PC機(jī)與下位單片機(jī)異步串行通信

１　通信協(xié)議

為了保證可靠的通信，必須有一套完善的通信協(xié)議。分布式控制系統(tǒng)中的每臺單片機(jī)均有唯一的番號。通信開始時，先由ＰＣ機(jī)呼叫被叫單片機(jī)的番號，單片機(jī)在接收到微機(jī)的呼叫后，首先判斷是不是自己的番號，如果是，則發(fā)送呼叫應(yīng)答信號，否則不予理睬。微機(jī)在接收到呼叫應(yīng)答信號之后，將向單片機(jī)發(fā)出通信命令字符串。以下是上位ＰＣ機(jī)協(xié)議的格式：

其中，單片機(jī)號代表現(xiàn)場第幾臺單片機(jī)，占用１個字節(jié)，發(fā)送兩次的目的是為了防止干擾；命令碼則代表上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)布的工作命令，它也占用１個字節(jié)，發(fā)送兩次的目的也是為了防止干擾。而停止標(biāo)志則表明一次命令發(fā)送完畢。使用時可依據(jù)該標(biāo)志判斷上位機(jī)的命令是否發(fā)送完畢。

下位機(jī)協(xié)議格式如下：

該格式中，數(shù)據(jù)塊為下位機(jī)上傳到上位ＰＣ機(jī)的數(shù)據(jù)。校驗位則用于ＰＣ機(jī)對收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行奇偶校驗（占１個字節(jié)）。校驗正確后，可將數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存，否則發(fā)出數(shù)據(jù)傳輸錯誤信息，以要求單片機(jī)重新傳輸數(shù)據(jù)。

另外，作為一個完整的通信協(xié)議，只有上述約定還不夠，還必須在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的時間間隔上加以限制。否則，很可能由于某些原因而造成無限制的等待對方應(yīng)答，使整個系統(tǒng)處于工作不正常狀態(tài)，或者延誤其它動作的處理。具體時間限制可根據(jù)通信內(nèi)容、ＣＰＵ處理速度，再加上適當(dāng)?shù)挠嗔縼泶_定。

２　單片機(jī)通信程序設(shè)計

設(shè)計單片機(jī)通信程序時，必須充分發(fā)揮單片機(jī)的效率。由于單片機(jī)多應(yīng)用于實時性較強(qiáng)的控制場合，因此，應(yīng)將及時響應(yīng)和控制對象的動作放在優(yōu)先考慮的位置，以盡量減少通信等輔助性操作所占用的ＣＰＵ時間?；谏鲜隹紤]，筆者在設(shè)計單片機(jī)通信程序時，將通信程序分為接收中斷處理程序、發(fā)送中斷處理程序和通信處理程序３部分，并將這３部分程序巧妙地進(jìn)行組合，從而構(gòu)成整個單片機(jī)的通信程序。

２．１ 接收中斷處理程序

接收中斷處理程序主要負(fù)責(zé)接收微機(jī)發(fā)送到單片機(jī)接收緩沖區(qū)（不對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以減少中斷占用的時間）的數(shù)據(jù)，當(dāng)接收到規(guī)定的字符數(shù)或在一定等待時間內(nèi)無后續(xù)數(shù)據(jù)之后，置接收完畢標(biāo)志，以表明接收緩沖區(qū)中有待處理的數(shù)據(jù)并請求通信處理程序?qū)ζ溥M(jìn)行處理。其流程圖如圖１所示。

２．２ 發(fā)送中斷處理程序

發(fā)送中斷處理程序主要負(fù)責(zé)向微機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送中斷一般處于禁止?fàn)顟B(tài)，只有在通信處理程序?qū)⑿枰l(fā)送的數(shù)據(jù)寫入單片機(jī)的發(fā)送緩沖區(qū)，并將發(fā)送中斷置為允許方式后，發(fā)送中斷才開始工作，并將緩沖區(qū)數(shù)據(jù)逐一發(fā)送給微機(jī)。當(dāng)發(fā)送完指定長度的數(shù)據(jù)后（發(fā)送緩沖區(qū)為空），發(fā)送中斷處理程序?qū)l(fā)送中斷置為禁止（關(guān)閉）狀態(tài)，直到通信處理程序?qū)⑵湓僖淮伍_放。其流程如圖２所示。

