PC機與單片機串行通信的硬件設計

目前，計算機控制系統(tǒng)已逐步從單機控制發(fā)展成為多機控制并出現(xiàn)了以計算機技術為核心，與數(shù)據(jù)通訊技術相結合的集檢測、控制和管理為一體的計算機網(wǎng)絡，即集中分布式測控系統(tǒng)。其中單片機作為從機，負責現(xiàn)場控制和實時數(shù)據(jù)的采集;PC機作為主機，負責對各從機發(fā)來的數(shù)據(jù)進行分析、處理，并向各從機發(fā)布命令，以實現(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場的集中監(jiān)控與管理。由于主從機需不斷進行信息交流，因此通信成為分布式測控系統(tǒng)重要而基本的功能。

本文以MCS-96系列單片機中的8098為例，論述了幾種實現(xiàn)PC機和單片機串行通信的硬件接口設計，其中包括RS232標準接口、RS 422標準接口、20mA電流環(huán)路串行接口以及利用調(diào)制解調(diào)器實現(xiàn)遠程通信。

1 基本原理

PC機與單片機之間通常采用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，由于所需硬件設備復雜，不適于長距離通信，所以一般只適用于要求實時性強，傳送速率較高的控制系統(tǒng)中，實用面較窄;相比之下，串行通信簡單易實現(xiàn)，傳輸距離較長，所以已被廣泛應用于各種工控系統(tǒng)中。

串行通信分為同步通信和異步通信2種方式。同步通信是指通過在每個數(shù)據(jù)塊開始時的同步字符來實現(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，速度要求高的場合;異步通信則規(guī)定了標準的字符數(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，速度較低的場合。在計算機測控系統(tǒng)中，由于串行接口的標準化，一般采用異步串行通信方式，以提高其通用性。由于各種接口的機械和電器特性有所差異，串行通信分為近程通信和遠程通信。

2 接口電路的設計

2.1 近程通信

目前，PC機是利用異步通訊控制器來實現(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。接口標準大多是RS232標準，其通訊距離小于15m，傳輸速率小于20kb/s。RS232標準是按負邏輯定義的，他的1電平在一5～一15V之間，0電平在+5～+15V之間。由于PC機使用的是TTL電平信號，因此數(shù)據(jù)輸出時必須把TTL電平信號轉換成RS232標準電子;數(shù)據(jù)接收時把RS232標準信號轉換成TTL電平信號。實現(xiàn)這種功能的常用芯片是傳送線驅動器MCl488和接收器MCl489，其作用除了電平轉換外，還實現(xiàn)正負邏輯電平轉換。如圖1和圖2所示。

PC機的串行口適用25針D型插座，其中RTS(請求發(fā)送，輸出)和CTS(清除發(fā)送，輸入)，DSR(數(shù)據(jù)準備好，輸入)和DTR(數(shù)據(jù)終端準備好，輸出)，分別連在一起，這是因為PC機的BIOS中的INT14H(串行通訊程序)在接收和發(fā)送數(shù)據(jù)時均要判斷CTS和DSR是否有效。8098與RS232標準接口電路圖如圖3所示。

2.2 遠程通信

(1)RS422標準接口

雖然RS232應用很廣，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等接口標準來實現(xiàn)遠程通訊。這里以RS422為例。

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