? RS-232? C51
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??? 串行通信的廣泛應(yīng)用使得各種傳輸設(shè)備可以有機(jī)地連成一體,能夠安全可靠地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和信息的傳遞。但是由于各設(shè)備傳輸信道上的信號(hào)不同,所應(yīng)用的串口也各種各樣,要完成眾多設(shè)備間的通信,就必然涉及到各設(shè)備之間的串口轉(zhuǎn)換問題。
??? 為了使計(jì)算機(jī)的RS-232口與各種不同的串口進(jìn)行通信,從而測(cè)試或控制不同設(shè)備的工作狀態(tài),本文設(shè)計(jì)了一種通用串口適配器。該適配器有4個(gè)對(duì)外接口,1口連接控制計(jì)算機(jī),2、3、4口可以連接不同標(biāo)準(zhǔn)串口的通信設(shè)備。其示意圖如圖1所示。
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1 硬件設(shè)計(jì)
??? 為了實(shí)現(xiàn)對(duì)適配器的自動(dòng)控制以及方便擴(kuò)展其他接口,適配器采用了C8051F020單片機(jī)系統(tǒng)。適配器所選主要芯片分別是C8051F020微處理芯片、電子模擬開關(guān)" title="模擬開關(guān)">模擬開關(guān)MAX4534芯片、MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片以及RS-485/RS-422信號(hào)的轉(zhuǎn)換芯片MAX491。
??? 用C8051F020作為系統(tǒng)核心,整個(gè)系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示。通過串口1控制從上位計(jì)算機(jī)串口發(fā)出的數(shù)據(jù)的接收、存儲(chǔ)和判別,然后通過串口2控制電子模擬開關(guān),使其內(nèi)部的模擬開關(guān)接通相應(yīng)的串口,最后實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與各個(gè)串口的通信。
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1.1 與上位機(jī)通信電路
??? C8051F020引腳的信號(hào)電平為TTL類型,而PC機(jī)串口的異步串行通信基于RS-232標(biāo)準(zhǔn)。兩者通信信號(hào)的邏輯電平不一致,必須進(jìn)行信號(hào)電平轉(zhuǎn)換。為此,在電路中選用MAXIM公司的MAX232芯片,以實(shí)現(xiàn)TTL電平與RS-232電平的雙向轉(zhuǎn)換。
??? MAX232芯片包含兩路接收器和驅(qū)動(dòng)器,適用于各種EIA-232C和V.28/V.24的通信接口。MAX232芯片內(nèi)部有一個(gè)電源電壓變換器,可以把5V電壓變換成RS-232C輸出電平所需的±10V電壓。所以,采用此芯片接口的串行通信系統(tǒng)只需單一的+5V電源即可。
??? 串口通信的RS-232通信距離一般以不超過12m為宜,接口采用9針串口DB9,串口傳輸數(shù)據(jù)只要有接收數(shù)據(jù)針腳和發(fā)送針腳就能實(shí)現(xiàn)。
1.2 模擬開關(guān)控制電路
??? 該電路主要由芯片MAX4534(一對(duì)四)來完成。地址端A0和A1與單片機(jī)I/O" title="I/O">I/O端口相連,開關(guān)1、2、3、4分別與各測(cè)試設(shè)備的串口相連,其內(nèi)部連接邏輯如圖3所示。
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??? 當(dāng)上位機(jī)與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)握手之后,若選擇與RS-422口通信,先發(fā)一個(gè)檢測(cè)信號(hào)TEST,該信號(hào)經(jīng)MAX232芯片電平轉(zhuǎn)換后,送給單片機(jī)F020,單片機(jī)收到信號(hào)后,通過其I/O端口的P6.0和P6.1的輸出狀態(tài)分別控制開關(guān)MAX4534的地址端A0和A1。若A0和A1分別為0,則接通開關(guān)NO1,如表1所示,使得檢測(cè)電路的MAX491接收端處于導(dǎo)通態(tài),從而形成一個(gè)通路。此時(shí)單片機(jī)回發(fā)一個(gè)通路信號(hào)給上位機(jī),當(dāng)上位機(jī)收到通路信號(hào)后,MCU的串口TXD端就可以自由發(fā)送數(shù)據(jù),從設(shè)備發(fā)來的回應(yīng)信號(hào)也可以被MCU正常接收,從而完成整個(gè)通信過程。