２．３ 通信處理程序

考慮到盡量減少通信中斷程序所占用的ＣＰＵ時間，通信處理程序被放在普通主循環(huán)中調(diào)用。只有在接收到上位機(jī)送來的一串?dāng)?shù)據(jù)，且接收完畢標(biāo)志為“ＯＮ”時，才能真正進(jìn)行處理，否則不進(jìn)行處理。這樣就可利用送信后等待微機(jī)回答的時間進(jìn)行別的處理，從而消除了空等待時間，提高了ＣＰＵ的利用率。通信處理程序可根據(jù)通信處理狀態(tài)的不同來分別執(zhí)行不同的路徑。在進(jìn)入相應(yīng)路徑后，首先對接收緩沖區(qū)的內(nèi)容進(jìn)行正確性檢查，檢查正確后再根據(jù)通信要求或協(xié)議規(guī)定對緩沖區(qū)的內(nèi)容進(jìn)行處理（包括內(nèi)存的寫入和讀出），同時重新組織數(shù)據(jù)到發(fā)送緩沖區(qū)以向微機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，最后退出通信處理程序以執(zhí)行其它的程序。待接收中斷程序重新接收到數(shù)據(jù)并將接收完標(biāo)志置為“ＯＮ”后，可重新進(jìn)入通信處理程序進(jìn)行處理。

３?。校脵C(jī)通信程序設(shè)計

在ＶＣ＋＋６．０環(huán)境下，利用ＰＣ機(jī)串口進(jìn)行通信的常用方法有兩種第一是調(diào)用Ｗｉｎｄｏｗｓ ＡＰＩＡｐｐｌｉ－ ｃａｔｉｏｎ Ｐｒｏｇｒａｍ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ函數(shù)；第二是使用ＡｃｔｉｖｅＸ的ＭＳＣｏｍｍ控件。第一種方法需聲明及調(diào)用許多ＡＰＩ函數(shù)，十分煩瑣。而第二種方法是將ＡＰＩ函數(shù)封裝起來，這種方法雖較為簡便，但不能滿足復(fù)雜情況下的通信要求。本文將介紹另外一種用ＰＣｏｍｍ處理ＰＣ機(jī)的串口通信方法。

ＰＣｏｍｍ是一種用于處理多進(jìn)程／多線程的串口通信軟件開發(fā)工具，它提供了許多基于ＡＰＩ函數(shù)的命令集來處理串口通信，可以在Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋、Ｖｉｓｕａｌ Ｂａｓｉｃ、Ｄｅｌｐｈｉ ５．０等多種開發(fā)工具下使用，且具有傳輸速度快、使用靈活方便等特點，能夠滿足復(fù)雜情況下的串口通信要求。

３．１ Ｐｃｏｍｍ的主要命令碼

ＰＣｏｍｍ的主要命令碼有以下幾種：

● ｓｉｏ ｏｐｅｎ(ｐｏｒｔ)；

用于設(shè)置并打開串口，其中ｐｏｒｔ的１、２、３、４分別代表ＣＯＭ１、ＣＯＭ２、ＣＯＭ３、ＣＯＭ４。當(dāng)返回值為０時，表示串口已經(jīng)打開，否則為串口打開出錯。

● ｓｉｏ ｃｌｏｓｅ(ｐｏｒｔ)；

關(guān)閉串口，當(dāng)返回值為０時,表示串口已經(jīng)關(guān)閉，否則為串口關(guān)閉出錯。

● ｓｉｏ ｉｏｃｔｌ(ｐｏｒｔｂａｕｄｍｏｄｅ)；

用于設(shè)置串口波特率、校驗位、數(shù)據(jù)位、停止位等參數(shù)。

● ｓｉｏ ｇｅｔｃｈ()；

從串口輸入緩沖區(qū)讀出一個字符，返回值為０表示已收到數(shù)據(jù)。

● ｓｉｏ-ｒｅａｄ(ｐｏｒｔｂｕｆｌｅｎ)；

用于從串口輸入緩沖區(qū)讀出一串字符，ｂｕｆ代表字符串?dāng)?shù)組ｌｅｎ代表數(shù)組長度，返回值為０表示未收到字符，大于０代表收到字符的個數(shù)。

● ｓｉｏ-ＳｅｔＲｅａｄＴｉｍｅｏｕｔｓｐｏｒｔＴｏｔａｌＴｉｍｅｏｕｔｓ(Ｉｎｔｅｒ-ｖａｌＴｉｍｅｏｕｔｓ)；

在設(shè)定的等待時間內(nèi)連續(xù)讀串口輸入緩沖區(qū)，ＴｏｔａｌＴｉｍｅｏｕｔｓ代表設(shè)定的等待時間，ＩｎｔｅｒｖａｌＴｉｍｅｏｕｔｓ代表每次讀出的間隔時間。

