計算機單片機通信系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)設計

董國鋼

（長治職業(yè)技術學院，山西 長治 046000）

我國現(xiàn)代工業(yè)的不斷進步，使通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變得愈發(fā)精密，通信數(shù)據(jù)的處理規(guī)模不斷擴大。由于單片機通信系統(tǒng)在數(shù)據(jù)處理能力上存在限制，難以滿足系統(tǒng)控制要求，因此人們將目光逐漸轉(zhuǎn)移至分布式系統(tǒng)。分布式系統(tǒng)在收集通信數(shù)據(jù)過程中，主要是利用下位機來實現(xiàn)的，而上位機則可用于對收集數(shù)據(jù)的分析與處理。考慮到單片機的成本較低，能夠提高通信系統(tǒng)的可靠性，因此單片機被廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)與控制中，在分布式控制系統(tǒng)中，其下位機的核心便是單片機。不過，因計算機在數(shù)據(jù)處理能力方面非常突出，而且可進行良好的人機交互，因此在分布式控制系統(tǒng)中經(jīng)常將計算機作為上位機。在計算機單片機通信系統(tǒng)中，其采用串口通信方式來實現(xiàn)計算機與單片機之間的數(shù)據(jù)通信，為了使通信數(shù)據(jù)更加直觀、形象，在計算機中還要安裝Labview軟件來對數(shù)據(jù)流進行圖形化編程，這樣能夠最大限度地提高計算機單片機通信系統(tǒng)的人機交互功能。鑒于此，以下便對計算機單片機通信系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)設計進行深入的探討。

一、計算機單片機通信系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設計

在計算機單片機通信系統(tǒng)中，其硬件結(jié)構(gòu)主要包括上位機與下位機兩個部分，其中上位機采用計算機，其主要用于對數(shù)據(jù)進行發(fā)送和接收，以此實現(xiàn)人與通信系統(tǒng)之間的交互。而在下位機中則以單片機為核心，下位機可利用通信串口來對數(shù)據(jù)進行傳輸。計算機單片機的最小系統(tǒng)主要由單片機、電容、晶振和電阻所組成，對于最小系統(tǒng)來說，其以MXA232芯片來引出DB9串行端口，以便于單片機能夠通過DB9串行端口將通信數(shù)據(jù)發(fā)送給TXD與計算機，同時單片機還能利用DB9串行端口接收RXD的連接請求，單片機通過DB89串口對計算機與RXD的串口連接進行接收，并利用I/O引腳將計算機與RXD進行連接。

二、計算機單片機通信系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設計

（一）通信協(xié)議

在計算機單片機通信系統(tǒng)中，其主控機中的核心便是計算機，通過主控機可以對下位機中的單片機進行控制，可以說，主控機是整個通信系統(tǒng)中的通信核心，利用主控機可對下位機發(fā)送的通信數(shù)據(jù)進行高效的存儲與處理。計算機單片機通信系統(tǒng)中主控機與下位機之間的通信程序則需要通過Labview來編寫。在該通信系統(tǒng)中的下位機則是通過單片機來對工業(yè)現(xiàn)場中的各類監(jiān)控對象進行實時檢測與控制的，以此確保各類監(jiān)控對象的正常運行，而對于這些監(jiān)控對象的實時檢測與控制程序則需要利用相應的匯編語言來編寫。為了使計算機單片機通信系統(tǒng)在運行過程中具有更高的可靠性，需要通信系統(tǒng)中的上位機與下位機在通信過程中能夠按照相應的協(xié)議來進行，該協(xié)議也是上位機與下位機所必須遵守的。例如，在通信協(xié)議中需要規(guī)定出通信數(shù)據(jù)在傳輸過程中應采用的格式、波特率、在校驗數(shù)據(jù)時應采用的格式等。在該通信系統(tǒng)中，其在傳輸通信數(shù)據(jù)時所采用的格式是11bit，并通過RS-232來進行異步通信。

