單片機(jī)與PC通信的簡化接口

    在單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，經(jīng)常遇到需要與PC進(jìn)行通信的問題。一般單片機(jī)都提供有UART接口，而普通PC機(jī)也都有1～2個(gè)RS-232口，所以，實(shí)際使用時(shí)經(jīng)常用RS-232進(jìn)行單片機(jī)與計(jì)算機(jī)間的通信。在近距離通信中，以零調(diào)制三線經(jīng)濟(jì)型使用最為廣泛。

　　RS -232標(biāo)準(zhǔn)是廣泛使用的串行通信標(biāo)準(zhǔn)，但使用的電平與TTL和MOS電平完全不同，邏輯“0”至少為+3V，邏輯“1”至少為-3V，而單片機(jī)系統(tǒng)則使用TTL電平或MOS電平。因此，需要使用接口電路來實(shí)現(xiàn)TTL電平或MOS電平與RS-232電平之間的轉(zhuǎn)換。目前已有現(xiàn)成的接口芯片可供選用，價(jià)格低一些的如MC地488（將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS-232C標(biāo)準(zhǔn)電平）和MC1489（將RS-232標(biāo)準(zhǔn)電平轉(zhuǎn)換為TTL電平），但MC1488需要± 12V的供電電壓。另外，也有許多使用單一的+5V供電芯片可供選擇，如MAX2003，但此類芯睡價(jià)格不菲，且需要若干外圍元件。在對(duì)體積和成本有較嚴(yán)格的要求時(shí)，進(jìn)一步簡化接口電路很有必要。

1 一種簡單的接口電路

　　實(shí)用中，單片機(jī)與PC的通信通常采用半雙工通信，這時(shí)，可以采用一種較簡單的接口電路（如圖

1所示）。在這種電路中，PC機(jī)的RXD上的邏輯高電平（小于-3V）是以“偷電”的方式從本身的TXD端獲得。這種電路的工作原理如下：

　　PC 機(jī)TXD端的邏輯電平經(jīng)T1后變?yōu)門TL電平或MOS電平。在單片機(jī)TXD端為邏輯低電平時(shí)，光耦的發(fā)光二極管發(fā)光，使得晶體管導(dǎo)通。其集電極的VCC （一般為+5V）加在PC機(jī)的RXD端；而在單片機(jī)TXD端為邏輯高電平時(shí)，光耦的發(fā)光二極管不發(fā)光，晶體管截止。由于PC機(jī)的TXD端在空閑時(shí)處于邏輯高電平（小于-3V），因此，這個(gè)電平便通過電阻R4加到其RXD端。這樣，便實(shí)現(xiàn)了TTL電平或MOS電平到RS-232電平的轉(zhuǎn)換。但需要注意的是，由于PC機(jī)的RXD和RXD端通過電阻接到了一起，因此有時(shí)會(huì)出現(xiàn)PC機(jī)自發(fā)自收的情況，這一點(diǎn)需要在編程時(shí)加以處理。

2 電阻值的確定

　　圖1電路中，R1、R2的取值范圍較大，一般只要使得T1正常工作在開關(guān)狀態(tài)下即可。R3的取值可按下式進(jìn)行計(jì)算：

　　R3=(Vcc-VF-Vcs)/IF

　　其中Vcc是工作電源電壓，Vcs是單片機(jī)TXD端的低電平電壓（一般取0.2V），VF是光耦中的發(fā)光二極管導(dǎo)通時(shí)的正向壓降（一般為1.1V左右），IF是其正常工作電流（一般為10mA）。

　　R4 取值的合適與否是本電路的關(guān)鍵。取值過小，可能會(huì)在單片機(jī)發(fā)送邏輯低電平時(shí)，使PC機(jī)的RXD端電平受自身TXD端的影響太大而導(dǎo)致電壓過低，從而達(dá)不到邏輯低電平的要求而不能正確接收；取值過大，則會(huì)在單片機(jī)發(fā)送邏輯高電平時(shí)，PC機(jī)RXD端受其輸入電阻的影響而不能將自身TXD端的邏輯電平正確傳送過來，這樣也不能正確接收。實(shí)際上，R4的取值受多種因素的影響，其中包括：光耦中晶體管的特性、R2的值、二極管D的特性、PC機(jī)RXD端的輸入電阻和輸入電平、TXD端的輸出電阻和輸出電平等。而這些因素中，尤以后兩乾的影響為甚。

