基于Proteus仿真的單片機(jī)和計(jì)算機(jī)串行通信技術(shù)研究

摘 要：隨著工業(yè)4.0時(shí)代到來(lái)，智能工廠已成為制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要方向。在智能工廠中，環(huán)境監(jiān)測(cè)是保障生產(chǎn)安全、提高能效和保障產(chǎn)品質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。針對(duì)無(wú)線通信在智能工廠環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用中存在的信號(hào)干擾、傳輸延遲以及安全性不足等缺陷，本文提出了一種采用有線通信方式的解決方案。方案設(shè)計(jì)硬件電路，采用Proteus仿真與Keil軟件編程相結(jié)合的方式，驗(yàn)證了單片機(jī)與計(jì)算機(jī)之間串行通信技術(shù)在智能工廠環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用的可行性。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；串行通信；Proteus仿真；Keil

中圖分類號(hào)：TN 92" " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

智能工廠環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地收集溫度、濕度和氣體濃度等環(huán)境數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)防事故、優(yōu)化生產(chǎn)流程。在環(huán)境數(shù)據(jù)與電腦的通信過(guò)程中，雖然無(wú)線通信能夠提供便捷的組網(wǎng)方式，但是在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，電磁干擾、多徑效應(yīng)等問(wèn)題可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定，甚至丟失關(guān)鍵數(shù)據(jù)。因此，研究有線通信技術(shù)在智能工廠環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用具有重要意義。在智能工廠中，單片機(jī)作為下位機(jī)，其數(shù)據(jù)處理能力高，編程接口靈活，能夠與采集環(huán)境數(shù)據(jù)的各類傳感器連接，實(shí)時(shí)采集環(huán)境數(shù)據(jù)。將計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，采用串行通信方式與單片機(jī)建立穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸鏈路，完成數(shù)據(jù)的有線通信傳輸。本文利用Proteus仿真平臺(tái)驗(yàn)證了單片機(jī)與計(jì)算機(jī)串行通信的可行性與有效性，為提升智能工廠環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性提供了技術(shù)支持。

1 串行通信原理

串行通信和并行通信是設(shè)備之間信息交換和傳輸?shù)穆窂椒绞?。并行通信?shù)據(jù)字節(jié)的各位用多條傳輸線同時(shí)傳送，其特點(diǎn)是傳輸速度快，效率高，控制簡(jiǎn)單，但是不適用于長(zhǎng)距離傳輸。串行通信將數(shù)據(jù)字節(jié)的各位逐個(gè)在一條傳輸線上進(jìn)行傳送，其特點(diǎn)是傳輸線少，成本低，但是控制比較復(fù)雜。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合智能工廠對(duì)傳輸距離和成本的要求，本文使用串行通信[1]。

1.1 串行通信傳輸方式

在串行通信中，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收有3種傳輸方式，分別為單工、半雙工和全雙工，如圖1所示。單工方式（Simplex）表示發(fā)送器利用1條傳輸線與接收器進(jìn)行連接，數(shù)據(jù)單向傳輸。半雙工方式（Half-duplex）雙向傳輸數(shù)據(jù)，只有1條傳輸線，不能同時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù)。全雙工方式（Full-duplex）需要2條傳輸線，向2個(gè)不同方向進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，可以同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入和輸出[2]。

1.2 串行異步通信格式

按照串行數(shù)據(jù)時(shí)鐘控制方式，串行通信可以分為同步通信和異步通信。同步通信建立發(fā)送方時(shí)鐘對(duì)接收方時(shí)鐘的直接控制，使雙方達(dá)到完全同步。異步通信是通信的發(fā)送與接收設(shè)備使用各自的時(shí)鐘，兩者時(shí)鐘盡可能一致[3]。本文采用異步通信方式進(jìn)行上位機(jī)與下位機(jī)通信。

