基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)串口通信研究

曾德康

（西華師范大學(xué)，四川 南充 637000）

0 引 言

目前，傳統(tǒng)單片機(jī)在實(shí)踐中存在功能簡(jiǎn)單、難以管理的問(wèn)題。由于單片機(jī)具有集成度高，體積面積小，抗干擾能力強(qiáng)及可靠性高等特點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用于各行各業(yè)。結(jié)合單片機(jī)和NCL，可得到具有獨(dú)特效果的通信系統(tǒng)。

1 數(shù)據(jù)串口通信的概述和方式

數(shù)據(jù)串口通信具有獨(dú)特的理論和分析方式。數(shù)據(jù)串口用于聯(lián)系計(jì)算機(jī)和通信，并充分發(fā)揮兩者特點(diǎn)。串口通信是連接數(shù)據(jù)信號(hào)線和數(shù)據(jù)控制線，并最終實(shí)現(xiàn)多樣化結(jié)合。此外，利用多樣化線路可有效連接外部計(jì)算機(jī)和部分電子設(shè)備。數(shù)據(jù)傳輸采用大數(shù)據(jù)傳輸形式，是一種簡(jiǎn)單快捷的通信方式。數(shù)據(jù)的串口通信是在串口上以字節(jié)的形式進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接受，然后確定步驟位置實(shí)現(xiàn)通信，如圖1所示。此通信方式不僅數(shù)據(jù)線少，節(jié)約成本，還可進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制和遠(yuǎn)距離通信。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)串口通信需要具體的參數(shù)指標(biāo)，如波特率、數(shù)據(jù)的奇偶性[1]。

1.1 同步通信方式

同步通信對(duì)通信雙方的時(shí)鐘頻率要求較高，以時(shí)鐘的同步保證通信的穩(wěn)定建立。發(fā)送方和接收方分別連續(xù)發(fā)送和連續(xù)接收同步比特流。同步方式包括兩種。第一，網(wǎng)絡(luò)同步。通過(guò)自定義的網(wǎng)絡(luò)連接和世界主時(shí)鐘達(dá)成一致，以保持整個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的準(zhǔn)確性。第二，時(shí)鐘同步。節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)鐘在實(shí)際操作中可能存在一定輕微誤差，但可以使用其他措施來(lái)實(shí)現(xiàn)同步傳輸。同步通信處于高速發(fā)展階段，其傳輸介質(zhì)主要是“幀”[2]。數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠瘘c(diǎn)和終點(diǎn)即為幀的起始位置和終點(diǎn)位置。同步通信方式的本質(zhì)是字符的結(jié)合與傳輸。通常，將同步通信字符的起始點(diǎn)設(shè)置在數(shù)據(jù)板塊的前方，同時(shí)數(shù)據(jù)板塊的后方連接大量的字符，字符均無(wú)間隔。同步通信引導(dǎo)下的數(shù)據(jù)板塊傳輸需實(shí)現(xiàn)發(fā)送端和接收端的同步運(yùn)行，如圖2所示。同步通信可快速提高通信效率，但也存在不穩(wěn)定因素，如不同字符數(shù)間的波特率不同。

圖1 數(shù)據(jù)串口通信示意圖

圖2 同步通信示意圖

1.2 異步通信方式

異步通信時(shí)，數(shù)據(jù)通常是以字符幀為單位進(jìn)行傳送的。字符幀也稱數(shù)據(jù)幀，由起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位及停止位4部分組成，如圖3（a）所示[3]。串行通信中，發(fā)送端逐幀發(fā)送信息，接收端逐幀接收信息。兩相鄰字符幀之間可無(wú)空閑位，也可有若干空閑位，如圖3（b）所示。這種類型的傳輸通常是一個(gè)小的分組。例如，一組字符具有該組的起始位和結(jié)束位。由于添加了大量輔助位作為負(fù)載，因此這種傳輸方法的效率相對(duì)較低。異步通信可緩解數(shù)據(jù)接收雙方的時(shí)間差異，降低雙方的延遲率。異步通信的缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸速度和數(shù)據(jù)傳輸效率的降低。

圖3 異步通信的字符幀格式

2 單片機(jī)串行通信的設(shè)計(jì)

單片機(jī)串行通信一般用于實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)備交換數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信。例如，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)有很多具備串口通信功能的端表，可在中控室隨時(shí)讀取表的運(yùn)行狀態(tài)和相關(guān)數(shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)自動(dòng)控制。某些用戶可根據(jù)實(shí)際情況，在串口上添加光電隔離電路，以保護(hù)端口[4]。

