RS 232串口通信在PC機與單片機通信中的應用

　　隨著信息技術的飛速發(fā)展和科技進步，在許多現代化集中管理的控制系統(tǒng)中，需要對現場數據進行統(tǒng)計、分析、打印、報警等，同時又要對現場設備進行實時控制，完成各種操作。單片機作為控制系統(tǒng)中必不可少的部分，在各個領域得到了廣泛的應用。

　　由于單片機具有體積小、價格低廉、適應性強的特點，一般在工業(yè)控制系統(tǒng)中，各種數據的采集和執(zhí)行機構的控制都是由單片機來完成。而單片機的計算能力有限，難以進行復雜的數據處理。在功能比較復雜的自動控制系統(tǒng)中，通常以工控機為上位機，單片機為下位機，由單片機完成數據的采集及對設備的控制，而由上位機完成各種復雜的數據處理及對單片機的控制。在分布式控制系統(tǒng)中大多采用單片機作為下位機來進行數據采集和現場控制，在這些應用中，單片機只是直接面對被控對象底層，而對采集到的數據進行進一步的分析和處理工作，則是由功能強大的PC機來完成的。

　　因此，PC機和單片機之間就有著大量的數據交換。在絕大多數PC機的標準配置中，都有一個到多個RS 232串口，因為RS 232串口擔負著PC機和單片機之間大量的數據交換的重任。單片機89C52用于自動控制及數據傳輸，并通過RS 232接口向上位機進行數據通信。

　　1 RS 232串口通信

　　1．1 RS 232C標準

　　RS 232C標準（協(xié)議）的全稱是EIA-RS-232C標準，其中EIA（Electronic Industry Association）代表美國電子工業(yè)協(xié)會，RS（ecommeded standard）代表推薦標準，232是標識號，C代表RS 232的最新一次修改。在這之前，有RS 232B，RS 232A，它規(guī)定連接電纜和機械、電氣特性、信號功能及傳送過程。

　　1．2 RS 232的接口引腳定義

　　由于RS 232C并未定義連接器的物理特性，因此，出現了DB-25，DB-15和DB-9各種類型的連接器，其引腳定義也各不相同。常用的連接器接口圖如圖1所示，DB9的引腳功能見表1。

　　圖1 DB9的引腳圖

　　RS 232C標準接口有25條線，分別為4條數據線、11條控制線、3條定時線、7條備用和未定義線，常用的只有9根，它們是：

　　（1）狀態(tài)線

　　數據準備就緒（Data Set Ready，DSR）：有效時（ON）狀態(tài)，表明數據通信設備可以使用。

　　數據終端就緒（Data Terminal Ready，DTR）：有效時（ON）狀態(tài)，表明數據終端設備可以使用。

　　這兩個信號有時連到電源上，上電就立即有效。

　　這兩個設備狀態(tài)信號有效，只表示設備本身可用，并不說明通信鏈路可以開始進行通信了，能否開始進行通信由下面的控制信號決定。

　　（2）聯(lián)絡線

　　請求發(fā)送（Request to Send，RTS）：DTE準備向DCE發(fā)送數據，DTE使該信號有效（ON狀態(tài)），通知DCE要發(fā)送數據給DCE了。

　　允許發(fā)送（Clear to Send，CTS）：對RTS的響應信號。當DCE已準備好接收DTE傳來的數據時，使該信號有效，通知DTE開始發(fā)送數據。

　　RTS/CTS請求應答聯(lián)絡信號是用于半雙工MODEM系統(tǒng)中發(fā)送方式和接收方式之間的切換。在全雙工系統(tǒng)中，因配置雙向通道，故不需要RTS/CTS聯(lián)絡信號，使其變高。

　　（3）數據線

　　發(fā)送數據（Transmitted Data，TXD）：DTE發(fā)送數據到DCE。

　　接收數據（Received Data，RXD）：DCE發(fā)送數據到DTE。

　　（4）地線

　　有兩根線SG，PG：信號地和保護地信號線。

　　（5）其余

　　載波檢測（Carrier Detection，CD）：用來表示DCE已接通通信鏈路，告知DTE準備接收數據。

　　振鈴指示（Ringlng，RI）：當DCE收到交換臺送來的振鈴呼叫信號時，使該信號有效（ON狀態(tài)），通知DTE，已被呼叫。

　　通常的應用系統(tǒng)中，往往是在CPU和I/O設備之間傳送信息，兩者都是DTE，上位機和單片機89C52之間的通信，雙方都能發(fā)送和接收，他們的連接只需要使用三根線即可，即RXD，TXD和GND，這種連接方式，即兩個串口連接時，接收數據針腳與發(fā)送數據針腳相連，彼此交叉，信號地對應接地即可。連接方式如圖2所示。

