PIC單片機(jī)與PC機(jī)的串行數(shù)據(jù)交換

一、前言

美國(guó)Microchip公司的PIC系列單片機(jī)是一種新型的CMOS工藝單片機(jī)，其中，有許多單片機(jī)內(nèi)部帶有異步通訊模塊，如PIC16F877等系列芯片。單片機(jī)雖然在使用中可等同于一個(gè)CPU，但是在許多需要大量計(jì)算的運(yùn)用中，還必須借助微機(jī)（PC）的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力，這樣就必須通過通信電路實(shí)現(xiàn) PIC單片機(jī)與微機(jī)間的可靠數(shù)據(jù)傳輸。不論P(yáng)IC單片機(jī)內(nèi)有沒有提供串行口，在實(shí)現(xiàn)串行通信時(shí)都必須通過自己設(shè)計(jì)硬件電路和編寫通信軟件來實(shí)現(xiàn)，而PIC 單片機(jī)要完成較復(fù)雜的軟件功能時(shí)，需利用其內(nèi)部相關(guān)的特殊功能寄存器來實(shí)現(xiàn)。下面介紹PIC16F877與微機(jī)間進(jìn)行異步串行通訊的實(shí)現(xiàn)方法，同時(shí)給出與微機(jī)間進(jìn)行異步串行通訊的硬件接口電路、程序流程框圖、單片機(jī)內(nèi)通信程序等。?

二、PIC16877與PC機(jī)間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的實(shí)現(xiàn)

要實(shí)現(xiàn)PIC16F877與PC機(jī)間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，在編寫程序時(shí)首先要設(shè)置好USART異步通訊模塊工作模式及相關(guān)寄存器，現(xiàn)分別介紹如下。

1PIC16F877的USART異步工作設(shè)置簡(jiǎn)介

PIC16F877的USART與其他具有USART的PIC單片機(jī)一樣，可以被設(shè)置成為與PC機(jī)進(jìn)行全雙工異步通訊，它是一種利用PORTC口的 RC6和RC7兩個(gè)引腳作為通訊的2線制串行通訊接口。為了把PORTC口的RC6和RC7兩個(gè)引腳分別設(shè)置成串行通訊接口的發(fā)送（TX）腳和接收（RX）腳，必須要把USART的接收狀態(tài)和控制寄存器RCSTA的bit7（SPEN）位和TRISC寄存器的bit7置“1”，把TRISC寄存器的 bit6置“0”。為了使USART分別工作于接收或發(fā)送狀態(tài)，就必須設(shè)置相應(yīng)的狀態(tài)寄存器和控制寄存器。在設(shè)置接收器時(shí)，要注意接收腳對(duì)接收信號(hào)的采樣。接收腳RX上的數(shù)據(jù)被采樣3次，通過一個(gè)三中取二邏輯檢測(cè)電路來判斷RX腳上的電平是高還是低，以作為采樣取值。另外，要使USART工作在異步通訊方式，就必須要設(shè)置通訊的傳送、接收速率即波特率，USART的波特率設(shè)置是通過控制獨(dú)立的一個(gè)8位波特率發(fā)生器BRG實(shí)現(xiàn)的。

在異步工作方式下，串行通訊接口USART 采用標(biāo)準(zhǔn)的不歸0（NRZ）格式（即1位起始位、8位或9位數(shù)據(jù)位及1位停止位），最常用的數(shù)據(jù)格式是8位。PIC16F877片內(nèi)的8位波特率發(fā)生器 BRG可以用來驅(qū)動(dòng)振蕩器的時(shí)鐘，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的波特率頻率。PIC16F877的USART發(fā)送和接收順序是從最低位（LSB）開始。USART發(fā)送器和接收器在功能上是完全獨(dú)立的，但是它們所用的數(shù)據(jù)格式和波特率必須是相同的。波特率發(fā)生器可以根據(jù)發(fā)送狀態(tài)和控制寄存器TXSTA的bit2（BRGH）位設(shè)置產(chǎn)生2種不同的移位速度：對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘16分頻和64分頻的波特率時(shí)鐘，即設(shè)置該位在異步通訊模式為1時(shí)表示通訊為高速，為0時(shí)表示通訊為低速。要使 USART工作于異步通訊模式，可通過對(duì)發(fā)送狀態(tài)和控制寄存器TXSTA的bit4（SYNC）位設(shè)置清“0”。