2.1 串行通信的數(shù)據(jù)通路形式

單工形式、全雙工形式及半雙工形式是串行數(shù)據(jù)通信的三種通路形式，依據(jù)各自不同的特點(diǎn)達(dá)到通信效率的最大化和損耗的最小化[5]。單工形式的數(shù)據(jù)通路，其通信的建立僅需一條數(shù)據(jù)線，要求在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中通信雙方必須保持規(guī)定的接收頻率，一方固定為發(fā)送端，另一方固定為接收端。單向傳輸可降低損耗，適用于對(duì)通信要求不高的設(shè)備。全雙工形式依托通信雙方均安裝有發(fā)送器和接收器的便利，能快速實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，在交互過(guò)程中能實(shí)現(xiàn)同時(shí)發(fā)送和同時(shí)接收。如果要實(shí)現(xiàn)全雙工形式的通路建設(shè)，必須有兩條數(shù)據(jù)線以保證傳輸速率。根據(jù)半雙工形式數(shù)據(jù)傳輸通道的不同，可選擇一條數(shù)據(jù)線或者兩條數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)通信。該形式的最大特點(diǎn)是數(shù)據(jù)只能選擇任意一方進(jìn)行發(fā)送，不能同時(shí)發(fā)送。

2.2 通信過(guò)程分析

通信數(shù)據(jù)的傳輸需規(guī)范發(fā)送行為，確定數(shù)據(jù)板塊存在的數(shù)據(jù)和信息，寄存在數(shù)據(jù)寄存器，然后進(jìn)行轉(zhuǎn)換，及時(shí)校正傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，寄存器也同步完成自身傳輸工作。數(shù)據(jù)傳輸完成后，邏輯控制器有效控制單片機(jī)的傳輸過(guò)程，并及時(shí)傳達(dá)命令，最終帶動(dòng)整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)程。現(xiàn)階段，單片機(jī)可檢測(cè)幀的傳輸方式，通過(guò)命令等聯(lián)系控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。通過(guò)串口通信協(xié)議也能發(fā)送信息，但需通過(guò)二進(jìn)制換算和已有的邏輯順序來(lái)傳達(dá)單片機(jī)的具體信息[6]。

3 單片機(jī)的應(yīng)用及與數(shù)字技術(shù)的結(jié)合

現(xiàn)階段，單片機(jī)已被廣泛應(yīng)用。雖然單片機(jī)沒(méi)有可以進(jìn)行交換的界面，但是通過(guò)與控制系統(tǒng)融合，可在線輸入和編寫控制程序，加強(qiáng)任務(wù)管理，減少功耗，加強(qiáng)抗干擾水平。單片機(jī)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面。第一，工業(yè)行業(yè)。單片機(jī)是設(shè)備的重要元件，可用于提升設(shè)備工作效率，控制企業(yè)成本。第二，單片機(jī)技術(shù)具有控制功能。單片機(jī)技術(shù)與其他技術(shù)的融合，實(shí)現(xiàn)了信息交互；在單片機(jī)的基礎(chǔ)上加強(qiáng)自適應(yīng)，廣泛應(yīng)用于自動(dòng)報(bào)警和故障識(shí)別等方面。第三，數(shù)據(jù)工具。單片機(jī)是串行通信中分析數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的工具。

單片機(jī)是微型計(jì)算機(jī)，內(nèi)存、能力和能耗存在一定限制，制約了數(shù)據(jù)的處理。單片機(jī)技術(shù)和數(shù)字技術(shù)的結(jié)合可拓寬技術(shù)適用范圍，設(shè)計(jì)中應(yīng)滿足以下要求。第一，可靠性和質(zhì)量?；旌显O(shè)計(jì)不能隨意搭配。市場(chǎng)上雖然存在較成熟的單片機(jī)，但是其產(chǎn)品質(zhì)量并不相同，生產(chǎn)工藝和設(shè)計(jì)能力影響產(chǎn)品功能。第二，安全性。大部分智能產(chǎn)品主要應(yīng)用于敏感領(lǐng)域，如監(jiān)測(cè)火災(zāi)等，因此對(duì)產(chǎn)品的可靠性和安全性提出了較高要求。第三，共享數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)環(huán)境下，人們?cè)絹?lái)越重視共享數(shù)據(jù)，后臺(tái)處理也更加模塊化，因此對(duì)功能的多樣性提出了較高要求。單片機(jī)可實(shí)現(xiàn)多樣性功能，可使用更多的串口連接其他設(shè)備。

4 結(jié) 論

隨著時(shí)代的快速發(fā)展和信息化技術(shù)的不斷進(jìn)步，傳統(tǒng)單片機(jī)已無(wú)法滿足現(xiàn)實(shí)要求。專業(yè)技術(shù)人員必須加強(qiáng)單片機(jī)與單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并嚴(yán)格按照有關(guān)說(shuō)明進(jìn)行正確設(shè)置和嚴(yán)格處理，以提高整體系統(tǒng)的運(yùn)行效率與運(yùn)行穩(wěn)定性。單片機(jī)的集成度高，數(shù)據(jù)信息塊完善，廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域。通過(guò)PC端口與單片機(jī)通信，完成數(shù)據(jù)傳送，提高了企業(yè)的發(fā)展速度，促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)社會(huì)的穩(wěn)定進(jìn)步。