發(fā)送器發(fā)送的字符數(shù)據(jù)只能由“0”或者“1”這2種邏輯組成。數(shù)據(jù)的第一部分為起始位，當(dāng)空閑狀態(tài)為“1”時(shí)，發(fā)送器發(fā)送“0”，表示一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸開(kāi)始，即由高電平跳變到低電平。第二部分為數(shù)據(jù)位，依次從第0位到第7位。第三部分為奇偶校驗(yàn)位，如果采用奇校驗(yàn)，那么字符數(shù)據(jù)位中邏輯“1”的數(shù)目為奇數(shù)，校驗(yàn)位為“0”，字符數(shù)據(jù)位中邏輯“1”的數(shù)目為偶數(shù)，校驗(yàn)位為“1”；如果采用偶檢驗(yàn)，那么相反。第四部分為停止位，表示一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)傳送結(jié)束，如果不需要發(fā)送數(shù)據(jù)，那么傳輸線維持邏輯“1”的狀態(tài)。從開(kāi)始位到停止位的時(shí)間稱為一幀，也稱幀格式，如圖2所示。

1.3 串行口相關(guān)寄存器設(shè)置

1.3.1 數(shù)據(jù)緩沖器（SBUF）

數(shù)據(jù)緩沖器（Serial Data Buffer，SBUF）是片機(jī)內(nèi)部特殊功能寄存器，包括發(fā)送（輸出）和接收2個(gè)寄存器。發(fā)送SBUF由TXD（P3.1）引腳接出，只能寫(xiě)入，不能讀出，寫(xiě)操作格式為SBUF=str[j]。接收SBUF由RXD（P3.0）引腳接出，只能讀出外設(shè)傳輸至寄存器的數(shù)據(jù)，不能寫(xiě)入，讀操作格式為buf=SBUF。

1.3.2 電源控制寄存器（PCON）

電源控制寄存器（Power Control Register，PCON）的作用是管理單片機(jī)的電源，包括進(jìn)入掉電模式、進(jìn)入空閑模式以及進(jìn)行上電復(fù)位檢測(cè)。當(dāng)單片機(jī)復(fù)位時(shí)，PCON的8位清零，其位符號(hào)定義見(jiàn)表1。串口設(shè)置只涉及SMOD位，當(dāng)SMOD=1時(shí)，串行通信方式一、方式二和方式三的波特率加倍，當(dāng)SMOD=0時(shí)，波特率不加倍。

1.3.3 串行口控制寄存器（SCON）

串行口控制寄存器（Serial Control Register，SCON）定義串行口工作方式和收發(fā)使能控制，其位符號(hào)定義見(jiàn)表2。

REN為接收允許使能端，由軟件置位或清零，當(dāng)其值為1時(shí)允許接收，當(dāng)其值為0時(shí)禁止接收。TI為發(fā)送中斷標(biāo)志位，一幀數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束后由硬件置位，可以采用軟件查詢方式獲得置位信息，也可以采用中斷方式發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)，但是必須由軟件清零。RI為接收中斷標(biāo)志位，一幀數(shù)據(jù)接收完成后由硬件置位，可以采用查詢或中斷方式獲得置位信息，但是也必須由軟件清零。SM0、SM1為工作方式選擇位，串行口工作方式見(jiàn)表3。

方式0為8位同步移位寄存器輸入/輸出方式，不用于通信，只用來(lái)擴(kuò)展I/O口，波特率固定為fosc/12。

方式一為波特率可調(diào)的10位異步通信，能夠用于單片機(jī)與單片機(jī)或單片機(jī)與計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行通信，本文采用該方式進(jìn)行單片機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的串行異步通信。當(dāng)串口工作在發(fā)送狀態(tài)時(shí)，數(shù)據(jù)由TXD端輸出，接入MAX487的DI輸入端，一幀數(shù)據(jù)由10位組成，包括1個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位和1個(gè)停止位，先發(fā)送D0位，再發(fā)送D7位，當(dāng)單片機(jī)執(zhí)行寫(xiě)操作時(shí)，啟動(dòng)發(fā)送；當(dāng)串口工作在接收狀態(tài)時(shí)，REN=1，允許接收，RXD接入MAX487的RO輸出端，單片機(jī)采樣RXD引腳數(shù)據(jù)，執(zhí)行讀操作，當(dāng)包括停止位的一幀數(shù)據(jù)接收完成后，RI=1由硬件置位，等待下一幀數(shù)據(jù)。