● ｓｉｏ-ｆｌｕｓｈ(ｐｏｒｔｆｕｎｃ)；

用于清空緩沖區(qū)。當(dāng)ｆｕｎｃ為０時清空輸入緩沖區(qū)，為１時清空輸出緩沖區(qū)，為２時清空輸入輸出緩沖區(qū)。

● ｓｉｏ-ｐｕｔｃｈ(ｐｏｒｔｔｅｒｍ)；

用于向串口緩沖區(qū)發(fā)送一個字符，返回值為０時表示發(fā)送正確，否則表示發(fā)送錯誤。

● ｓｉｏ-ｗｒｉｔｅ(ｐｏｒｔｂｕｆｌｅｎ)；

用于從串口緩沖區(qū)發(fā)送一串字符，ｂｕｆ代表字符串?dāng)?shù)組,ｌｅｎ代表數(shù)組長度。

３．２ 實現(xiàn)過程

在用Ｐｃｏｍｍ處理ＰＣ機(jī)的串口通信時，其實現(xiàn)過程如下：

（１）啟動ＶＣ＋＋ ６．０，新建一個基于對話框的應(yīng)用程序ＴｘＲｘ。同時增加靜態(tài)文本、編輯框和按鈕控件，并為它們添加相應(yīng)的變量。其屬性見表１。

表1 TxRx應(yīng)用程序的屬性

（２） 將Ｐｃｏｍｍ．ｈ和Ｐｃｏｍｍ．ｌｉｂ加入到工程中，并在ＴｘＲｘＤｌｇ．ｃｐｐ文件中加入＃ｉｎｃｌｕｄｅ “Ｐｃｏｍｍ．ｈ”頭文件，此后便可調(diào)用其提供的通信命令集。

（３）在ＴｘＲｘＤｌｇ．ｃｐｐ文件中添加有關(guān)程序代碼，也就是在ＯｎＩｎｉｔｉＤｉａｌｏｇ函數(shù)中的ＴＯＤＯ語句后加入以下代碼：

／／ＴＯＤＯ Ａｄｄ ｅｘｔｒａ ｉｎｉｔｉａｌｉｚａｔｉｏｎ ｈｅｒｅ

ｉｎｔ ｒｅｔｐｏｒｔ＝１

ｒｅｔ＝ｓｉｏ ｏｐｅｎｐｏｒｔ ／／打開串口１

ｓｉｏ ＤＴＲｐｏｒｔ０ ／／置ＤＴＲ為低電平

ｓｉｏ ｉｏｃｔｌｐｏｒｔＢ１９２００Ｐ ＮＯＮＥ｜ＢＩＴ ８｜ ＳＴＯＰ １ ／／設(shè)置波特率為１９２００，８位數(shù)據(jù)位，

１位停止位，無校驗位。

３．３ 數(shù)據(jù)通信

下面舉例說明ＰＣ機(jī)如何通過串口向單片機(jī)發(fā)送并接收數(shù)據(jù)。

ｖｏｉｄ ＣＴＸＲＸＤｌｇＳｅｎｄＲｅｃｖ／／收發(fā)數(shù)據(jù)子函數(shù)

{

ｗｈｉｌｅ１

{

ｉｎｔ ｒｅｔ１

ｓｉｏ ｆｌｕｓｈｐｏｒｔ２;／／清空串口輸入輸出緩沖區(qū)

ｓｉｏ- ｗｒｉｔｅ(ｐｏｒｔ,１,５);

向串口緩沖區(qū)發(fā)送５個字符

ｓｉｏ- ＳｅｔＲｅａｄＴｉｍｅｏｕｔｓ(ｐｏｒｔ,４０,１);

／／在４０ｍｓ內(nèi)每隔１ｍｓ讀一次串口

ｒｅｔ１＝ｓｉｏ-ｒｅａｄ(ｐｏｒｔ,ＲｅｃｖＢｕｆ,１);

ｉｆ (ｒｅｔ１＞０)

{

ｓｉｏ- ｃｌｏｓｅ(ｐｏｒｔ);

ｂｒｅａｋ;

}

／／若收到數(shù)據(jù)，關(guān)閉串口，跳出循環(huán)

ｅｌｓｅ;

／／若未收到數(shù)據(jù)，對串口再一次發(fā)數(shù)據(jù)并再次查詢接收。

}

}

４　結(jié)束語

本文給出了分布式控制系統(tǒng)中上位ＰＣ機(jī)與下位單片機(jī)之間進(jìn)行異步串行通信的解決方案。此方案在實際運(yùn)行過程中，運(yùn)行穩(wěn)定，通信性能良好，從而較好地解決了上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信問題。