計算機與單片機的串口通信的方案設計

作者：黃海容，黃繼武，袁蘭英，王來運，余進

在以單片機為基礎的數(shù)據(jù)采集和實時控制系統(tǒng)中，通過計算機中的RS-232接口進行計算機與單片機之間的命令和數(shù)據(jù)傳送，就可以利用計算機對生產(chǎn)現(xiàn)場進行監(jiān)測和控制。由于計算機上的RS-232所傳送的距離不超過30m，所以，在遠距離的數(shù)據(jù)傳送和控制時，可以用MAX485的接口轉(zhuǎn)換芯片將RS-232轉(zhuǎn)換成RS-485協(xié)議進行遠距離傳送。在發(fā)送和接收端都進行協(xié)議轉(zhuǎn)換后，RS-485協(xié)議對數(shù)據(jù)傳送來說是相對透明的，所以依然可以使用計算機中的RS-232進行遠距離的數(shù)據(jù)傳送和控制。在最簡單的RS-232直接傳送通信系統(tǒng)中，只要發(fā)送和接收雙方同時準備好，僅用信號發(fā)送端（TXD），信號接收端（RXD）和信號地（GND）3根線即可進行通信；若以應答方式進行數(shù)據(jù)通信，可使用請求發(fā)送（RTS）、清除發(fā)送（CTS）或數(shù)據(jù)終端準備（DTR）、數(shù)據(jù)裝置準備（DSR）進行硬件握手。在Windows95下，可以很方便地使用Win32通信API函數(shù)來實現(xiàn)這些硬件的握手以及數(shù)據(jù)的傳送。在89C51單片機系統(tǒng)中，分別從P3.0和P3.1引出串口線RXD和TXD通過專用的電平轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成RS-232接口標準的電平，這樣，二者之間就可以通過RS-232接口進行數(shù)字信號的傳送。單片機也可以以直接傳送或應答握手的方式進行數(shù)據(jù)通信，但由于握手方式占用其他的端口，而單片機的端口數(shù)量有限，所以，計算機與單片機的通信常采用直接傳送的方式，本文將重點介紹。

1Windows95下的通信編程

Windows95通信體系提供了1個改進的串行應用程序接口SAPI用來進行交互式串行通信。其中，串口和其他通信設備是作為文件進行處理的，串口的打開、關閉、讀取和寫入所用的函數(shù)和操作文件的函數(shù)相同。

通信會話以調(diào)用CreateFile函數(shù)開始，CreateFile函數(shù)為讀訪問或?qū)懺L問打開串口，打開成功后返回該串口句柄，供讀寫串口時使用。CreateFile函數(shù)的使用如下：

CreateFile（szDevice，fdwAccess，fdwShareMode，lpsa，fdwCreate，fdwAttrsAndFlags，hTemplateFile）

其中，第1個參數(shù)szDevice是要打開的串口邏輯名，如COM1或COM2；第2個參數(shù)fdwAccess指定串口的訪問類型，如讀、寫或兩者兼而有之，大部分通信是雙向的，因而通常設置為：GENERICREAD｜GENERICWRITE；第3個參數(shù)fdwShareMode指定串口的共享屬性，串口不能共享，所以它必須為0；第4個參數(shù)lpsa引用安全性屬性結(jié)構(gòu)；第5個參數(shù)fdwCreate指定如果CreateFile正被已有的文件調(diào)用時應做些什么，既然串口總是存在，此參數(shù)就必須被設置為OPENEXISTING。第6個參數(shù)fdwAttrsAndFlags描述了該端口的各種屬性，對串口而言，唯一有意義的設置是FILEFLAGOVERLAPPED，指定該設置時，端口I/O可以在后臺進行；最后1個參數(shù)hTemplateFile是指向模板文件的句柄，當端口打開時，該參數(shù)為NULL。

打開串口后，在Windows95下可以對串口進行合適的配置。Windows95提供了COMMPROP結(jié)構(gòu)，COMMPROP結(jié)構(gòu)中包含了對串口允許的設置，如波特率、數(shù)據(jù)位數(shù)、停止位的個數(shù)以及奇偶校驗方法等，如果串口連接到調(diào)制解調(diào)器，COMMPROP結(jié)構(gòu)中還包含調(diào)制解調(diào)器支持的設置。但COMMPROP結(jié)構(gòu)給出的只是單純的信息，它不能用來改變串口的設置。Windows95下串口設置的改變是通過改變它的DCB結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的，DCB結(jié)構(gòu)中包含了所有串口的設置，其中包括硬件的握手、流控制等。