由上簡(jiǎn)述可知：PIC16F877 的USART異步工作設(shè)置主要包括對(duì)以下部件的設(shè)置：波特率發(fā)生器BRG、采樣電路、異步發(fā)送器、異步接收器等。但PIC16F877的USART異步工作有2點(diǎn)需要說明：一是USART硬件不支持奇偶效驗(yàn)，但可以用軟件實(shí)現(xiàn)（并可作為第9位數(shù)據(jù)傳輸）；二是在CPU處于休眠工作方式時(shí)，USART不能工作在異步通訊方式。

2USART波特率發(fā)生器BRG設(shè)置

在異步通訊方式下，波特率發(fā)生器BRG 需要設(shè)置一個(gè)初值，以使BRG輸出一個(gè)合適的波特率。在BRG設(shè)置時(shí)，其工作在高速還是低速是由發(fā)送狀態(tài)寄存器和控制寄存器TXSTA的 bit2（BRCH）位進(jìn)行設(shè)置的。在PIC16F877內(nèi)部時(shí)鐘工作模式下，設(shè)置BRG波特率寄存器SPBRG在低速和高速初值的計(jì)算公式如下：
　　BRGH=0（低速）
　　異步波特率=FOSC/（64（X+1））
　　BRGH=1（高速）
　　波特率=FOSC/（16（X+1））
　　其中，X為SPBRG寄存器的值（0~255）。

實(shí)際應(yīng)用中，上式用于高速方式（BRGH=1）下計(jì)算波特率可以減小誤差。另外，在向波特率寄存器SPBRG寫入一個(gè)新值時(shí)會(huì)使BRG定時(shí)器復(fù)位（清零），由此就可保證波特率發(fā)生器BRG不需要等到定時(shí)器溢出后就可輸出新的波特率。

3USART異步通訊的寄存器設(shè)置

實(shí)現(xiàn)USART異步通訊的寄存器主要有：發(fā)送狀態(tài)寄存器和控制寄存器TXSTA、接收狀態(tài)和控制寄存器RCSTA、波特率發(fā)生器存器SPBRG、發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器TXREG、接收數(shù)據(jù)寄存器RCREG、外圍接口中斷使能寄存器PIE1和外圍接口標(biāo)志寄存器PIR1等。

（1） 發(fā)送狀態(tài)和控制寄存器TXSTA?

　　bit7  CSRC：異步方式未用;?
　　bit6  TX9：發(fā)送數(shù)據(jù)長(zhǎng)度選擇位。1=選擇9位數(shù)據(jù)；0=選擇8位數(shù)據(jù)；?
　　bit5  TXEN：發(fā)送允許位。1=允許發(fā)送；0=關(guān)閉發(fā)送；
　　bit4  SYNC：USART同步/異步方式選擇位。1=選擇同步方式；0=選擇異步方式；
　　bit3  此位未用；
　　bit2  BRGH：高速波特率使能位。1=高速；0=低速；
　　bit1  TRMT：發(fā)送移位寄存器（TSR）“空”標(biāo)志位。1=TSR空；0=TSR滿；
　　bit0  TX9D：發(fā)送數(shù)據(jù)的第9位。

（2）接收狀態(tài)和控制寄存器RCSTA?

