如何利用單片機(jī)設(shè)計(jì)智能家居系統(tǒng)中的上位機(jī)？

引言

上位機(jī)設(shè)計(jì)是智能家居系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，擔(dān)負(fù)著管理、控制、維護(hù)和用戶界面操作的重任，高效可靠的上位機(jī)設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)作的重要保障。上位機(jī)與系統(tǒng)的通信實(shí)際上是與下端單片機(jī)的通信。單片機(jī)或單片機(jī)系統(tǒng)是智能家居控制的核心，當(dāng)計(jì)算機(jī)作為單片系統(tǒng)的一個(gè)角色時(shí)，通常被稱為“工控機(jī)”或“上位機(jī)”，各獨(dú)立的單片機(jī)是系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)功能的一個(gè)模塊，所以有時(shí)也稱單片機(jī)為模塊。

計(jì)算機(jī)與單片機(jī)是通過(guò)串口來(lái)實(shí)現(xiàn)通信的，本文著重討論計(jì)算機(jī)與單片機(jī)的串口通信的實(shí)現(xiàn)方法和MSComm控件技術(shù)。

1上位機(jī)在智能家居系統(tǒng)的角色

首先，必須認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)在智能家居系統(tǒng)的作用，可以概括為以下幾個(gè)方面：

1．1 通信測(cè)試工具

傳統(tǒng)的單片機(jī)系統(tǒng)的通信測(cè)試通過(guò)示波器來(lái)監(jiān)測(cè)，既不直觀又容易丟失信息。將計(jì)算機(jī)加入到系統(tǒng)中，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到線路中的信息，并以數(shù)字化呈現(xiàn)，使各個(gè)單片機(jī)間的通信得到檢驗(yàn)，及時(shí)解決系統(tǒng)存在的問題。所以計(jì)算機(jī)在加速系統(tǒng)的開發(fā)和保證系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量的作用就不言而喻了。

1．2 系統(tǒng)維護(hù)

一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)往往需要對(duì)系統(tǒng)中各個(gè)不同功能的模塊(單片機(jī))進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置，以適應(yīng)不同的運(yùn)行環(huán)境，雖然可以通過(guò)各模塊的控制面板來(lái)調(diào)整，但操作通常比較麻煩，非專業(yè)人員不易掌握。同時(shí)對(duì)于一些需要定義其地理位置的參數(shù)難以實(shí)現(xiàn)，不夠直觀。計(jì)算機(jī)加入到系統(tǒng)中，不但可以解決操作上的問題，同時(shí)還可以讀取各模塊的參數(shù)，以便于調(diào)整。

1．3 單片機(jī)

計(jì)算機(jī)可以作為單片機(jī)系統(tǒng)的一個(gè)模塊，完成相應(yīng)的功能。計(jì)算機(jī)應(yīng)答系統(tǒng)的請(qǐng)求、處理系統(tǒng)中的信息，一方面將信息呈現(xiàn)給用戶，另一方面計(jì)算機(jī)程序通過(guò)自動(dòng)計(jì)算或用戶的輸入，將信息反饋到系統(tǒng)中，參與系統(tǒng)的控制。

1．4 主控機(jī)

在單片機(jī)系統(tǒng)中，往往存在一個(gè)主控機(jī)或主控模塊，負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的統(tǒng)籌和設(shè)置。單片機(jī)系統(tǒng)通常是通過(guò)各功能模塊的輸入和響應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能的，因此必須有一個(gè)負(fù)責(zé)收集輸入任務(wù)并指定響應(yīng)模塊的主控模塊。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中既可以是一個(gè)普通的模塊，又可以是負(fù)責(zé)總體協(xié)調(diào)的主控器。

2 通信協(xié)議

一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)構(gòu)成的。硬件是實(shí)現(xiàn)功能的前提，而系統(tǒng)功能則是通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，為了保證各個(gè)模塊通信，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信息交流，必須制訂系統(tǒng)的通信協(xié)議。

從物理上來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)各模塊是以半雙工的模式來(lái)通信的，下文提及的智能照明系統(tǒng)下端模塊就是以半雙工的RS 485總路線為通信架構(gòu)的。而計(jì)算機(jī)的RS 232串口是以全雙工的模式來(lái)實(shí)現(xiàn)通信的，因此，計(jì)算機(jī)要通過(guò)串口參與到單片機(jī)系統(tǒng)中必須增加一個(gè)RS 232和RS 485總線轉(zhuǎn)換的模塊。

從邏輯上講，要實(shí)現(xiàn)各模塊之間的通信，就必須在模塊間約定一個(gè)共同遵守的通信協(xié)議。單片機(jī)以位(b)為基本單位，傳輸時(shí)以8位1字節(jié)(B)來(lái)傳輸，單片機(jī)以毫秒間距發(fā)送若干個(gè)字節(jié)為一個(gè)數(shù)據(jù)包，也稱為一幀，幀之間又規(guī)定若干毫秒的間隙。通過(guò)計(jì)算機(jī)程序可以捕獲線路中每一幀信息。