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1.3 RS-232(TTL電平)接口電路的設(shè)計(jì)
??? 因?yàn)閺膯纹瑱C(jī)引腳出來的信號(hào)即為TTL電平,所以TTL電平的RS-232接口無需進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換,直接通過模擬開關(guān)MAX4534與串口相連。
??? 對(duì)于五線RS-232接口,由于C8051F020串口只有兩根線接RXD和TXD,RTS和CTS通過其兩個(gè)I/O口來實(shí)現(xiàn)。
1.4 422口的轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)
??? RS-232串行接口屬于個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)及電信應(yīng)用領(lǐng)域中最為成功的串行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn);而RS-422串行接口則是工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中最為成功的串行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn),上述這些數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)并不直接相互兼容。RS-422標(biāo)準(zhǔn)全稱是“平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性”,它定義了接口電路的特性。與RS-232不同,RS-422數(shù)據(jù)信號(hào)采用差分傳輸方式,也稱作平衡傳輸,它使用一對(duì)雙絞線,將其中一線定義為A,另一線定義為B。通常情況下,發(fā)送驅(qū)動(dòng)器A、B之間的正電平在+2~+6V,是一個(gè)邏輯狀態(tài),負(fù)電平在-2~-6V。RS-422的最大傳輸距離為4 000英尺(約1219米),最大傳輸速率為10Mbps,最多可接10個(gè)節(jié)點(diǎn),具有單獨(dú)的發(fā)送和接收通道,故無需控制數(shù)據(jù)方向。
??? RS-232與RS-422之間的電平轉(zhuǎn)換采用MAXIM公司生產(chǎn)的差分平衡型收發(fā)器芯片MAX491實(shí)現(xiàn),它適合于RS-422/RS-485通信標(biāo)準(zhǔn),包含1個(gè)發(fā)送驅(qū)動(dòng)器和1個(gè)接收器。RE為接收器輸入允許端,接地;DE為驅(qū)動(dòng)器輸出允許端,接+5V 的電壓。單片機(jī)控制信號(hào)使MAX491接收端自動(dòng)禁能,以免整個(gè)有線通信環(huán)路形成正反饋造成自激,而MAX491發(fā)送端則自由導(dǎo)通,控制信號(hào)正常輸出。
2 軟件編程
??? 軟件程序主要包括:上位機(jī)可視化界面程序和單片機(jī)與PC串口通信程序。單片機(jī)采用C51語(yǔ)言編程,上位機(jī)的操作顯示界面采用C++ Builder進(jìn)行可視化編程。
2.1 上位機(jī)可視化界面編程
??? 以C++ Builder為開發(fā)工具,利用串行通信控件MSComm進(jìn)行編程,實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)的控制。本通信系統(tǒng)中規(guī)定的字符格式為:每一幀的數(shù)據(jù)占10位,其中1位起始位,8位數(shù)據(jù)位,1位停止位,無奇偶校驗(yàn)位。中間的8位數(shù)據(jù)位即為有效的通信傳輸字節(jié)。為了增強(qiáng)通信的可靠性、減少通信的誤碼率,雙方的波特率設(shè)置為4 800bps,以較低速度進(jìn)行通信。軟件握手協(xié)議規(guī)定如下:PC機(jī)發(fā)送握手信號(hào)0xFF給單片機(jī),單片機(jī)接收到的上位機(jī)數(shù)據(jù)若為握手信號(hào)0xFF,則回送一個(gè)正確信號(hào)060606給PC機(jī),表示握手成功,PC機(jī)即可發(fā)送數(shù)據(jù)包,單片機(jī)經(jīng)校驗(yàn)正確后將該數(shù)據(jù)包直接存儲(chǔ)接收,并從中分解有效的數(shù)據(jù)信息;若單片機(jī)接收到的上位機(jī)數(shù)據(jù)不是握手信號(hào),則回送一個(gè)錯(cuò)誤信號(hào)151515,并繼續(xù)等待。 人機(jī)界面如圖4所示。