1.4 RS485總線標(biāo)準(zhǔn)

智能工廠使用單片機(jī)作為下位機(jī)對(duì)外部環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，根據(jù)RS485總線標(biāo)準(zhǔn)與計(jì)算機(jī)（上位機(jī)）之間進(jìn)行半雙工異步通信，設(shè)通信距離為1 200 m，最大傳輸速率為10 Mbit/s。利用差動(dòng)信號(hào)進(jìn)行傳輸，當(dāng)邏輯為“1”時(shí)，A端與B端差分電壓為+2 V～+6 V；當(dāng)邏輯為“0”時(shí)，A端與B端差分電壓為-6 V～-2 V。485總線電平與單片機(jī)的TTL電平不兼容，如果要進(jìn)行總線通信，那么需要電平轉(zhuǎn)換芯片，本文采用MAX487芯片實(shí)現(xiàn)該功能。MAX487芯片是一款低功耗收發(fā)器，內(nèi)部有接收器和發(fā)送器。由于采用半雙工通信，在同一個(gè)時(shí)刻只能接收或發(fā)送，因此將RE和DE接單片機(jī)的一個(gè)引腳作為使能端，當(dāng)引腳電平為0時(shí)，MAX487為接收器；當(dāng)引腳電平為1時(shí)，MAX487為發(fā)送器。RO為MAX487芯片作為接收器的輸出端，與單片機(jī)的RXD相連，此時(shí)單片機(jī)讀取PC發(fā)送的信息。DI為MAX487芯片作為發(fā)送器的輸入端，與單片機(jī)的TXD相連，此時(shí)單片機(jī)寫(xiě)入信息至PC機(jī)。單片機(jī)與MAX487芯片連接如圖3所示。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本文設(shè)計(jì)一個(gè)以單片機(jī)為核心，集成多種環(huán)境檢測(cè)傳感器的智能工廠環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)并傳輸關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)至計(jì)算機(jī)，進(jìn)行進(jìn)一步分析與管理。系統(tǒng)框架包括STC89C52RC單片機(jī)控制模塊、傳感器數(shù)據(jù)采集模塊以及RS485通信模塊。在仿真過(guò)程中，傳感器使用矩陣鍵盤(pán)按鍵的鍵值代替檢測(cè)，模擬智能工廠環(huán)境檢測(cè)與上位機(jī)進(jìn)行RS485通信。智能工廠環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)框如圖4所示。

2.2 程序編寫(xiě)

2.2.1 波特率設(shè)置

在串行通信中，波特率為收發(fā)雙方傳送數(shù)據(jù)的速度，即串行端口每秒傳輸?shù)牟ㄌ匚粩?shù)。在串行口4種工作方式中，方式0和方式二波特率固定，方式一和方式三的波特率是可變的，將定時(shí)器T1作為波特率的發(fā)生器，其值由SMOD和T1的溢出速率決定，計(jì)算過(guò)程如公式（1）所示。

（1）

本文設(shè)T1的溢出速率為（fosc/12）/（256-X），晶振為11.059 2 MHz，SMOD為0，波特率為9 600 B。T1的初值X為253，轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制即0xFD，T1的初值為0xFD。