下面以智能照明系統(tǒng)為例，講述單片機(jī)系統(tǒng)的通信協(xié)議。

本協(xié)議采用異步串行通信方式，字節(jié)幀格式：1個(gè)起始位+8個(gè)數(shù)據(jù)位+1個(gè)停止位，無(wú)校驗(yàn)位。

幀格式如下：

l幀=幀頭(F4H F5H)+數(shù)據(jù)包+幀尾(F4HFBH)<255B

數(shù)據(jù)包=有效字節(jié)數(shù)(1B)+傳輸層數(shù)據(jù)+校驗(yàn)和(1B)<251B

幀數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收過(guò)程中前后兩字節(jié)數(shù)據(jù)傳送延時(shí)不得超過(guò)O.5s。

各模塊分配兩個(gè)字節(jié)的地址碼，第一字節(jié)代表模塊類型，第二字節(jié)代表模塊在系統(tǒng)中分配的順序。各模塊獲取總線上的幀后，對(duì)自己的地址幀響應(yīng)，其他的幀拋掉。

以下是本協(xié)議中的關(guān)于“燈開停控制”的協(xié)議：

描述：該信息是輸出子模塊的各路燈的開或關(guān)控制。

構(gòu)成：該信息發(fā)送時(shí)由信息頭和信息內(nèi)容構(gòu)成，返回時(shí)由信息頭構(gòu)成。

主控器或PC機(jī)發(fā)給輸出模塊時(shí)：

系統(tǒng)的通信按照規(guī)定的各條協(xié)議來(lái)執(zhí)行。

3 計(jì)算機(jī)通信的實(shí)現(xiàn)

計(jì)算機(jī)硬件上通過(guò)RS 232與RS 485接口轉(zhuǎn)換與下端模塊進(jìn)行通信。而軟件的實(shí)現(xiàn)有多種方法，下面主要介紹在VB 6．0通過(guò)MSComm控件來(lái)實(shí)現(xiàn)通信的方法。

3．1 將MSComm控件引入到VB平臺(tái)

MSComm控件通過(guò)串行端口傳輸和接收數(shù)據(jù)，為應(yīng)用程序提供串行通訊功能。MSComm控件在串口編程時(shí)非常方便，程序員不必去花時(shí)間去了解較為復(fù)雜的API函數(shù)，而且在VC，VB，Delphi等語(yǔ)言中均可使用。

MSComm是Mierosoft公司提供的簡(jiǎn)化Windows下串行通信編程的ActiveX控件，它為應(yīng)用程序提供了通過(guò)串行接口收發(fā)數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)便方法。具體的來(lái)說(shuō)，它提供了兩種處理通信問題的方法：一是事件驅(qū)動(dòng)(Eventdriyen)方法，一是查詢法。

3．2 MSComm控件的設(shè)置

3．2．1 MSComm控件的屬性

MSComm控件有很多重要的屬性，正確設(shè)置其屬性是程序進(jìn)行正常通信的保證，下面介紹幾個(gè)必須熟悉的屬性。

CommPort：設(shè)置并返回通訊端口號(hào)。

Settings：以字符串的形式設(shè)置并返回波特率、奇偶校驗(yàn)、數(shù)據(jù)位、停止位。

PortOpen：設(shè)置并返回通訊端口的狀態(tài)，也可以打開和關(guān)閉端口。

Input：從接收緩沖區(qū)返回和刪除字符。

InputMode：接收模式，取O值時(shí)，接收文本數(shù)據(jù)；取1時(shí)，接收二進(jìn)制數(shù)據(jù)。

Output：向傳輸緩沖區(qū)寫一個(gè)字符串。

Rthrehold：響應(yīng)模式，取整數(shù)。當(dāng)接收字符后，若Rthrehold屬性設(shè)置為O，則不產(chǎn)生OnComm事件；若設(shè)置為1，則接收緩沖區(qū)收到每一個(gè)字符都會(huì)使MSComm控件產(chǎn)生OnComm事件。

Sthreshold：發(fā)送模式，設(shè)置O(缺省值)，數(shù)據(jù)傳輸事件不會(huì)產(chǎn)生OnComm事件；設(shè)置為1，當(dāng)傳輸緩沖區(qū)完全空時(shí)，MSComm控件產(chǎn)生OnComm事件。如果在傳輸緩沖區(qū)中的字符數(shù)小于value，CommEvent屬性設(shè)置為comEvSend，并產(chǎn)生OnComm事件。

Handshake：通信握手模式，取值為O時(shí)，無(wú)握手；取值為1時(shí)，表示XOn／Xoff握手；取值為2時(shí)，表示Request-to＼-send／clear-to-send握手；取值為3時(shí)，表示eqLlest-to-send＆clear-to-send握手皆可。

