基于STC10F04EX的多串口數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)

引言
    RS 232串口通信是一種常用的通信方式，許多數(shù)字化設(shè)備、測量儀器都具有串行接口。這些設(shè)備可以方便地與PC、PLC等控制器連接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從而組成一個測試檢測／監(jiān)測系統(tǒng)。
    目前安裝在江、河、湖等水體現(xiàn)場的不同種類的水環(huán)境監(jiān)測設(shè)備，通過采集水樣，周期性地生成一組數(shù)據(jù)通過串口向外傳送。如果在現(xiàn)場需配置一臺或多臺PC，既不經(jīng)濟(jì)，又難以維護(hù)。本文介紹的基于單片機(jī)的多串口數(shù)據(jù)收發(fā)控制系統(tǒng)，可以同時連接多臺不同類型的水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備，現(xiàn)場接收采集的數(shù)據(jù)并通過無線模塊向遠(yuǎn)端控制中心傳遞，轉(zhuǎn)發(fā)傳送的距離約為3 000 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于直接的RS 232互連。多串口數(shù)據(jù)收發(fā)控制系統(tǒng)不同于多串口卡，可以脫離計算機(jī)獨(dú)立工作，是計算機(jī)串口擴(kuò)展、延伸的一種全新方法。
    用多串口數(shù)據(jù)收發(fā)控制系統(tǒng)取代計算機(jī)安置于監(jiān)測現(xiàn)場，將來自于不同設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步整合，再通過無線方式向遠(yuǎn)離現(xiàn)場的中央控制室進(jìn)行傳送，則監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性、實(shí)時性、易維護(hù)性都大為增強(qiáng)。

1 水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成
    本文所提及的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，由光譜分析儀、水毒性分析儀、生物狀態(tài)分析儀等組成，這些設(shè)備都具有RS 232接口，但是接口參數(shù)不盡一致，傳送的數(shù)據(jù)格式也差別極大(見表1)。

    這些位于水體現(xiàn)場的測試設(shè)備，需要及時地將測量數(shù)據(jù)傳遞給遠(yuǎn)端的中央控制室。

2 多串口數(shù)據(jù)收發(fā)控制系統(tǒng)
2．1 多串口數(shù)據(jù)收發(fā)控制系統(tǒng)工作原理
    多串口數(shù)據(jù)收發(fā)控制系統(tǒng)，以單片機(jī)STC10F04EX為控制核心，擴(kuò)展出多個全雙工異步串行口(UART)，用以同時連接多個外部串口設(shè)備。該系統(tǒng)既可獨(dú)立地與所連接的設(shè)備交換數(shù)據(jù)，又能起到數(shù)據(jù)中繼的作用，將來自上位端的命令傳遞到指定的串口設(shè)備上，或?qū)⒔邮盏降膩碜圆煌谠O(shè)備上的數(shù)據(jù)經(jīng)過初步整理后發(fā)送到上位端。
    由于要連接多個下位端執(zhí)行設(shè)備，但STC10F04EX的獨(dú)立UART只有一個，因此，必須對該單片機(jī)的UART進(jìn)行擴(kuò)展，才能連接多臺串口設(shè)備。經(jīng)過擴(kuò)展的各路UART不能同時工作，必須在I／O的配合下選擇對應(yīng)通道分時工作。
    被監(jiān)測的對象所發(fā)生的變化是個緩變過程，監(jiān)測系統(tǒng)中的各個分析儀器所要傳送的數(shù)據(jù)量有限，并且接收端大部分時間處于等待階段，控制程序在設(shè)計時已充分考慮到數(shù)據(jù)的銜接和每種設(shè)備的采樣和轉(zhuǎn)換周期。因此，分時連接不會造成數(shù)據(jù)丟失導(dǎo)致失準(zhǔn)，可以滿足監(jiān)測要求。
    圖1顯示了多串口收發(fā)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖以及與3個外部串口設(shè)備的連接。該系統(tǒng)既可以將接收到的數(shù)據(jù)通過無線方式對外發(fā)送，也可以用有線的方式直接傳遞給本地電腦。