　　bit6  RX9：接收數(shù)據(jù)長(zhǎng)度選擇位。1=選擇接收9位數(shù)據(jù)；0=選擇接收8位數(shù)據(jù)；?
　　bit5  SREN：?jiǎn)巫止?jié)接收允許位。異步方式此位未用；?
　　Bit4  CREN：連續(xù)接收選擇位。1=允許連續(xù)接收；0=禁止連續(xù)接收；?
　　bit3  ADDEN：地址匹配檢測(cè)使能位。
    1=允許地址匹配檢測(cè)，允許中斷并且當(dāng)RSR的D8被置1時(shí)讀接收緩沖器數(shù)據(jù)；?
　　0=禁止地址匹配檢測(cè)，接收所有字節(jié)，第9位被看作奇偶效驗(yàn)位；?
　　bit2  FERR：幀格式錯(cuò)標(biāo)志位。?
　　1=幀格式錯(cuò)（讀RCREG寄存器可對(duì)該位刷新并且準(zhǔn)備接收下一個(gè)有效位）；?
　　0=無幀格式錯(cuò)；
　　bit1  OERR：越位溢出錯(cuò)標(biāo)志位。?
　　1=有溢出錯(cuò)，清CREN位可將此位清零；0=無溢出錯(cuò)；?
　　bit0  RX9D：接收數(shù)據(jù)的第9位，可作奇偶效驗(yàn)位。

（3） 外圍接口中斷使能寄存器PIE1? 

   
     bit5   RCIE：串行異步通訊接口接收中斷使能位。
      1=允許USART接收中斷；0=禁止USART接收中斷；
      bit4   TXIE：串行異步通訊接口發(fā)送中斷使能位。
       1=允許USART發(fā)送中斷；0=禁止USART發(fā)送中斷。
　　其余位在異步通訊中未用。

（4）外圍接口中斷標(biāo)志寄存器PIR1?

      bit5  RCIF：異步串行通訊（USART）接口接收中斷標(biāo)志位；?
      1= USART接收緩沖區(qū)滿；0= USART接收緩沖區(qū)空；
      bit4  TXIF：異步串行通訊（USART）接口發(fā)送中斷標(biāo)志位；
      1= USART發(fā)送緩沖區(qū)空；0= USART發(fā)送緩沖區(qū)滿。
　　其余位在異步通訊中未用。?

(5） 其他寄存器

波特率發(fā)生器存器SPBRG的設(shè)置請(qǐng)參考USRTA波特率發(fā)生器BRG的設(shè)置內(nèi)容，在設(shè)置該寄存器就是根據(jù)單片機(jī)工作時(shí)鐘頻率確定傳輸數(shù)據(jù)的波特率，只要將其初值寫入SPBRG寄存器即可。

發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器TXREG是將單片機(jī)需要發(fā)送的數(shù)據(jù)存放的寄存器，在單片機(jī)未發(fā)送之前就必須要將備發(fā)送的數(shù)據(jù)裝入該寄存器。接收數(shù)據(jù)寄存器RCREG是將單片機(jī)接收到外界數(shù)據(jù)后存放數(shù)據(jù)的寄存器，在單片機(jī)確定接收的數(shù)據(jù)無誤后，將其數(shù)據(jù)存放到該寄存器中。

4?PIC16F877單片機(jī)與PC機(jī)實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換

