RS-232串口通信在PC機(jī)與單片機(jī)通信中的應(yīng)用
由于單片機(jī)具有體積小、價(jià)格低廉、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，一般在工業(yè)控制系統(tǒng)中，各種數(shù)據(jù)的采集和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制都是由單片機(jī)來完成。而單片機(jī)的計(jì)算能力有限，難以進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理。在功能比較復(fù)雜的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，通常以工控機(jī)為上位機(jī)，單片機(jī)為下位機(jī)，由單片機(jī)完成數(shù)據(jù)的采集及對設(shè)備的控制，而由上位機(jī)完成各種復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理及對單片機(jī)的控制。在分布式控制系統(tǒng)中大多采用單片機(jī)作為下位機(jī)來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和現(xiàn)場控制，在這些應(yīng)用中，單片機(jī)只是直接面對被控對象底層，而對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析和處理工作，則是由功能強(qiáng)大的PC機(jī)來完成的。
因此，PC機(jī)和單片機(jī)之間就有著大量的數(shù)據(jù)交換。在絕大多數(shù)PC機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置中，都有一個(gè)到多個(gè)RS 232串口，因?yàn)镽S 232串口擔(dān)負(fù)著PC機(jī)和單片機(jī)之間大量的數(shù)據(jù)交換的重任。單片機(jī)89C52用于自動(dòng)控制及數(shù)據(jù)傳輸，并通過RS 232接口向上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。
1 RS 232串口通信
1.1 RS 232C標(biāo)準(zhǔn)
RS 232C標(biāo)準(zhǔn)（協(xié)議）的全稱是EIA-RS-232C標(biāo)準(zhǔn)，其中EIA（Electronic Industry Association）代表美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)，RS（ecommeded standard）代表推薦標(biāo)準(zhǔn)，232是標(biāo)識(shí)號(hào)，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(jī)械、電氣特性、信號(hào)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(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)接口有25條線，分別為4條數(shù)據(jù)線、11條控制線、3條定時(shí)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(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒（Data Set Ready,DSR）：有效時(shí)（ON）狀態(tài)，表明數(shù)據(jù)通信設(shè)備可以使用。
數(shù)據(jù)終端就緒（Data Terminal Ready，DTR）：有效時(shí)（ON）狀態(tài)，表明數(shù)據(jù)終端設(shè)備可以使用。
這兩個(gè)信號(hào)有時(shí)連到電源上，上電就立即有效。
這兩個(gè)設(shè)備狀態(tài)信號(hào)有效，只表示設(shè)備本身可用，并不說明通信鏈路可以開始進(jìn)行通信了，能否開始進(jìn)行通信由下面的控制信號(hào)決定。
。2）聯(lián)絡(luò)線
請求發(fā)送（Request to Send,RTS）：DTE準(zhǔn)備向DCE發(fā)送數(shù)據(jù)，DTE使該信號(hào)有效（ON狀態(tài)），通知DCE要發(fā)送數(shù)據(jù)給DCE了。
允許發(fā)送（Clear to Send,CTS）：對RTS的響應(yīng)信號(hào)。當(dāng)DCE已準(zhǔn)備好接收DTE傳來的數(shù)據(jù)時(shí)，使該信號(hào)有效，通知DTE開始發(fā)送數(shù)據(jù)。
RTS/CTS請求應(yīng)答聯(lián)絡(luò)信號(hào)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(luò)信號(hào)，使其變高。
。3）數(shù)據(jù)線
發(fā)送數(shù)據(jù)（Transmitted Data,TXD）：DTE發(fā)送數(shù)據(jù)到DCE。
接收數(shù)據(jù)（Received Data,RXD）：DCE發(fā)送數(shù)據(jù)到DTE。
。4）地線
有兩根線SG，PG:信號(hào)地和保護(hù)地信號(hào)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(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)。
振鈴指示（Ringlng，RI）：當(dāng)DCE收到交換臺(tái)送來的振鈴呼叫信號(hào)時(shí)，使該信號(hào)有效（ON狀態(tài)），通知DTE，已被呼叫。