2.2.2 串行口初始化程序

當(dāng)進(jìn)行串行操作時(shí)，須對(duì)單片機(jī)的串行口進(jìn)行一些必要的初始化設(shè)置。具體操作步驟如下。1）確定定時(shí)器的工作方式，設(shè)置TMOD寄存器，TMOD為0x20，T1的工作方式為方式二。TL1為計(jì)算值，TH1為自動(dòng)重裝值，當(dāng)定時(shí)器溢出時(shí)，TH1的值會(huì)自動(dòng)裝載至TL1，再重新計(jì)數(shù)。2）計(jì)算T1的初值，裝載TH1和TL1，得到TH1=0xFD，TL1=0xFD。3）啟動(dòng)定時(shí)器T1，設(shè)置TCON的TR1位，此時(shí)，TR1=1為啟動(dòng)定時(shí)器。4）確定串行口，設(shè)置SCON寄存器，REN=1，允許接收，SM0=0，SM1=1，串行口的工作方式為方式一。5）采用查詢或中斷方式查看串行口工作過(guò)程，如果使用中斷方式，那么需要設(shè)置IE或IP寄存器。

串行口初始化函數(shù)為uart_int（ ），具體設(shè)置如下。

void uart_int（ ）

{

TMOD=0x20;

TH1=0xFD;

TL1=0xFD;

TR1=1;

REN=1;

SM0=0;

SM1=1;

EA=1;

ES=1;

}

2.2.3 發(fā)送和接收程序

通常采用查詢和中斷方式設(shè)計(jì)串行口發(fā)送和接收工作過(guò)程程序。本文采用查詢方式查詢SCON的TI位是否為1。在串行口中斷程序中進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，接收完成后，軟件將RI清零。接收和發(fā)送程序如下[4]。

void UART_SendString（unsigned char * j）

{

unsigned char j=0;

while（str[j] ！= '＼0'）

{

UART_SendByte（str[j]）;

j++;

}

}

void UART_Routine（void） interrupt 4

{

if（RI==1）

{

RI=0;

buf=SBUF;

LED=0;

P20=1;

P21=0;

}

}

3 系統(tǒng)驗(yàn)證

3.1 仿真電路搭建

智能工廠環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的Proteus軟件仿真包括STC89C52RC

單片機(jī)、矩陣鍵盤(pán)、COMPIM組件以及MAX487芯片。使用虛擬終端查看發(fā)送的數(shù)據(jù)，智能工廠環(huán)境檢測(cè)仿真如圖5所示。

3.2 建立串口通信

利用VSPD軟件建立com1和com2虛擬串口對(duì)，com1為Proteus仿真軟件中COMPIM模塊的串口，com2為串口調(diào)試助手的串口號(hào)，將單片機(jī)和計(jì)算機(jī)進(jìn)行串行通信。按照本文的程序設(shè)計(jì)要求以及串行通信的格式要求，設(shè)置COMPIM模塊和串口調(diào)試助手的參數(shù)：波特率為9 600 B，無(wú)奇偶校驗(yàn)位，數(shù)據(jù)位8位，停止位1位[5]。

3.3 仿真結(jié)果分析

開(kāi)啟仿真，LED小燈熄滅，在串口調(diào)試助手的發(fā)送區(qū)發(fā)送“系統(tǒng)開(kāi)始檢測(cè)”，LED小燈點(diǎn)亮，說(shuō)明計(jì)算機(jī)向單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)成功，同時(shí)虛擬終端顯示發(fā)送的數(shù)據(jù)。當(dāng)按下矩陣鍵盤(pán)時(shí)，在串口調(diào)試助手的接收區(qū)顯示鍵值代表傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)，說(shuō)明單片機(jī)向計(jì)算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)成功。仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)可以在計(jì)算機(jī)和單片機(jī)之間進(jìn)行RS485串行通信。

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用Proteus軟件進(jìn)行仿真，完成上位機(jī)與下位機(jī)的RS485通信。上位機(jī)開(kāi)啟系統(tǒng)檢測(cè)，下位機(jī)利用傳感器檢測(cè)環(huán)境并上傳至上位機(jī)，顯示在上位機(jī)的接收緩沖區(qū)。雙機(jī)之間完成串行異步通信，驗(yàn)證了單片機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的RS485通信的可行性。

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