PC機(jī)的串行接口是符合EIA RS-232C規(guī)范的外部總線標(biāo)準(zhǔn)接口。RS-232C采用的是負(fù)邏輯，即邏輯"1"：-5~-15 V；邏輯"0"：+5~+15 V。而CMOS電平為：邏輯“1”：4.99 V，邏輯“0”：0.01 V；TTL電平的邏輯“1”和“0”則分別為2.4 V和0.4 V。因此在用RS-232C總線進(jìn)行串行通信時(shí)需外接電路實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。在發(fā)送端用驅(qū)動(dòng)器將TTL或CMOS電平轉(zhuǎn)換為RS-232C電平，在接收端用接收器將RS-232C電平再轉(zhuǎn)換為TTL或CMOS電平。這里選用了MAXIM公司的MAX232來作電平轉(zhuǎn)換。MAX232屬于MAXIM公司的通用串行接收/發(fā)送驅(qū)動(dòng)器芯片。其外圍電路簡(jiǎn)單，只需外接4個(gè)0.1 μF的電容即可，其系統(tǒng)硬件電路如圖1所示。圖中MAX232將PIC16F877的TX輸出的TTL電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為RS-232C電平，輸入到PC機(jī)，并將PC機(jī)輸出的RS-232C電平轉(zhuǎn)換為TTL電平，輸出到PIC16F877單片機(jī)的RX引腳。

5?PC機(jī)支持與PIC16F877進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的編程

本文中PC 機(jī)可與PIC16F877編程一起完成以下功能：PC機(jī)和單片機(jī)均可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，由PC機(jī)決定是發(fā)送還是接收；程序設(shè)定當(dāng)PC機(jī)鍵盤輸入發(fā)送指令時(shí)，PC機(jī)分別顯示PC機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)和單片機(jī)會(huì)送的數(shù)據(jù)；當(dāng)PC機(jī)鍵盤輸入接收指令時(shí)，PC機(jī)將接收單片機(jī)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并將其數(shù)據(jù)顯示。

在編程中，必須要注意設(shè)置PC 機(jī)與PIC16F877單片機(jī)在進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸格式相同。通常采用的通訊協(xié)議如下：波特率為9 600 bps，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無奇偶效驗(yàn)位。PC機(jī)發(fā)送命令給單片機(jī)，鍵盤輸入發(fā)送命令時(shí)，控制單片機(jī)接收數(shù)據(jù)，當(dāng)PC機(jī)鍵盤輸入接收命令時(shí)，控制單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)給PC機(jī)。PC機(jī)與PIC16F877單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的程序編制流程如圖2所示。

PIC16F877編程如下：

（1）初始化設(shè)置部分

(2)接收并返回?cái)?shù)據(jù)部分

要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC 機(jī)間的數(shù)據(jù)通訊，不僅是要連接硬件電路和對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程，同時(shí)還需要在PC上編寫數(shù)據(jù)收發(fā)的程序。通常，對(duì)于單片機(jī)與PC機(jī)間的數(shù)據(jù)通訊交換調(diào)試時(shí)，可以借助網(wǎng)上盛行的串口通訊調(diào)試工具，同時(shí)也可以自己編寫調(diào)試程序。程序編寫好后，再與上述PIC16F877一起進(jìn)行操作，即可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易通訊數(shù)據(jù)交換。該程序編寫流程框圖如圖3所示。程序?yàn)镻C機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)發(fā)送后，單片機(jī)接收后并反發(fā)送回PC機(jī)。這里要注意的是：當(dāng)PC機(jī)與單片機(jī)系統(tǒng)通信時(shí)，單片機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)( RAM )內(nèi)的數(shù)據(jù)是十六進(jìn)制，在信號(hào)線上傳輸?shù)氖鞘M(jìn)制數(shù)的ASCII碼的二進(jìn)制形式；而Windows系統(tǒng)下使用的是ANSI碼，ANSI碼僅在前126個(gè)與ASCII碼相同。即在Windows下接收到的是十六進(jìn)制數(shù)的ASCII碼的字符串，可先轉(zhuǎn)換為ANSI碼后再在Windows下還原為十六進(jìn)制數(shù)。

三、結(jié)束語

以上的軟硬件在實(shí)踐中均達(dá)到了較為理想的效果。通過單片機(jī)的使用，大大節(jié)省了硬件資源。在實(shí)際應(yīng)用中，還需要在編程中注意數(shù)據(jù)的校驗(yàn)，這樣才能保證數(shù)據(jù)在交換及輸中減小誤碼，以提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。?

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