利用SPComm 控件實(shí)現(xiàn)的PC 機(jī)與單片機(jī)串口通訊

1．引言

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊與信息技術(shù)的高速發(fā)展，采用PC與多臺(tái)單片機(jī)構(gòu)成的分布式系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等越來越受到廣泛應(yīng)用。下位機(jī)采用運(yùn)行性能較為可靠的單片機(jī)，直接對(duì)所控制對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集、計(jì)算、判斷和處理；而上位機(jī)則多采用PC機(jī)(如Pentium 系列)，主要負(fù)責(zé)對(duì)各單片機(jī)進(jìn)行綜合管理，以實(shí)現(xiàn)測(cè)控系統(tǒng)的自動(dòng)檢測(cè)與控制。在這類應(yīng)用系統(tǒng)中,穩(wěn)定可靠、方便快捷的數(shù)據(jù)通信是實(shí)現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)和保障。因此,如何根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際工作環(huán)境條件,選擇恰當(dāng)?shù)耐ㄐ沤涌诤蛥f(xié)議,合理設(shè)計(jì)通信軟件和硬件控制電路以獲得高可靠性，強(qiáng)抗干擾和容錯(cuò)能力成為衡量此類系統(tǒng)好壞的最重要因素。

本文以某一工程項(xiàng)目通訊系統(tǒng)為例，介紹一種基于Delphi語言利用SPComm控件實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)與下位AT80C51單片機(jī)之間通信的軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，并給出關(guān)鍵環(huán)節(jié)的具體的實(shí)現(xiàn)方法。

2．硬件系統(tǒng)

該系統(tǒng)以PC機(jī)作為上位主機(jī)，各下位機(jī)由AT80C51單片機(jī)組成，各下位機(jī)之間無數(shù)據(jù)傳輸，只與主機(jī)產(chǎn)生數(shù)據(jù)交換。根據(jù)該工程的特點(diǎn)，各單片機(jī)與PC機(jī)以RS-485總線連接。

由于微機(jī)串口通常采用RS-232電平，而單片機(jī)串口是TTL電平，二者不兼容。所以，接口必須做電平轉(zhuǎn)換處理。單片機(jī)串行口的TXD、RXD經(jīng)MAX485電平轉(zhuǎn)換為RS-485電平，在主機(jī)端經(jīng)MAX485和MAX232轉(zhuǎn)換為RS-232電平，再與微機(jī)的RxD、 TxD和GND相連。為了提高可靠性和抗干擾能力。在本項(xiàng)目工程中,可以對(duì)下位機(jī)主控板上的通信部分進(jìn)行光電隔離。這樣的話,使得即便是有超越 MAX485的ESD保護(hù)范圍的靜電或雷電感應(yīng)在信號(hào)線上,也只會(huì)毀壞驅(qū)動(dòng)器或光耦合,不至于破壞整個(gè)后級(jí)系統(tǒng)。同時(shí)，通信總線采用屏蔽線,各段線路屏蔽層相聯(lián)接,集中到某一處,采用了必要的接地措施。布置總線時(shí)盡量避免了與高壓電或動(dòng)力電線路平行,無法避免時(shí),盡量讓兩者之間距離足夠大。其接口系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖所示：

3．系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1） 通訊協(xié)議

在本系統(tǒng)中，PC機(jī)是主控單元，單片機(jī)是PC機(jī)信息的接受者。由于涉及到單片機(jī)多機(jī)通訊，因此串行口工作方式選為方式3，通訊格式為每11位構(gòu)成一串行幀：1位起始位(0)，8位數(shù)據(jù)位(最低有效位在前)，1位地址幀識(shí)別位(1)，1位停止位(1)，無奇偶校驗(yàn)位（其中第9位進(jìn)到單片機(jī)RB8）。該設(shè)計(jì)中，每次通訊過程總是由上位PC機(jī)首先發(fā)起，通訊時(shí)單片機(jī)先進(jìn)入通訊狀態(tài)，等待與計(jì)算機(jī)通訊。其過程分為以下幾步：

(1)通訊前每臺(tái)單片機(jī)設(shè)置一個(gè)地址。所有單片機(jī)SCON寄存器中的SM2位置1，準(zhǔn)備接收地址幀。

(2)PC機(jī)向所有單片機(jī)發(fā)地址幀，單片機(jī)接收到地址幀后與本機(jī)地址比較，若不同則不動(dòng)作，繼續(xù)等待下一個(gè)地址幀；若相同，返回本機(jī)地址確認(rèn)。

(3)主機(jī)接收到地址確認(rèn)后，按要求向目標(biāo)發(fā)送命令字。①傳送數(shù)據(jù)命令：可根據(jù)要求單片機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)的不同具體定義，為8位單字節(jié)數(shù) ；②接收數(shù)據(jù)命令：EFh；

(4)目標(biāo)單片機(jī)接收到命令字后：按要求動(dòng)作。①接收到“請(qǐng)求接收命令”：發(fā)FEh（若做好接收準(zhǔn)備），發(fā)00h（若未準(zhǔn)備好發(fā)送）。②接收到“請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)”：按指定要求發(fā)送數(shù)據(jù)。