3．2．2 MSComm控件兩種處理通訊的方式

MSComm控件提供下列兩種處理通訊的方式：事件驅(qū)動(dòng)方式和查詢方式。

(1)事件驅(qū)動(dòng)方式

事件驅(qū)動(dòng)通訊是處理串行端*互作用的一種非常有效的方法。在許多情況下，在事件發(fā)生時(shí)需要得到通知，例如，在串口接收緩沖區(qū)中有字符，或者CarrierDetect(CD)或Request To Send(RTS)線上一個(gè)字符到達(dá)或一個(gè)變化發(fā)生時(shí)。在這些情況下，可以利用MSComm控件的OnComm事件捕獲并處理這些通訊事件。OnComm事件還可以檢查和處理通訊錯(cuò)誤。所有通訊事件和通訊錯(cuò)誤的列表，參閱CommEvent屬性。在編程過(guò)程中，就可以在OnComm事件處理函數(shù)中加入自己的處理代碼。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是程序響應(yīng)及時(shí)，可靠性高。每個(gè)MSComm控件對(duì)應(yīng)著一個(gè)串行端口。如果應(yīng)用程序需要訪問多個(gè)串行端口，必須使用多個(gè)MSComm控件。

(2)查詢方式

查詢方式實(shí)質(zhì)上還是事件驅(qū)動(dòng)，但在有些情況下，這種方式顯得更為便捷。在程序的每個(gè)關(guān)鍵功能之后，可以通過(guò)檢查CommEvent屬性的值來(lái)查詢事件和錯(cuò)誤。如果應(yīng)用程序較小，并且是自保持的，這種方法可能是更可取的。例如，如果寫一個(gè)簡(jiǎn)單的電話撥號(hào)程序，則沒有必要對(duì)每接收一個(gè)字符都產(chǎn)生事件，因?yàn)槲┮坏却邮盏淖址钦{(diào)制解調(diào)器的“確定”響應(yīng)。

3．3 計(jì)算機(jī)信息發(fā)送和接收的實(shí)現(xiàn)

下面以智能照明系統(tǒng)中PC機(jī)與主控器的通信，說(shuō)明計(jì)算機(jī)與單片機(jī)通信的實(shí)現(xiàn)方法。以下是實(shí)現(xiàn)的主要子程序。

頁(yè)面裝載程序：

通信建立后，計(jì)算機(jī)就可以與下端單片機(jī)通過(guò)設(shè)定的協(xié)議進(jìn)行通信，可以測(cè)試下端模塊的響應(yīng)。

4 MSComm控件的問題和解決辦法

在實(shí)際應(yīng)用中，MSComm控件對(duì)于一問一答式的通信，效果還是可以的，所以用于單模塊的通信測(cè)試問題不大。但是，如果計(jì)算機(jī)作為單片系統(tǒng)的一個(gè)角色，要實(shí)時(shí)捕獲總線上的信息并響應(yīng)，存在失幀和誤幀的問題，如果系統(tǒng)要求不高，還可以對(duì)付，而象智能照明這樣要求信息持續(xù)、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的系統(tǒng)，利用MSComm控件處理串口通信就難以勝任了。

在智能照明系統(tǒng)中，采用了自編制的動(dòng)態(tài)庫(kù)Transdata，dll程序，作為處理串口通信的接口，誤幀率和失幀率較低，能滿足產(chǎn)品化的要求。

Transdata．dll使用說(shuō)明：

(1)初始化串口并處于通訊狀態(tài)<函數(shù)>

Init_OpenCom(byval m_str as string，byval nbaud as Integer)as Boolean

參數(shù)說(shuō)明：m_str為串口名稱，如“coml”“com2”等；nbaud為波特率，可為1200，2400，4800，9600等；返回值為Boolean，若為true則成功，否則失敗false。

(2)關(guān)閉串口結(jié)束通訊<過(guò)程>

CloseCom()

(3)發(fā)送通訊數(shù)據(jù)<過(guò)程>

SendData(n_str as byte，byval ncount as Integer)

參數(shù)說(shuō)明：n_str為要發(fā)送byte的數(shù)組的第一個(gè)字節(jié)；如要發(fā)dim ndata(11)as byte這個(gè)數(shù)組，只需用ndata(0)作為n_str參數(shù)即可；nc-ount為要發(fā)送的字節(jié)數(shù)。

(4)接收返回的數(shù)據(jù)<函數(shù)>

GetData(byval m_str as string)as string

參數(shù)說(shuō)明：m_str必須為已有能容納所要接收字串的長(zhǎng)度空間返回接收到的字串，各個(gè)字節(jié)以“＼t”隔開。

5 結(jié)語(yǔ)

利用MSComm控件雖然可以方便快捷編制出的上位機(jī)程序，但其通信效率偏低，誤幀和失幀率較高，只適用于單模塊測(cè)試。對(duì)于多模塊實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)，宜采用其他控件或自編制更有效的收發(fā)程序。