PC機(jī)與單片機(jī)間串行通信優(yōu)化控制方法

楊韶斌 竇忠國(guó)

（肇慶市四會(huì)中等專業(yè)學(xué)校，廣東 肇慶 526200）

在工業(yè)控制中，需要經(jīng)常建立一個(gè)由上位機(jī)和下位機(jī)組成的系統(tǒng)，并通過上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)下位機(jī)的控制。由于上位機(jī)與下位機(jī)之間的距離較遠(yuǎn)，因此需要進(jìn)行上位機(jī)與下位機(jī)間的串行通信。上位機(jī)通常為PC 機(jī)，下位機(jī)通常為單片機(jī)，因此經(jīng)常會(huì)不可避免地出現(xiàn)PC 機(jī)與單片機(jī)之間的串行通信問題[1]。目前PC 機(jī)的研發(fā)與應(yīng)用已經(jīng)使其具備了極強(qiáng)的監(jiān)控和管理能力，而單片機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中具備了快速和容易被控制等特點(diǎn)。因此在實(shí)際應(yīng)用中，通常都是通過PC 機(jī)串行接口與多個(gè)單片機(jī)相連接來實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸[2-3]?；谠撎攸c(diǎn)，為了實(shí)現(xiàn)PC 機(jī)與單片機(jī)間的串行通信控制，該文提出了一種全新的優(yōu)化控制方法。

1 PC 機(jī)與單片機(jī)通信連接設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)PC 機(jī)與單片機(jī)之間的串行通信，采用RS-485 接口，該解耦器與TTL 電平相兼容，具有10Mbit/s 的數(shù)據(jù)傳輸速度，并具有較強(qiáng)的抗共模噪聲干擾能力，將其引入PC 機(jī)與單片機(jī)通信連接結(jié)構(gòu)上。PC 機(jī)與單片機(jī)通信連接結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 PC 機(jī)與單片機(jī)通信連接結(jié)構(gòu)示意圖

此外，RS-232 接口只能在總線上與一個(gè)收發(fā)機(jī)相連，也就是一個(gè)單站的功能。而RS-485 的接口最多可以連接128 臺(tái)收發(fā)信機(jī)，即具備多個(gè)基站的功能，使使用者能夠較容易地使用一個(gè)RS-485 接口來組建一個(gè)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)[4]。因此，RS-485 接口是PC 和MCU 間串行通信的首選。根據(jù)上述論述，由于PC 機(jī)的串口選用了RS232 電平信號(hào)，因此在單片機(jī)與PC機(jī)之間需要加裝一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)RS-232與RS-485 轉(zhuǎn)換的接口。根據(jù)上述內(nèi)容，完成對(duì)PC 機(jī)與單片機(jī)通信連接設(shè)計(jì)。

2 通信程序優(yōu)化設(shè)計(jì)

在下位機(jī)中，通過查找和中斷2 種方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。不管采用何種方法，它的串行數(shù)據(jù)的傳輸僅（利用MOVSBUF.A 指令）將數(shù)據(jù)從累加器轉(zhuǎn)移到串口緩沖區(qū)寄存器即可。其串行數(shù)據(jù)的接收僅需將數(shù)據(jù)從串口緩沖區(qū)寄存器傳輸?shù)嚼奂悠鳎ú捎肕OVA、SBUF 指令）[5]。在具體的使用過程中，通常使用中斷的方法來實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信。而上位機(jī)作為主控方，當(dāng)接收到上位機(jī)發(fā)送的地址信息后，將該信息傳輸給相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序，然后與上位機(jī)進(jìn)行通信。它接收一個(gè)中斷服務(wù)子例程的過程如下：第一步，關(guān)中斷，現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)。第二步，接收來自PC機(jī)發(fā)送的地址。第三步，判斷該地址是否為本機(jī)地址，如果是則進(jìn)行下一步操作；如果不是則直接進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)并開啟中斷。第四步，接收判斷為本機(jī)地址的數(shù)據(jù)。第五步，判斷數(shù)據(jù)是否接收完畢，如果接收完畢，則直接恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，開啟中斷；如果未接收完畢，則需要返回第四步，直到完成對(duì)所有數(shù)據(jù)接收。最后恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，開啟中斷，完成下位機(jī)接收中斷服務(wù)子程序流程。上述流程也適用于多個(gè)單片機(jī)的通信。