(5)由于數(shù)據(jù)傳輸是在強(qiáng)干擾的環(huán)境中進(jìn)行的，而且傳輸距離又較遠(yuǎn)，為了保證數(shù)據(jù)能高速、準(zhǔn)確傳輸，軟件編程考慮對(duì)大批量數(shù)據(jù)進(jìn)行分組傳送，同時(shí)對(duì)每組數(shù)據(jù)進(jìn)行和校驗(yàn)，檢查其準(zhǔn)確性。PC機(jī)每次接收到一組數(shù)據(jù)，均要進(jìn)行再次和校驗(yàn)，然后將PC機(jī)的校驗(yàn)和結(jié)果和單片機(jī)傳送過來的校驗(yàn)和相比較，若兩者不等則說明傳輸有錯(cuò)校驗(yàn)失敗，PC機(jī)給單片機(jī)發(fā)重傳命令，要求單片機(jī)重新發(fā)送該組數(shù)據(jù)。若校驗(yàn)正確，PC機(jī)發(fā)確認(rèn)信號(hào)，并準(zhǔn)備接收下一組采樣數(shù)據(jù)。

在傳輸過程中上位機(jī)發(fā)送出去的數(shù)據(jù)有三類：①從機(jī)地址；②命令字；③向下位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)包；收到的數(shù)據(jù)有兩類：①從下位單片機(jī)發(fā)來的確認(rèn)信號(hào)；②從下位機(jī)傳來的數(shù)據(jù)；下位單片機(jī)接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)與之對(duì)應(yīng)不再贅述。

2） 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

在Delphi 中進(jìn)行串行通訊的方法可以分成以下幾種:

本文采用了Spcomm 控件, 其功能強(qiáng)大, 使用方便, 具有豐富的與串口通訊密切相關(guān)的屬性事件和方法, 提供了對(duì)串口的各種操作。其主要事件及方法如下：

主要事件:Onrececvedata: 當(dāng)有數(shù)據(jù)輸入緩存時(shí), 將觸發(fā)該事件。OnreceiveError: 當(dāng)接收數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí), 觸發(fā)該事件。

主要方法:Startcomm: 用于打開串口, 當(dāng)打開失敗時(shí)通常會(huì)報(bào)錯(cuò)。Stopcomm: 用于關(guān)閉串口, 沒有返回值。Writecommdata: 用于將一個(gè)字符串發(fā)送到寫進(jìn)程。

利用Spcomm控件編寫上位機(jī)程序，簡單快捷，靈活方便，實(shí)現(xiàn)過程中有以下關(guān)鍵點(diǎn)需要注意：

(1) 地址幀的產(chǎn)生。由于PC機(jī)沒有像單片機(jī)一樣的串口工作方式，因此不能自動(dòng)生成地址幀。設(shè)計(jì)軟件時(shí)應(yīng)人工生成地址幀。單片機(jī)串口工作在方式3時(shí)地址幀的格式如圖2所示：

即八位數(shù)據(jù)后加一位“1”。因此可以利用Spcomm控件中的奇偶校驗(yàn)位來模擬，方法是：
form1.Comm1.ParityCheck:=false;
form1.Comm1.Parity:=mark;
form1.Comm1.ParityCheck:=true;

這樣在發(fā)出的一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)末尾會(huì)加上一個(gè)“1”，也就形成了地址幀。當(dāng)然在發(fā)送其他數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)該先把最后一位清零“0”：
S3C2410 ARM9開發(fā)板800
form1.Comm1.ParityCheck:=false;
form1.Comm1.Parity:=space;
form1.Comm1.ParityCheck:=true;

(2) 在PC機(jī)端的MAX485芯片的收發(fā)狀態(tài)可以利用DTR（九針串口第四針）引腳來控制。對(duì)于Spcomm控件來說，屬性中有DtrControl屬性，利用該屬性可以方便地對(duì)DTR引腳進(jìn)行高低電平控制。該屬性可以取三個(gè)值，分別為：DtrEnable，DtrDisable，DtrHandshake，本設(shè)計(jì)中只用到前兩個(gè)值。
form1.Comm1.DtrControl:=DTREnable; //DTR引腳有效
form1.Comm1.DtrControl:=DTRDisable; //DTR引腳無效

(3) 校驗(yàn)和的產(chǎn)生。為了增強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，采用校驗(yàn)和的檢驗(yàn)方式。本設(shè)計(jì)里校驗(yàn)和的產(chǎn)生分兩部分，一部分是發(fā)送數(shù)據(jù)之前，要對(duì)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行累加產(chǎn)生校驗(yàn)和發(fā)送出去，這個(gè)校驗(yàn)和稱為源校驗(yàn)和(sorcechksum)。另一部分是在接收數(shù)據(jù)是，要將接收到的數(shù)據(jù)累加產(chǎn)生一個(gè)目的校驗(yàn)(orgchksum)和用來與接收到的校驗(yàn)和相比較。