　　圖2 上位機和單片機之間串口連接圖

　　1．3 波特率的概念

　　串行通信中，每秒傳送的數據位稱為波特率。如數據傳送的波持率為1200波特，采用N．8．1幀格式（10位），則每秒傳送字節(jié)為120個，而字節(jié)中每一位傳送時間即為波特率的倒數：T=1/1 200=0．833 ms。同樣，如數據傳送的波特率為1 9 200波特，則字節(jié)中每一位傳送時間T=1/19 200=0．052 ms。根據數據傳送的波特率即字節(jié)中每一位的傳送時間，便可用普通I/O口來模擬實現串行通信的時序。

　　1．4 RS 232C的電氣特性

　?。?）邏輯電平

　　在TXD和RXD上：

　　邏輯1（MARK）：-3～-15 V；

　　邏輯0（SPACE）：+3～+15 V。

　　在RTS，CTS，DSR，DTR和DCD等控制線上：

　　信號有效（接通，ON狀態(tài)，正電壓）：+3～+15 V；

　　信號無效（斷開，OFF狀態(tài)，負電壓）：-3～-15 V。

　　由以上定義可以看出，信號無效的電平低于-3 V，也就是當傳輸電平的絕對值大于3 V時，電路可以有效地檢查出來，介于-3～+3 V之間的電壓無意義，低于-1 5 V或高于+15 V的電壓也認為無意義，因此，實際工作時，應保證電平的絕對值在3～15 V之間。當計算機和TTL電平的設備通信時，如上位機和單片機通信時，需要使用RS 232/TTL電平轉換器件，常用的有MAX232。

　　1．5 RS 232與單片機之間的接口電路MAX232

　　由于RS 232信號的電平和單片機串口信號的電平不一致，必須進行二者之間的電平轉換。MAX232由單一的+5 V電源供電，只需配5個高精度10μF/50 V的鉭電容即可完成電平轉換，轉換后的串行信號TXD，RXD直接與上位機的串口連接。MAX232芯片的內部結構基本可分三個部分：

　　第一部分是電荷泵電路。由1，2，3，4，5，6腳和4只電容構成。功能是產生+12 V和-1 2 V兩個電源，提供給RS 232串口電平的需要。

　　第二部分是數據轉換通道。由7，8，9，10，11，12，13，14腳構成兩個數據通道。其中13腳（R1in）、12腳（R1out）、11腳 （T1in）、14腳（T1out）為第一數據通道。8腳（R2in）、9腳（R2out）、10腳（T2in）、7腳（T2out）為第二數據通道。 TTL/COMS數據從T1in，T2in輸入轉換成RS 232數據從T1out，T2out送到電腦DB9插頭；DB9插頭的RS 232數據從R1in，R2in輸入轉換成TTL/COMS數據后從R1out，R2out輸出。

　　第三部分是供電。1 5腳GND、16腳VCC（+5 V）。

　　圖3 RS 232與MAX232的連接圖

　　1．6 RS 232的不足之處

　　（1）傳輸距離有限，實際最大傳輸距離只有50 m。

　　（2）傳輸速率較低，在異步傳輸時，速率最大為19 200 b。

　?。?）接口使用一根信號線和一根信號返回線而構成共地的傳輸形式，這種共地傳輸容易產生共模干擾，所以抗噪聲干擾性弱。

　　1．7 消除干擾噪聲的主要方法

　　針對以上所述RS 232易產生共模干擾的問題，常用的解決方法主要是采用光隔離器，光隔離器穿過一個隔離的屏障來傳輸信號。一個光隔離器由一個光敏電阻耦合的發(fā)光二極管構成。流過發(fā)光二極管的電流使得它以可見光或者紅外線的方式釋放能量。這些能量將這個光敏電阻打開，導致在這個電阻的發(fā)射極和集電極之間的低阻抗。這個發(fā)光二極管的基極可以留著沒有連接。從基極到發(fā)射極加入一個電阻可以導致更快的開關速度，但是輸出電流更低。

　　2 結語

　　RS 232串口通信是PC機和單片機之間信息傳遞的樞紐，一切數據和指令的傳輸必須由RS 232串口來完成。針對RS 232存在的不足之處加以改進之后，RS 232使得PC機和單片機之間能高效地通信，采用電平轉換芯片MAX232實現TTL邏輯電平和RS 232電平之間的相互轉換，轉換之后的串行信號TXD，RXD直接與PC機的串口連接，如此連接，既可體現出單片機的靈活控制功能，又可發(fā)揮出PC機強大的計算和顯示功能，有利于對現場信號的實時采集、處理和監(jiān)控，確保了良好的人機界面的交互性。