該文利用可視化語(yǔ)言編寫了PC 機(jī)的串口通信程序。Windows 的支持使串口裝置被包裝為MSComm 控件，非常便于VisualBasic 程序?qū)Υ诘目刂芠6]。利用MSComm控制器，可以較容易地完成微機(jī)與微機(jī)以及微機(jī)與其外圍設(shè)備之間的通信，具體操作步驟如下：選擇可以添加的MSComm 控件，啟動(dòng)VisualBasic，并在彈出的Project 菜單中選擇對(duì)應(yīng)的Components 選項(xiàng)，選擇所需的控件。然后從工具欄中選擇電話機(jī)圖標(biāo)，將其拖拽到窗體中，單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出的串口屬性對(duì)話框中完成對(duì)各項(xiàng)屬性的設(shè)置。MSComm 控制中最重要的通信事件就是OnComm，而串行通信的一切都可以由程序來處理。通過OnComm事件，也可以不使用程序?qū)崟r(shí)監(jiān)控輸入緩沖區(qū)，只要有數(shù)據(jù)傳輸，就可以引發(fā)OnCom 事件，實(shí)現(xiàn)通信數(shù)據(jù)的自動(dòng)處理[7]。

3 串行異步通信與串行同步通信控制

串行通信通常以比特為單位，逐位完成對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸。假設(shè)并行通信傳送N位數(shù)據(jù)所需的時(shí)間是T，則串行通信所需時(shí)間如公式（1）所示。

式中：T'min為串行通信需要的最少時(shí)間。

串行通信由于每次只能傳送一比特，而且都是統(tǒng)一的電壓，因此很難出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的情況。如果采取一定的保護(hù)措施，則串口通信的抗干擾性就會(huì)有較大增強(qiáng)。此外，其所需的傳輸線路較少，可以大幅減少經(jīng)濟(jì)費(fèi)用，特別適用于長(zhǎng)距離通信傳輸[8]。根據(jù)串行通信的特性，將串行通信分為串行異步通信與同步通信2 個(gè)部分。

在串行異步通信控制的過程中，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)采用了獨(dú)立的字節(jié)模式，每個(gè)字節(jié)前面有一個(gè)開始信號(hào)，字節(jié)后面有一個(gè)或多個(gè)結(jié)束信號(hào)[9]。為確保同步接收機(jī)的起止信號(hào)被利用，在有標(biāo)簽的地方，傳送線路是空閑的，每字節(jié)傳送一次，其前方的起始比特就會(huì)從一位元傳送到一位元傳送，這一傳送代表著一位元傳送的開始。發(fā)送結(jié)束時(shí)，發(fā)送線路通過一個(gè)或更多的終結(jié)位恢復(fù)到標(biāo)記狀態(tài)。此時(shí)傳送器即可以傳送下一個(gè)位字節(jié)。針對(duì)串行異步通信進(jìn)行編碼，其起始位占用1 位，字符編碼占用7 位，第8 位為奇偶校驗(yàn)位，如圖2所示。

圖2 串行異步通信控制字符格式

同時(shí)，在串行異步通信控制過程中，每次發(fā)送一個(gè)字符，都必須同步附加一個(gè)標(biāo)志信息在字符中。

針對(duì)串行同步通信的控制，把這些字符串串起來，組成一個(gè)完整的數(shù)據(jù)塊。進(jìn)行串行同步通信時(shí)，還需要在數(shù)據(jù)塊前增加一個(gè)特殊的同步字符，并將組合后的字符作為串行同步頭通信起始信號(hào)。在一組數(shù)據(jù)后加上一個(gè)檢查符號(hào)，以檢查通信中是否有錯(cuò)誤。在同步通信中，字符間不存在空格，因此可以達(dá)到數(shù)十至數(shù)百波特，但是需要一個(gè)時(shí)鐘來完成收發(fā)雙方的同步。串行同步通信控制字符格式如圖3所示。

圖3 串行同步通信控制字符格式

根據(jù)實(shí)際PC 機(jī)與單片機(jī)的串行通信需要，選擇異步通信或同步通信。進(jìn)行通信前，先控制定時(shí)器、串行口進(jìn)入初始化狀態(tài)，然后將地址指針寄存器、程度計(jì)數(shù)器、校驗(yàn)和寄存器等設(shè)置為初始值，判斷是否發(fā)送緩沖器為空。如果為空則返回，不為空則接收回答信號(hào)。再判定傳輸是否正確，如果不正確則返回，正確則結(jié)束單片機(jī)的傳輸。

4 優(yōu)化前、后試驗(yàn)研究

4.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

為對(duì)該文上述控制方法應(yīng)用效果進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)行下述優(yōu)化前、后的對(duì)比試驗(yàn)研究。在試驗(yàn)前，準(zhǔn)備51 單片機(jī)（AT58C40）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（6264）和5×8的矩陣鍵盤。利用電平轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為RS485 和TTL 接口能夠識(shí)別的電平，通過串口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)上。利用VB/VC 編程在PC 機(jī)上顯示所有接收和發(fā)送的通信數(shù)據(jù)。通過上述操作，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)中產(chǎn)生的各項(xiàng)參數(shù)，例如通信發(fā)送與接收時(shí)間等數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，為對(duì)比后續(xù)試驗(yàn)結(jié)果提供依據(jù)。在該基礎(chǔ)上，還需設(shè)定串口主控件MSCOMM 的參數(shù)。將一個(gè)通信對(duì)象MSCOMM 用于串行通信，設(shè)定通信端口編號(hào)為1，設(shè)定通信協(xié)定handshaking=0。將發(fā)送速率及其他參數(shù)設(shè)定為SETTINGS=4800、n、8、1。開啟通信端口，設(shè) PORTOPEN 為ture。完成上述設(shè)置后，進(jìn)行PC 機(jī)與單片機(jī)之間的串行通信，并分別從優(yōu)化前、后串行通信傳輸速度方面和優(yōu)化前、后串行通信質(zhì)量方面，驗(yàn)證優(yōu)化控制方法的應(yīng)用可行性。