通常的應(yīng)用系統(tǒng)中，往往是在CPU和I/O設(shè)備之間傳送信息，兩者都是DTE,上位機(jī)和單片機(jī)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(gè)串口連接時(shí)，接收數(shù)據(jù)針腳與發(fā)送數(shù)據(jù)針腳相連，彼此交叉，信號(hào)地對應(yīng)接地即可。連接方式如圖2所示。
圖2 上位機(jī)和單片機(jī)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(shù)據(jù)位稱為波特率。如數(shù)據(jù)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(gè)，而字節(jié)中每一位傳送時(shí)間即為波特率的倒數(shù)：T=1/1 200=0.833 ms。同樣，如數(shù)據(jù)傳送的波特率為1 9 200波特，則字節(jié)中每一位傳送時(shí)間T=1/19 200=0.052 ms。根據(jù)數(shù)據(jù)傳送的波特率即字節(jié)中每一位的傳送時(shí)間，便可用普通I/O口來模擬實(shí)現(xiàn)串行通信的時(shí)序。
1.4 RS 232C的電氣特性
。1）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(hào)有效（接通，ON狀態(tài)，正電壓）：+3~+15 V；
信號(hào)無效（斷開，OFF狀態(tài)，負(fù)電壓）：-3~-15 V。
由以上定義可以看出，信號(hào)無效的電平低于-3 V,也就是當(dāng)傳輸電平的絕對值大于3 V時(shí)，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(rèn)為無意義，因此，實(shí)際工作時(shí)，應(yīng)保證電平的絕對值在3~15 V之間。當(dāng)計(jì)算機(jī)和TTL電平的設(shè)備通信時(shí)，如上位機(jī)和單片機(jī)通信時(shí)，需要使用RS 232/TTL電平轉(zhuǎn)換器件，常用的有MAX232。
1.5 RS 232與單片機(jī)之間的接口電路MAX232
由于RS 232信號(hào)的電平和單片機(jī)串口信號(hào)的電平不一致，必須進(jìn)行二者之間的電平轉(zhuǎn)換。MAX232由單一的+5 V電源供電，只需配5個(gè)高精度10μF/50 V的鉭電容即可完成電平轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的串行信號(hào)TXD,RXD直接與上位機(jī)的串口連接。MAX232芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本可分三個(gè)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(gòu)成。功能是產(chǎn)生+12 V和-1 2 V兩個(gè)電源，提供給RS 232串口電平的需要。
第二部分是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道。由7，8，9，10，11，12，13，14腳構(gòu)成兩個(gè)數(shù)據(jù)通道。其中13腳（R1in）、12腳（R1out）、11腳（T1in）、14腳（T1out）為第一數(shù)據(jù)通道。8腳（R2in）、9腳（R2out）、10腳（T2in）、7腳（T2out）為第二數(shù)據(jù)通道。TTL/COMS數(shù)據(jù)從T1in,T2in輸入轉(zhuǎn)換成RS 232數(shù)據(jù)從T1out，T2out送到電腦DB9插頭；DB9插頭的RS 232數(shù)據(jù)從R1in，R2in輸入轉(zhuǎn)換成TTL/COMS數(shù)據(jù)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(shí)際最大傳輸距離只有50 m。
。2）傳輸速率較低，在異步傳輸時(shí)，速率最大為19 200 b。
。3）接口使用一根信號(hào)線和一根信號(hào)返回線而構(gòu)成共地的傳輸形式，這種共地傳輸容易產(chǎn)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(chǎn)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(gè)隔離的屏障來傳輸信號(hào)。一個(gè)光隔離器由一個(gè)光敏電阻耦合的發(fā)光二極管構(gòu)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(gè)光敏電阻打開，導(dǎo)致在這個(gè)電阻的發(fā)射極和集電極之間的低阻抗。這個(gè)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(gè)電阻可以導(dǎo)致更快的開關(guān)速度，但是輸出電流更低。
2 結(jié)語
RS 232串口通信是PC機(jī)和單片機(jī)之間信息傳遞的樞紐，一切數(shù)據(jù)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(jìn)之后，RS 232使得PC機(jī)和單片機(jī)之間能高效地通信，采用電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232實(shí)現(xiàn)TTL邏輯電平和RS 232電平之間的相互轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換之后的串行信號(hào)TXD，RXD直接與PC機(jī)的串口連接，如此連接，既可體現(xiàn)出單片機(jī)的靈活控制功能，又可發(fā)揮出PC機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算和顯示功能，有利于對現(xiàn)場信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、處理和監(jiān)控，確保了良好的人機(jī)界面的交互性。
編輯：admin 最后修改時(shí)間：2018-05-08