Windows95提供GetCommState函數(shù)來得到當前串口的設置情況，該函數(shù)接收1個打開的端口句柄和1個指向DCB結(jié)構(gòu)的指針，在DCB結(jié)構(gòu)中返回信息，GetCommState函數(shù)的補充函數(shù)是SetCommState函數(shù)，SetCommState函數(shù)將DCB結(jié)構(gòu)中的內(nèi)容寫向串口設置，這2個函數(shù)的調(diào)用如下：

BOOLGetCommState（hComm，&dcb）

BOOLSetCommState（hComm，&dcb）

其中，hComm為打開串口的句柄，dcb為1個指向DCB的結(jié)構(gòu)。

Windows95中實現(xiàn)串口的讀寫函數(shù)與文件的讀寫函數(shù)相同，讀寫函數(shù)的使用格式如下：

ReadFile（hComm，inbuff，nBytes，&nBytesRead，&overlapped）

WriteFile（hComm，outbuff，nBytes，&nBytesWrite，&overlapped）

其中，第1個參數(shù)是打開串口的句柄，第2個參數(shù)是數(shù)據(jù)所使用的緩沖區(qū)，第3個參數(shù)是要讀取的字節(jié)數(shù)，第4個參數(shù)是實際讀取的字節(jié)數(shù)，實際讀取的字節(jié)數(shù)可能小于要讀取的字節(jié)數(shù)，最后1個參數(shù)指向1個覆蓋似的結(jié)構(gòu)，當CreateFile中dwAttrsAndFlags參數(shù)設置為FILEFLAGOVERLAPPED時，此參數(shù)可以指定1個OVERLAPPED結(jié)構(gòu)，使數(shù)據(jù)的讀寫操作在后臺進行。

讀寫端口可以通過4種技術來實現(xiàn)：查詢、同步I/O、異步I/O（后臺I/O）和事件驅(qū)動I/O。查詢方式直接、易于理解，但占用大量CPU時間；同步I/O直到讀取所指定字節(jié)數(shù)或超時時才返回，這樣很容易長時間地阻塞線程；異步I/O可以在后臺讀寫數(shù)據(jù)，而在前臺做其他的事情；事件驅(qū)動I/O是由Windows95通知應用程序某些事件什么時候發(fā)生，然后根據(jù)所發(fā)生的事情來對串口進行操作。

這4種不同的技術，各有利弊和自己適用的領域，所以，在不同的通信系統(tǒng)中，可以根據(jù)不同的要求采用不同的技術。在監(jiān)測系統(tǒng)中，由于事件的偶然性和要求傳送的實時性，計算機常采用事件驅(qū)動I/O方式來進行現(xiàn)場監(jiān)測。

在事件驅(qū)動I/O方式下，Windows95報告給應用程序的事件由函數(shù)GetCommMask返回，改變返回的事件時，可以使用SetCommMask函數(shù)設置，這2個函數(shù)的調(diào)用如下：

GetCommMask（hComm，&dwMask）

SetCommMask（hComm，dwMask）

第1個參數(shù)是打開串口的句柄，第2個參數(shù)是要等待的1個或多個事件的掩碼。在用SetCommMask設置了有用的事件后，應用程序調(diào)用WaitCommEvent函數(shù)來等待事件的發(fā)生，直到事件發(fā)生，WaitCommEvent函數(shù)返回。WaitCommEvent函數(shù)使用格式如下：

WaitCommEvent（hComm，&dwEvent，&overlapped）

第1個參數(shù)是打開串口的句柄，第2個參數(shù)是返回的事件，第3個參數(shù)是指定同步或者異步操作。當函數(shù)返回后，可根據(jù)返回的事件掩碼進行相應的串口操作。

完成通信后，串口應該關閉，否則，它始終處于打開狀態(tài)，其他應用程序就不能打開或使用它。關閉串口的函數(shù)為：CloseHandle（hComm），其中，hComm為打開的串口句柄。