4.2 優(yōu)化前、后串行通信傳輸速度對(duì)比

完成上述試驗(yàn)準(zhǔn)備后，對(duì)比控制方法優(yōu)化前、后在應(yīng)用中PC 機(jī)與單片機(jī)間串行通信數(shù)據(jù)量。分別設(shè)置5 組條件，5組不同通信條件的基本信息見表1。

表1 5 組串行通信條件設(shè)置

在上述5 組串行通信傳輸過程中，分別利用優(yōu)化前的控制方法和優(yōu)化后的控制方法對(duì)其進(jìn)行串行通信控制，通信數(shù)據(jù)量記錄見表2。

表2 5 組串行通信應(yīng)用優(yōu)化前、后控制方法的通信數(shù)據(jù)量

從表2 中的2 組串行通信數(shù)據(jù)量對(duì)比可以看出，在優(yōu)化前控制方法應(yīng)用下，其串行通信數(shù)據(jù)量最高為598.25YB，優(yōu)化后最高為865.32YB，最低也達(dá)到了826.26YB。在相同的傳輸時(shí)間條件下，優(yōu)化后控制方法應(yīng)用下的串行通信數(shù)據(jù)量明顯更大。因此，通過上述試驗(yàn)結(jié)果可以證明，優(yōu)化后的控制方法在實(shí)際應(yīng)用中可以有效提高PC 機(jī)與單片機(jī)之間串行通信的傳輸速度。

4.3 優(yōu)化前、后串行通信質(zhì)量對(duì)比

上述從串行通信傳輸?shù)乃俣确矫鎸?duì)比了優(yōu)化前、后控制方法的應(yīng)用性能。在該基礎(chǔ)上，針對(duì)優(yōu)化前、后控制方法應(yīng)用下PC 機(jī)與單片機(jī)之間串行通信質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比。選擇將串行通信過程中產(chǎn)生的信干噪比為評(píng)價(jià)指標(biāo)，信干噪比是指串行通信過程中正常通信信號(hào)與干擾、噪聲等信號(hào)之和之間的比值，如公式（2）所示。

式中：S為信干噪比；W1為正常通信信號(hào)有效傳輸功率；W2為干擾信號(hào)有效傳輸功率；W3為噪聲信號(hào)有效傳輸功率。

通過計(jì)算得出的信干噪比S，取值越大，說明串行通信中的正常信號(hào)占比越大，通信質(zhì)量越優(yōu)；取值越小，說明串行通信中干擾信號(hào)和噪聲信號(hào)占比越大，通信質(zhì)量越差。以表1 中編號(hào)為TX-#01 的通信組合為例，由PC 機(jī)A 發(fā)送通信信號(hào)，由單片機(jī)A 接收通信信號(hào)，將其通信時(shí)間控制為50s，記錄50s 內(nèi)優(yōu)化前、后控制方法應(yīng)用下的2 組信干噪比，結(jié)果如圖4所示。

圖4 優(yōu)化前、后串行通信質(zhì)量對(duì)比圖

從圖4 中得到的結(jié)果可以看出，在優(yōu)化前、后控制方法應(yīng)用下，信干噪比均呈現(xiàn)出先增加、后降低的變化趨勢(shì)，但優(yōu)化后控制方法應(yīng)用下的信干噪比始終高于另一組。因此，上述試驗(yàn)結(jié)果可以證明，應(yīng)用優(yōu)化后的控制方法，串行通信質(zhì)量得到了顯著提升。

5 結(jié)語(yǔ)

該文針對(duì)PC 機(jī)與單片機(jī)之間的串行通信需要提出了一種全新的優(yōu)化控制方法，并對(duì)比優(yōu)化前、后的應(yīng)用效果證明了優(yōu)化后控制方法的應(yīng)用可行性。在實(shí)際應(yīng)用中，如果存在多個(gè)控制對(duì)象，則可以在該文優(yōu)化控制方法應(yīng)用的基礎(chǔ)上構(gòu)成集散結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)一臺(tái)PC 機(jī)和多個(gè)單片機(jī)的同步控制，為單片機(jī)應(yīng)用適應(yīng)性提升提供更有利的條件。