（二）單片機中的程序

在計算機單片機通信系統(tǒng)中，其主函數(shù)程序的實施流程主要包括四個步驟，第一步是初始化液晶，第二步是初始化串口，第三步是液晶清屏，第四步是空循環(huán)。而其通信串口的中斷函數(shù)實施程序流程則包括七個步驟，第一步是關閉總中斷，第二步是判斷數(shù)據(jù)是否起始與終止標志，第三步是數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)組，第四步是判斷是否為終止標志位；第五步是判斷網(wǎng)數(shù)據(jù)標號是否為零復位顯示標志，如果是，則進行第六步，即顯示程序顯示數(shù)組字串清零顯示標志位，第七步是開啟總中斷。在主函數(shù)程序與中斷函數(shù)程序的實施步驟中，其參數(shù)設置均按照上位機中的參數(shù)進行設置，例如波特率、奇偶校驗等參數(shù)，然后判斷語句來去除標識位，以此實現(xiàn)對上位機數(shù)據(jù)的全方位解析，在解析數(shù)據(jù)后便可通過串口緩存區(qū)將其寫入寄存器。為了使通信數(shù)據(jù)能夠在液晶顯示屏中進行顯示，還要在設計液晶驅(qū)動時設置其寫指令、數(shù)據(jù)等時序，然后將液晶顯示時序與串口通信進行匹配。由于液晶在顯示數(shù)據(jù)時會存在一定的滯后，而串口通信在收發(fā)數(shù)據(jù)方面的速度較快，因此在液晶顯示屏中難以對數(shù)據(jù)中的某個字節(jié)進行接收與處理，因此在接收數(shù)據(jù)過程中，需要利用中斷方式來將該數(shù)據(jù)在另外數(shù)組中進行展現(xiàn)。

（三）Labview

在計算機單片機通信系統(tǒng)中，其串行通信節(jié)點共有五個，這些串行通信節(jié)點分別具有不同的功能，其功能主要體現(xiàn)在設置串口、檢測串口緩存、串口寫、串口讀以及中斷等，這些串行通信節(jié)點都可設置在功能模板中的I/O子模板內(nèi)。在對這些串口通信節(jié)點進行使用時，其過程較為簡單，而且理解起來也較為容易，為此，本文便對這些串行通信節(jié)點的具體使用、功能以及相關定義進行介紹。首先，在初始化方面，串行通信節(jié)點需要設計停止位、數(shù)據(jù)位、廳偶校驗位以及波特率等，通信系統(tǒng)可利用計算機來使用串口儀器設備，在對串口通信節(jié)點進行使用之前，還要配置串口，這樣才能使計算機單片機通信系統(tǒng)得以正常通信。其次，在串口寫方面，串行通信節(jié)點主要負責將通信數(shù)據(jù)傳輸至串口的輸出緩存之中。再次，在對串口中通信數(shù)據(jù)的緩存字節(jié)數(shù)進行檢測時，需要利用串行通信節(jié)點對串口輸入緩存內(nèi)的現(xiàn)有字節(jié)數(shù)進行檢測，然后對serial port read節(jié)點進行制定，利用串口輸入緩存來讀取字節(jié)數(shù)，進而確保通信系統(tǒng)能夠讀取所有的緩存數(shù)據(jù)。在串口讀方面，串行通信節(jié)點可利用串口緩存來對各個端口的讀取數(shù)據(jù)長度進行制定。最后，在串行通信設計上，主要包括以下步驟：首先計算機與單片機分別需要對端口進行初始化設置，然后由計算機進行串口寫，然后進行串口讀，在串口寫過程中，需要利用單片機對串口的輸入緩存字節(jié)數(shù)進行監(jiān)測，然后由單片機進行串口讀，并獲得串口信息反饋信息，串口信息反饋信息共同由計算機進行串口讀，最后結(jié)束。

三、計算機單片機通信系統(tǒng)的通信程序分析

在計算機單片機通信系統(tǒng)中，其開發(fā)環(huán)境需要采用Labview來實現(xiàn)，由Labview對開發(fā)環(huán)境中的通信程序進行編寫，在設計時主要包括三個方面，分別是程序板、框圖程序以及程序調(diào)試。通過對前面板進行設計，可使通信系統(tǒng)生成良好的人機交互界面，以便于用戶通過操作控件來進行各種功能的操作，同時也有助于設計各類輸入?yún)?shù)，進而使輸入量指示器得到合理的設計，使通信數(shù)據(jù)能夠順利在通信系統(tǒng)中進行顯示。在對框圖程序進行設計時，其目的在于更好的設計通信系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)節(jié)點、連線以及端口的程序。以下便對計算機單片機通信系統(tǒng)的通信程序進行分析。

（一）前面板

結(jié)合計算機單片機通信系統(tǒng)的設計要求，在設計前面板時，需要采用DDS信號源掃頻模式，使前面板能夠在窗口中對控件板數(shù)值進行添加，以便于利用控件來進行輸入、按鈕、開關等控制操作，通過DDS信號源掃頻模式可對掃描步進、頻率截止、起始掃描以及掃描周期等的數(shù)值進行精確設置，從而使通信系統(tǒng)能夠完成對通信數(shù)據(jù)的控制。通信系統(tǒng)可調(diào)整按鈕形狀、控制量精度、位置及名稱等，并利用控件選板將資源名稱控件添加至I/O口中，進而使通信系統(tǒng)中的主要串口通信設備得以正確安裝。依據(jù)信號種類的不同，在該通信系統(tǒng)的前面板設計中可以采取多種工作模式，如跳頻工作模式、單頻工作模式等，這樣可使計算機單片機通信系統(tǒng)在操作上變得更加便捷。