此兩部分的程序?qū)崿F(xiàn)如下：
function addchksum(sorstring:string): string;
var
i,j,chksum: integer;
begin
j:=length(sorstring);
chksum:=0;
for i:=1 to j do begin
chksum:=(chksum+ord(sorstring[i])) and $FF; //產(chǎn)生源校驗(yàn)和
result:= sorstring+inttohex(chksum,2)+chr(13); //將源校驗(yàn)和加在發(fā)送字符串尾
end;
end;
/*********************************************************************************/
function examchksum(var inbuf:array of char;strlen:WORD):boolean;
var i:integer;
sorchksum,orgchksum:integer;
begin
orgchksum:=0;
for i:= 0 to strlen-4 do begin
orgchksum:=(orgchksum+ord(inbuf[i]))and $FF; //產(chǎn)生目的校驗(yàn)和
end;
sorchksum:=strtoint('$'+copy(inbuf,strlen-3+1,2)); //將源校驗(yàn)和分離出來
if orgchksum=sorchksum then result:=true //比較目的校驗(yàn)和與源校驗(yàn)和
else result:=false;
end;

(4) 數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送是將一組數(shù)據(jù)看成一個(gè)String類型數(shù)據(jù)來操作的，而Delphi中使用的是Pascal字符串，因此在發(fā)送之前應(yīng)該用Pchar()函數(shù)對(duì)要發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換：

WriteCommData(Pchar(@outstr[i]),1); //參數(shù)分別為發(fā)送字符串首地址，要發(fā)送的字符串?dāng)?shù)。

Spcomm控件中的數(shù)據(jù)接收發(fā)式是事件觸發(fā)方式。OnReceiveData : procedure (Sender: TObject;Buffer: Pointer;BufferLength: Word) of object

當(dāng)輸入緩存有數(shù)據(jù)時(shí)將觸發(fā)該事件，在這里可以對(duì)從串口收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。Buffer中是收到的數(shù)據(jù)，bufferlength是收到的數(shù)據(jù)長度。 因此對(duì)于PC機(jī)來說可以通過bufflength的長度來區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)和從單片機(jī)返回的確認(rèn)信號(hào)。本設(shè)計(jì)規(guī)定命確認(rèn)信號(hào)為一個(gè)字節(jié)，而數(shù)據(jù)的傳輸由于加上校驗(yàn)和至少為兩個(gè)字節(jié)。

(5) 為了防止實(shí)際工作中當(dāng)向某臺(tái)從機(jī)發(fā)送地址幀或命令字后，如果失去接收主機(jī)發(fā)出的地址數(shù)據(jù)的機(jī)會(huì)，或因某臺(tái)從機(jī)不工作而使系統(tǒng)陷入“死循環(huán)”程序而不能正常工作。為了避免這種情況的發(fā)生，在設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮一定的容錯(cuò)機(jī)制，本設(shè)計(jì)中采用的方法是在發(fā)送完地址幀和命令字后，程序開始計(jì)時(shí)。如果超過一定時(shí)間還沒收到返回確認(rèn)信息，就重發(fā)剛剛發(fā)送的數(shù)據(jù)如果重發(fā)3確認(rèn)還沒收到確認(rèn)信息，即報(bào)告出錯(cuò)，并記錄該出錯(cuò)單片機(jī)地址。本設(shè)計(jì)利用WindowsAPI函數(shù)編寫一個(gè)延時(shí)小程序：
procedure TimeDelay(DT:DWORD); //DT為延時(shí)時(shí)間（ms）
var TT:DWORD;
begin
TT:=GetTickCount(); //調(diào)用API函數(shù)
while GetTickCount()-TTDT do
Application.ProcessMessages; //系統(tǒng)掛起
end;

3） 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)該工程特點(diǎn)，通訊只在特定時(shí)間進(jìn)行，因此下位機(jī)只須采用查詢方式與主控機(jī)通信:當(dāng)主控機(jī)需要發(fā)送或讀取下位機(jī)數(shù)據(jù)時(shí),事先控制下位機(jī)進(jìn)入通訊狀態(tài)，初始化串口，等待PC機(jī)請(qǐng)求接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)采用C51語言進(jìn)行編寫，下位機(jī)主程序流圖如下圖所示。

4 結(jié)束語

經(jīng)過試運(yùn)行該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，收發(fā)數(shù)據(jù)可靠。Delphi是Windows環(huán)境下最優(yōu)秀的程序設(shè)計(jì)工具之一，使用它可以方便地編寫出非常優(yōu)美、流暢的應(yīng)用程序界面。利用第三方Spcomm通訊控件避免了調(diào)用API函數(shù)，需要設(shè)置繁復(fù)的參數(shù)的麻煩。本文正是應(yīng)用了二者的長處，實(shí)現(xiàn)了微機(jī)與單片機(jī)的通信。

參考文獻(xiàn)
[1] 范逸之，陳立元. Delphi與RS-232串行通信控制[M].北京:清華大學(xué)出版社，2002
[2] 呂偉臣. 精通Delphi7.0. 北京：科學(xué)出版社[M]，2004
[3] 李朝青. PC機(jī)及單片機(jī)數(shù)據(jù)通訊技術(shù)[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001