2單片機下的通信編程

單片機89C51的串行端口有4種工作方式，通過編程設計，可以使其工作在任一方式，以滿足不同場合的需要。其中，方式0主要用于外接移位寄存器，以擴展單片機的I/O電路；方式1主要用于雙機之間或外設電路的通信；方式2、3除有方式1的功能外，還可用作多機通信，以構(gòu)成多微機系統(tǒng)，方式2、3的區(qū)別在于波特率的不同。

單片機的串行通信的波特率可以程控設定，在不同的工作方式下，由時鐘振蕩頻率的分頻值或由定時器T1的定時溢出時間確定。

單片機的串行端口有2個控制寄存器，用來設置工作方式、發(fā)送或接收的狀態(tài)、特征位、數(shù)據(jù)傳送的波特率以及中斷標志TI和RI。

單片機的串行端口有1個數(shù)據(jù)寄存器SBUF，該寄存器為發(fā)送和接收所共有，在一定條件下，向SBUF寫入數(shù)據(jù)就啟動了發(fā)送過程，讀SBUF就啟動了接收過程。

單片機可以采用循環(huán)方式或中斷方式實現(xiàn)串行數(shù)據(jù)的傳送。在循環(huán)方式下，單片機循環(huán)對數(shù)據(jù)寄存器SBUF進行讀寫來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送；在中斷方式下，對方式1、2來說，1幀數(shù)據(jù)發(fā)送或接收完后，TI/RI自動置1，請求串行中斷，若CPU響應中斷，則執(zhí)行串行中斷服務程序，并把TI/RI清0以再次響應中斷。對在方式2、3下的接收，還要視串口控制寄存器SCON的設置才可確定RI是否被置位以及串口中斷是否開放。

實時控制中，由于事件的突發(fā)性，常采用中斷的方式進行數(shù)據(jù)傳送，中斷方式能更大限度地提高資源的利用率，使CPU在不進行數(shù)據(jù)通信時做其他的工作。下面重點介紹單片機在方式1下的中斷方式編程。

方式1是10位異步通信方式，其中包括1個起始位，8個數(shù)據(jù)位和1個停止位。波特率由定時器T1的溢出率和串口控制寄存器SMOD的狀態(tài)確定，在CPU的晶振為11.0592MHz時，波特率常采用9600b/s。

對SBUF進行寫操作就可啟動發(fā)送，在發(fā)送移位時鐘的同步下，從TXD先送出起始位，然后是8位數(shù)據(jù)位，最后是停止位，這樣，1幀數(shù)據(jù)發(fā)送完，中斷標志TI置位。

在允許接收的條件下（REN＝1），當RXD出現(xiàn)由1到0的負跳變時，即被當成是串行發(fā)送來的1幀數(shù)據(jù)的起始位，從而啟動1次接收過程。當8位數(shù)據(jù)接收完，并檢測到高電平停止位后，即把收到的8位數(shù)據(jù)裝入SBUF，置位RI，1幀數(shù)據(jù)的接收過程就完成了。

下面是單片機以方式1在直接傳送下的中斷接收和發(fā)送程序。由于沒有使用通信握手，所以通信雙方都應做好通信準備。在計算機接收、單片機發(fā)送時，由計算機先發(fā)送字母“R”，通知單片機計算機已準備好，然后計算機在事件驅(qū)動I/O方式下等待接收到字符“Y”；當單片機接收到“R”時，向計算機發(fā)送“Y”，表示單片機也已準備好，這樣，一旦計算機接收到“Y”就表示雙方都已準備好，二者之間就可以進行數(shù)據(jù)交換了。在計算機發(fā)送、單片機接收時，計算機發(fā)送1幀數(shù)據(jù)，單片機響應中斷，接收數(shù)據(jù)。單片機程序的具體實現(xiàn)過程如下：

3結(jié)束語

串口通信是一種廣泛應用于各個領域的通信方式，由于目前大部分計算機都安裝了Windows95操作系統(tǒng)，所以本文具體實現(xiàn)了在Windows95下利用它的SDK函數(shù)來與單片機進行串口通信。本文所提出的實現(xiàn)函數(shù)在所有當前流行軟件如VC++、Delphi等中都可實現(xiàn)。它不僅可以用于近距離的RS-232通信，而且，還可以實現(xiàn)中遠距離RS-485通信。在使用該程序的通信系統(tǒng)中，近遠距離的通信都取得良好的效果。

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