2．2 多串口數(shù)據(jù)收發(fā)控制系統(tǒng)硬件組成
    多串口數(shù)據(jù)收發(fā)控制系統(tǒng)，采用型號STC10F04XE的單片機(jī)為控制核心，外加7279A鍵盤及數(shù)碼管驅(qū)動電路，TTL-RS232電平轉(zhuǎn)換電路MAX
232，4052雙4選1模擬開關(guān)，無線收發(fā)模塊等組成。
    STC11F04XE的單片機(jī)，以8051為內(nèi)核，并具有以下鮮明特點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)，1T周期CPU，獨(dú)立波特率發(fā)生器，2個可切換串口，在系統(tǒng)可編程(ISP)，片上擴(kuò)展XRAM等。
    單片機(jī)STC10F04EX的UART可在P1口的P1．6／P1．7(UART2)和P3口P3．0／P3．1(UART1)間切換，可以分時當(dāng)2個串口使用，這為調(diào)試系統(tǒng)和擴(kuò)展串口帶來了方便。由于該系列單片機(jī)支持在系統(tǒng)可編程(ISP)，因此系統(tǒng)中的UART1通過電平轉(zhuǎn)換電路，直接連接到PC機(jī)的一個串口上,用于對單片機(jī)的程序下載和調(diào)試。單片機(jī)正常工作時，可將串口設(shè)置在UART2上。
    采用雙4選1模擬開關(guān)4052，將單片機(jī)的UART2擴(kuò)展為4路。其中，單片機(jī)端的RxD／TxD分別接到4052的公共端，擴(kuò)展端再由MAX232電平變換連接到外部具有串口的測量設(shè)備上。STC10F04EX的2個I／O引腳P1．1，P1．0與4052的通道選擇線B、A分別相連，UART2的具體指向由這2條I／O選擇控制。擴(kuò)展的串口只能分時工作，具體分配見表2。

    由于連接的不同串口設(shè)備的通信參數(shù)不完全相同，STC10F04EX必須根據(jù)設(shè)備指向動態(tài)調(diào)整串口參數(shù)以適合外部串口設(shè)備。
    顯示芯片7279A可以驅(qū)動8位共陰LED數(shù)碼管并可采集64個鍵盤位置信號。該系統(tǒng)通過數(shù)碼管顯示工作狀態(tài)(收發(fā)，等待，時間，通道號，參數(shù)等)；通過鍵盤不僅可以設(shè)置“多串口數(shù)據(jù)收發(fā)控制系統(tǒng)”自身參數(shù)和調(diào)節(jié)自身狀態(tài)，還可修改／設(shè)置所連接的外部設(shè)備的傳送參數(shù)。CPU通過4個I／O引腳與7279A的4條控制線CS、DATA、CLK、KEY連接，就可驅(qū)動8位數(shù)碼管并對按鍵進(jìn)行監(jiān)控。為了響應(yīng)及時，采用中斷方式響應(yīng)按鍵狀態(tài)，因此將KEY連接到P3．2(int0)上。
    無線收發(fā)模塊，嵌入高性能射頻芯片，采用高效循環(huán)交織糾檢錯編碼，發(fā)送距離可達(dá)3 000 m。模塊具有TTL電平的UART口，因此可以很方便地與單片機(jī)的一個擴(kuò)展的UART連接。向無線收發(fā)模塊寫入和讀出數(shù)據(jù)，與一般的串口操作基本一樣。無線收發(fā)模塊頻點(diǎn)、空中速率、本地串口速率、校驗方式等參數(shù)可以在線設(shè)置或通過廠家提供的程序進(jìn)行設(shè)置。
    系統(tǒng)中無線收發(fā)模塊本地串口通信參數(shù)設(shè)為(9 600，8，N，1)，數(shù)據(jù)被調(diào)制在434 MHz進(jìn)行發(fā)送和接收，空中速率9 600 b／s，發(fā)射功率100 mW。
    該無線收發(fā)模塊，收到數(shù)據(jù)后通常延時幾十到幾百毫秒才發(fā)送，所帶緩存256 B。若本地串口速率大于等于空中速率，則存在數(shù)據(jù)流量問題，可能會出現(xiàn)數(shù)據(jù)溢出導(dǎo)致丟失現(xiàn)象。因此若傳送數(shù)據(jù)超過256 B，要進(jìn)行數(shù)據(jù)分割，插入等待周期，采用分次發(fā)送的方式以避免數(shù)據(jù)丟失。本系統(tǒng)所連接的光譜儀數(shù)據(jù)量較大，因此單片機(jī)接收光譜儀數(shù)據(jù)后再經(jīng)無線轉(zhuǎn)發(fā)，要采用分段接收／轉(zhuǎn)發(fā)方式，每次的數(shù)據(jù)量要小于256 B，多次重復(fù)，直至全部數(shù)據(jù)。

3 軟件設(shè)計
3．1 有關(guān)寄存器的說明
    程序運(yùn)行時首先進(jìn)行初始化設(shè)置，其中涉及到幾個比較特別的寄存器，其定義不同于其他51系列的單片機(jī)。
    寄存器AUXR，地址8EH。關(guān)系到獨(dú)立波特率發(fā)生器，STC10F04EX既可以采用定時器1作為波特率發(fā)生器，又可以采用獨(dú)立波特率發(fā)生器以釋放定時器1，見表3說明。

