PC機(jī)與單片機(jī)串行通信的硬件設(shè)計(jì)

目前，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)已逐步從單機(jī)控制發(fā)展成為多機(jī)控制并出現(xiàn)了以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，與數(shù)據(jù)通訊技術(shù)相結(jié)合的集檢測(cè)、控制和管理為一體的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，即集中分布式測(cè)控系統(tǒng)。其中單片機(jī)作為從機(jī)，負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)控制和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集;PC機(jī)作為主機(jī)，負(fù)責(zé)對(duì)各從機(jī)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，并向各從機(jī)發(fā)布命令，以實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的集中監(jiān)控與管理。由于主從機(jī)需不斷進(jìn)行信息交流，因此通信成為分布式測(cè)控系統(tǒng)重要而基本的功能。

本文以MCS-96系列單片機(jī)中的8098為例，論述了幾種實(shí)現(xiàn)PC機(jī)和單片機(jī)串行通信的硬件接口設(shè)計(jì)，其中包括RS232標(biāo)準(zhǔn)接口、RS 422標(biāo)準(zhǔn)接口、20mA電流環(huán)路串行接口以及利用調(diào)制解調(diào)器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信。

1 基本原理

PC機(jī)與單片機(jī)之間通常采用2種通信方式：并行通信和串行通信。并行通信是指將待發(fā)送數(shù)據(jù)的各位同時(shí)傳送，串行通信則將數(shù)據(jù)一位一位地按順序傳送。并行通信雖然傳輸效率高，由于所需硬件設(shè)備復(fù)雜，不適于長(zhǎng)距離通信，所以一般只適用于要求實(shí)時(shí)性強(qiáng)，傳送速率較高的控制系統(tǒng)中，實(shí)用面較窄;相比之下，串行通信簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，傳輸距離較長(zhǎng)，所以已被廣泛應(yīng)用于各種工控系統(tǒng)中。

串行通信分為同步通信和異步通信2種方式。同步通信是指通過(guò)在每個(gè)數(shù)據(jù)塊開(kāi)始時(shí)的同步字符來(lái)實(shí)現(xiàn)收/發(fā)雙方同步的一種數(shù)據(jù)傳輸方法，常用于信息量大，速度要求高的場(chǎng)合;異步通信則規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)的字符數(shù)據(jù)傳輸格式，即每一幀信息由起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位和停止位組成。由于有冗余位，所以傳送效率不高，常用于信息量不大，速度較低的場(chǎng)合。在計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中，由于串行接口的標(biāo)準(zhǔn)化，一般采用異步串行通信方式，以提高其通用性。由于各種接口的機(jī)械和電器特性有所差異，串行通信分為近程通信和遠(yuǎn)程通信。

2 接口電路的設(shè)計(jì)

2.1 近程通信

目前，PC機(jī)是利用異步通訊控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)串行通訊的，其核心是8250通訊芯片加上一些收發(fā)邏輯電路。接口標(biāo)準(zhǔn)大多是RS232標(biāo)準(zhǔn)，其通訊距離小于15m，傳輸速率小于20kb/s。RS232標(biāo)準(zhǔn)是按負(fù)邏輯定義的，他的1電平在一5～一15V之間，0電平在+5～+15V之間。由于PC機(jī)使用的是TTL電平信號(hào)，因此數(shù)據(jù)輸出時(shí)必須把TTL電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成RS232標(biāo)準(zhǔn)電子;數(shù)據(jù)接收時(shí)把RS232標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)轉(zhuǎn)換成TTL電平信號(hào)。實(shí)現(xiàn)這種功能的常用芯片是傳送線驅(qū)動(dòng)器MCl488和接收器MCl489，其作用除了電平轉(zhuǎn)換外，還實(shí)現(xiàn)正負(fù)邏輯電平轉(zhuǎn)換。如圖1和圖2所示。

PC機(jī)的串行口適用25針D型插座，其中RTS(請(qǐng)求發(fā)送，輸出)和CTS(清除發(fā)送，輸入)，DSR(數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，輸入)和DTR(數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好，輸出)，分別連在一起，這是因?yàn)镻C機(jī)的BIOS中的INT14H(串行通訊程序)在接收和發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)均要判斷CTS和DSR是否有效。8098與RS232標(biāo)準(zhǔn)接口電路圖如圖3所示。

2.2 遠(yuǎn)程通信

(1)RS422標(biāo)準(zhǔn)接口

雖然RS232應(yīng)用很廣，但由于數(shù)據(jù)傳輸速率慢，通訊距離短，特別是在100m以上的遠(yuǎn)程通訊中難以讓人滿意，因此通常采用RS422，RS449，RS423及RS485等接口標(biāo)準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊。這里以RS422為例。

RS422接口標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)提供平衡電路來(lái)改進(jìn)接口電氣特性，通過(guò)傳輸線驅(qū)動(dòng)器將邏輯電平變?yōu)殡娢徊?，?shí)現(xiàn)信息傳送。通過(guò)傳輸線接收器將電位差變?yōu)檫壿嬰娖?，?shí)現(xiàn)信息接收。因而可以支持較高的傳輸速率和較長(zhǎng)的傳輸距離，在最大傳輸率10Mb/s的情況下，電纜允許長(zhǎng)度為120m;如果采用低傳輸率，如90kb/s時(shí)，最大距離可達(dá)1 200m。