（二）框圖程序

在對計算機單片機通信系統(tǒng)中的框圖程序進行設計時，需要將能夠滿足框圖要求的節(jié)點圖標添加至框圖的窗口面板之中，然后利用端口將節(jié)點圖標和端子進行相互連接，此時便需要通過單片機來控制AD芯片的寄存幅度、駐留時間、頻率、步埋等，以此確保單片機能夠?qū)⒆中畔l(fā)送至寄存器中進行寄存。利用Labview對計算機單片機通信系統(tǒng)進行設計時，需要利用前面板對DDS信號源掃頻模式中的掃頻步進、掃頻周期、起始頻率以及截止頻率等通過運算轉(zhuǎn)換，使其從原有的十進制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為對應的十六進制數(shù)值，然后便可通過VISA寫入函數(shù)的調(diào)用，使緩沖區(qū)中寄存的十六進制數(shù)據(jù)利用設備或接口寫入到VISA資源名稱之中，最后將其發(fā)送至單片機之中。

四、計算機單片機通信系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)

（一）功能模塊

對于計算機單片機通信系統(tǒng)來說，其軟硬件結(jié)構(gòu)中的功能模塊開發(fā)需要通過VB、VC等語言來編寫?？紤]到利用VB、VC等語言來對功能模塊中的程序進行開發(fā)時，需要涉及API函數(shù)編程，而API函數(shù)的編程是非常繁瑣的，并且在采用文本語言進行編寫時也往往比較復雜，需要花費很長的時間才能使程序得以開發(fā)完成。因此，在對計算機單片機通信系統(tǒng)中功能模塊的程序進行編寫時，以此順利完成其串口通信程序的開發(fā)，就必須要通過Labview來對各個功能模塊的串口通信程序進行圖形化編程，Labview作為圖形化編程中的重要工具，其可以在圖形功能模塊中實現(xiàn)對高級語言函數(shù)的封裝，并通過對各個圖標進行連接，從而使各個功能模塊能夠?qū)崿F(xiàn)串口通信程序的相互傳遞，這樣既可簡化編程環(huán)節(jié)，而且也能夠進行直接使用，不需進行繁瑣而復雜的API函數(shù)編程，能夠節(jié)約大量的開發(fā)時間。

（二）通信步驟

在計算機單片機通信系統(tǒng)中，在調(diào)用VIS時，需要對串口參數(shù)進行設置，這些串口參數(shù)主要包括以下內(nèi)容：首先要對通信串口的數(shù)據(jù)傳輸比特率及位數(shù)進行設置，此外還要對串口號進行設置。在對通信數(shù)據(jù)進行設置時，需要對其位數(shù)、停止位、奇偶檢驗以及數(shù)據(jù)流量控制進行設置。在利用VIS對通信串口進行調(diào)用，以此實現(xiàn)通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸功能時，需要檢查通信串口在初始化過程中是否有問題，如果通信串口能夠順利進行初始化，便可利用該通信串口來對數(shù)據(jù)進行接收與發(fā)送。當不需要利用通信串口來接收與發(fā)送通信數(shù)據(jù)時，便可調(diào)用VIS來中斷該通信串口的對話。在對VIS進行調(diào)用時，具體流程主要包括四個步驟：第一步是將儀器資源打開；第二步是對儀器進行寫操作；第三步是對儀器緩存進行讀操作；第四步是關閉儀器資源。

五、計算機單片機通信系統(tǒng)的運行調(diào)試

計算機單片機通信系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)設計需要通過Labview來對系統(tǒng)中的串口通信進行設計，可以說，Labview是計算機單片機通信系統(tǒng)中通信功能能否得以順利實現(xiàn)的關鍵所在。通過對計算機單片機通信系統(tǒng)的運行情況進行調(diào)試，在調(diào)試過程中利用上位機將數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機，并由單片機將接收到的數(shù)據(jù)返回至上位機中，通過液晶顯示屏來顯示該數(shù)據(jù)，從而確保計算機單片機通信系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

六、結(jié)語

總而言之，對于計算機單片機通信系統(tǒng)來說，要想實現(xiàn)其通信功能，需要利用Labview來進行串口通信開發(fā)，通過Labview來進行圖形化編程，使虛擬儀器程序的開發(fā)程序大大提高。同時，借助于計算機中的網(wǎng)絡功能還可提高通信系統(tǒng)的開發(fā)速度。通過對計算機單片機通信系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)進行調(diào)試，可使計算機單片機通信系統(tǒng)實現(xiàn)其實時通信功能，同時還可使系統(tǒng)通信變得更加精準。