    寄存器AUXR1，地址A2H。其中的D7位關(guān)系到單片機(jī)內(nèi)在的串口切換。例如：
   
3．2 數(shù)據(jù)存儲及轉(zhuǎn)發(fā)
    STC10F04EX單片機(jī)，內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器為256 B，片上擴(kuò)展的外部數(shù)據(jù)存儲器為256 B，共計512 B，數(shù)據(jù)空間緊湊。程序運(yùn)行中的一些變量需要占用一部分?jǐn)?shù)據(jù)空間，因此只能開辟約220個字節(jié)作為緩存空間，暫存接收到的來自串口設(shè)備的數(shù)據(jù)。如果一次接收的數(shù)據(jù)量小于緩存空間，則不會導(dǎo)致數(shù)據(jù)溢出；如果外部設(shè)備需傳送的數(shù)據(jù)量較大，則必須與外部設(shè)備建立聯(lián)絡(luò)控制發(fā)送，以使每次傳來的數(shù)據(jù)小于系統(tǒng)緩存,避免數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象的發(fā)生。
    所建立的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)中，“光譜儀”給出的數(shù)據(jù)量較大，因此“多串口收發(fā)控制系統(tǒng)”分時連接到“光譜儀”時，采用命令應(yīng)答方式控制光譜儀的數(shù)據(jù)發(fā)送，分批多次傳送。單片機(jī)將UART指向光譜儀，首先向光譜儀發(fā)送命令，指明數(shù)據(jù)來源和傳送的數(shù)據(jù)量(例如200個字節(jié))；其次等待光譜儀的響應(yīng)并將傳來的200個字節(jié)的數(shù)據(jù)暫存在所開辟的緩沖區(qū)中；然后再將UART切換至無線模塊通道，將單片機(jī)緩存中的數(shù)據(jù)寫入無線模塊轉(zhuǎn)發(fā)出去；重復(fù)進(jìn)行上述步驟直至接收到光譜儀的全部數(shù)據(jù)。
    水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)中的另外2種設(shè)備的數(shù)據(jù)量相對較小，可以一次性接收／轉(zhuǎn)發(fā)。
3．3 接收／轉(zhuǎn)發(fā)控制流程
    根據(jù)設(shè)備的不同數(shù)據(jù)周期，以時間為線索，為相應(yīng)的設(shè)備分配接收／發(fā)送時間(圖2)，在所分配的時間里，單片機(jī)要進(jìn)行UART通道切換：指向串口設(shè)備接收或發(fā)送數(shù)據(jù)、指向無線設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)。

    程序采用中斷方式處理定時、串口的數(shù)據(jù)接收／發(fā)送、鍵盤輸入等過程。以中斷方式運(yùn)行，提高了程序的執(zhí)行效率。圖3為定時中斷服務(wù)程序流程圖。該水質(zhì)監(jiān)測過程，就是循環(huán)掃描3個水監(jiān)測設(shè)備，獲取數(shù)據(jù)并進(jìn)行無線轉(zhuǎn)發(fā)。

3．4 主要的程序功能模塊說明
    串口驅(qū)動程序為分析判斷數(shù)據(jù)來源，并調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)，完成對不同串口設(shè)備的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送。將接收到的數(shù)據(jù)暫時保存于緩存中；將緩存中的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)；定時中斷程序為周期性地切換UART通道，分別連接到外部的3個串口設(shè)備上和無線發(fā)射模塊上。切換串口通道的同時，調(diào)整串口通信參數(shù)，以適應(yīng)不同的串口設(shè)備。觸發(fā)串口發(fā)送過程，將緩存中的數(shù)據(jù)寫入無線模塊轉(zhuǎn)發(fā)；INT0中斷服務(wù)程序為及時響應(yīng)鍵盤操作，然后調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)，完成參數(shù)設(shè)置等控制任務(wù)；顯示程序為控制7279A．驅(qū)動LED數(shù)碼管，顯示系統(tǒng)狀態(tài)等信息。

4 結(jié)語
    多串口數(shù)據(jù)收發(fā)控制系統(tǒng)，已應(yīng)用于水環(huán)境監(jiān)測的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，工作穩(wěn)定，數(shù)據(jù)收發(fā)可靠。
    本系統(tǒng)為采用一片單片機(jī)控制的單核心結(jié)構(gòu)，與采用多核結(jié)構(gòu)相比，盡管只能分時使用UART，但數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)相對容易，并且在設(shè)計時已考慮了數(shù)據(jù)銜接問題，不會導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象的發(fā)生；與采用多串口卡的方案相比，本系統(tǒng)可以脫離計算機(jī)獨(dú)立工作，因此現(xiàn)場不需要一臺計算機(jī)參與數(shù)據(jù)接收；無線方式數(shù)據(jù)傳送，傳送距離相對更遠(yuǎn)；系統(tǒng)占用資源少，維護(hù)成本降低。
    該系統(tǒng)還可應(yīng)用于其他的多串口數(shù)據(jù)收發(fā)場合。經(jīng)過擴(kuò)展，可連接的串口數(shù)目可以進(jìn)一步擴(kuò)大。