　　在PC 機(jī)系統(tǒng)中，異步通信適配器以INS8250通訊芯片為核心，再配以可進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換的發(fā)送器和接收器電路而組成的。不同種類的PC機(jī)由于主板設(shè)計(jì)的不同，其 RS-232的特性也有差異，特別是RXD端的輸入電阻和TXD端的輸出電阻相去甚遠(yuǎn)。因此，若要用計(jì)算的方法得到R4的取值，需要了解各種主板的電路設(shè)計(jì)，這樣非常麻煩。但是對(duì)各種常見品牌計(jì)算機(jī)的RS-232口的特性進(jìn)行測試卻是相對(duì)簡便的。筆者在各種常見品牌的近百臺(tái)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行了測試，得到了可以在各種計(jì)算機(jī)上可正常使用的R4值，具體取值如表1所列。

表1 PC與單片機(jī)通信情況和R4值的關(guān)系

　　測試中，R2取10kΩ，D 采用IN4148，光耦采用TIL117，其發(fā)光二極管的工作電流為10mA（推薦值）。改變R4的取值，檢查PC能否和單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通信，以及PC機(jī)在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)是否被自己接到。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，常用PC機(jī)的RS-232口根據(jù)外部特性可以分為幾大類，現(xiàn)將每一類取一例示于表1中。表中的X1X2X3含義如下：

　　X1=0表示PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)不能通過R4自收。

　　=1表示PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)可以通過R4自收。

　　X2=0表示PC機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)不能被單片機(jī)接收。

　　=1表示PC機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)可以被單片機(jī)接收。

　　X3=0表示單片機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)不能被PC機(jī)接收。

　　=1表示單片機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)可以被PC機(jī)接收。

　　從表1中可以看出，盡管各種主板特性不同，但都有一段性相同的范圍，即R4取12.2kΩ～20kΩ時(shí)，PC可以和單片機(jī)正常通信，且PC發(fā)送的數(shù)據(jù)也可以被它自己接收。這樣，在設(shè)計(jì)電路時(shí)可以把R4取成15kΩ,從而使得該以與各種PC進(jìn)行通信。但需要注意是，當(dāng)PC由發(fā)送轉(zhuǎn)變?yōu)榻邮諘r(shí)，需要清除自發(fā)自收的數(shù)據(jù)。如果PC的通信程序是用匯編或C語言編寫的，只需假讀一次以清空接收緩沖器，或者復(fù)位線路狀態(tài)寄存器的D0位即可。如果PC的通信程序是用WB或VF編寫，且使用了通信控件，那么剛才發(fā)送的全部內(nèi)容都會(huì)進(jìn)入接收緩沖區(qū)，這樣就需要根據(jù)發(fā)送的字節(jié)數(shù)將接收緩沖區(qū)中前面相應(yīng)的內(nèi)容清除。

3 電路的進(jìn)一步簡化

　　如果想進(jìn)一步簡化電路，則可用三極管替代光電耦合器，該簡化接口電路見圖2所示。實(shí)驗(yàn)證明，在R4取10kΩ,T2采9015，R3取15kΩ時(shí)，該電路仍可正常工作。

4 結(jié)論

　　本文給出的簡單接口電路具有成本低和占用印制版面積小的優(yōu)點(diǎn)。通過實(shí)驗(yàn)測定的元件取值具有廣泛的適用性。上述電路在筆者開發(fā)的手持式通用秒表器中得到應(yīng)用。實(shí)際應(yīng)用中與各種品牌近千臺(tái)PC的通信皆正確，從而證明了本設(shè)計(jì)的可靠性。