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??? 進(jìn)入控制界面后,首先根據(jù)上位機(jī)與單片機(jī)的通信協(xié)議,選擇串口號(hào)、通信波特率、奇偶校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位以及停止位。當(dāng)上位機(jī)在界面的接口選項(xiàng)中點(diǎn)擊要通信的串口時(shí),就會(huì)觸發(fā)一個(gè)傳輸信號(hào)給單片機(jī),單片機(jī)根據(jù)協(xié)議控制電子模擬開關(guān)接通相應(yīng)的串口電路,同時(shí)回發(fā)一個(gè)通路信號(hào)給上位機(jī),從而使界面上的串口指示呈現(xiàn)綠色狀態(tài),表明通信電路已接通,可以開始發(fā)送和接收數(shù)據(jù)了。上位機(jī)通信流程如圖5所示。
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2.2 單片機(jī)與PC串口通信編程
??? 在本設(shè)計(jì)中主要用到了單片機(jī)的定時(shí)器,I/O端口、UART、優(yōu)先權(quán)交叉開關(guān)" title="交叉開關(guān)">交叉開關(guān)、中斷設(shè)置、時(shí)鐘信號(hào)、寄存器、D/A和A/D等。定義F020的UART0與計(jì)算機(jī)連接,UART1與各串口相連。首先優(yōu)先權(quán)交叉開關(guān)譯碼器將交叉開關(guān)端口P0~3的引腳分配給UART0、UART1、/INT0 和/INT1。設(shè)置XBARE=1以使能交叉開關(guān)。UART0 有最高優(yōu)先權(quán),所以P0.0 被分配給TX0,P0.1 被分配給RX0;其次是UART1,P0.2 被分配給TX1,P0.3 被分配給RX1;P0.4 被分配給/INT0。由于外部存儲(chǔ)器接口選在低端口(EMIFLE=1),所以交叉開關(guān)跳過P0.6(/RD)和P0.7(/WR)。又因?yàn)橥獠看鎯?chǔ)器接口被配置為復(fù)用方式,所以交叉開關(guān)也跳過P0.5(ALE)。下一個(gè)未被跳過的引腳P1.0 被分配給/INT1。將外部存儲(chǔ)器接口配置為復(fù)用方式并使用低端口,將P1.2、P1.3 和P1.4 配置為模擬輸入,以便用ADC1 測(cè)量加在這些引腳上的電壓。
??? 當(dāng)交叉開關(guān)配置寄存器XBR0、XBR1 和XBR2 中外設(shè)的對(duì)應(yīng)使能位被設(shè)置為邏輯‘1’時(shí),交叉開關(guān)將端口引腳分配給外設(shè)。將UART0 的TX 引腳(TX0,P0.0)、UART1 的TX 引腳(TX1,P0.2)、ALE、/RD、/WR(P0.[7:3])的輸出設(shè)置為推挽方式,通過設(shè)置P0MDOUT=0xE5 來實(shí)現(xiàn)。通過設(shè)置P2MDOUT=0xFF、P3MDOUT=0xFF和P6MDOUT=0xFF 將EMIF 端口(P2、P3、P6)的輸出方式配置為推挽方式。單片機(jī)通信主程序流程如圖6所示。
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??? 本設(shè)計(jì)在對(duì)其核心器件C8051F020編程和對(duì)硬件板調(diào)試時(shí)用到了Cygnal IDE Cygnal集成開發(fā)環(huán)境軟件。Cygnal集成開發(fā)環(huán)境使用標(biāo)準(zhǔn)的Windows95/98/NT/2000作為界面,利用PC機(jī)的串行口和目標(biāo)板的JTAG接口實(shí)現(xiàn)IDE與目標(biāo)系統(tǒng)中的單片機(jī)通信(每套開發(fā)系統(tǒng)都有RS-232至JTAG協(xié)議轉(zhuǎn)換所需的串行適配器),與目標(biāo)系統(tǒng)連接后可進(jìn)行非插入式、全速的在線調(diào)試并在系統(tǒng)內(nèi)編程。在整個(gè)程序中,單片機(jī)的編程操作要完全符合時(shí)序規(guī)范要求,在實(shí)踐中很好地實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)控制PC與各串口的通信功能,各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到了預(yù)先的設(shè)計(jì)要求。
??? 此外,該串口適配器可以很容易擴(kuò)展其他接口的接入,可以用I/O口接數(shù)字接口,也可以通過單片機(jī)的A/D和D/A接模擬信號(hào)接口。若外圍接口過多,則可以合并為一個(gè)或幾個(gè)接口,只需在電路中加繼電器(繼電器受單片機(jī)的I/O控制)進(jìn)行輸出切換即可。
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