基于C8051F020的通用串口適配器的設(shè)計
串行通信的廣泛應(yīng)用可使各種傳輸設(shè)備有機地連成一體,能夠安全可靠地進行數(shù)據(jù)交換和信息傳遞。但是由于各個設(shè)備傳輸信道上的信號不同,所應(yīng)用的串口也各種各樣,要完成眾多設(shè)備相互之間的通信,就必然要涉及到各個設(shè)備之間的串口轉(zhuǎn)換問題。
為了使計算機的RS-232接口與各種不同的串口進行通信,從而測試或控制不同設(shè)備的工作狀態(tài),本文設(shè)計了一種通用串口適配器,適配器有4個對外接口,其中,1口連接控制計算機,2、3、4口連接不同標準串口的通信設(shè)備,如圖1所示。
2 硬件設(shè)計
為了實現(xiàn)對適配器的自動控制以及擴展其他接口,采用了C8051F020單片機。適配器選用了C8051F020微處理器、MAX4534電子模擬開關(guān)、MAX232電平轉(zhuǎn)換器以及RS-485/RS-422信號轉(zhuǎn)換器MAX491等。
整個系統(tǒng)以C8051F020為核心,原理框圖如圖2所示。通過串口1控制從上位機串口發(fā)送的數(shù)據(jù)的接收、存儲和判別,然后通過串口2控制電子模擬開關(guān),使其內(nèi)部的模擬開關(guān)接通相應(yīng)的串口,最后實現(xiàn)計算機與各個串口的通信。
2.1 與上位機通信電路
C8051F020引腳的信號電平為TTL類型,而PC機串口的異步串行通信基于RS-232標準。兩者通信信號的邏輯電平不一致,必須進行信號電平轉(zhuǎn)換。因此,選用Maxim公司的MAX232實現(xiàn)TTL電平與RS-232電平的雙向轉(zhuǎn)換。
MAX232包含兩路接收和驅(qū)動器,適用于各種EIA-232C和V.28/V.24的通信接口。該器件內(nèi)置一個電源電壓轉(zhuǎn)換器,可將5 V電壓轉(zhuǎn)換成RS-232C輸出電平所需的±10 V電壓。所以,采用此器件的串行通信系統(tǒng)只需單一的+5 V電源。
串口通信的RS-232通信距離以不超過12 m為宜。接口采用9針串口DB9,串口傳輸數(shù)據(jù)只要有接收數(shù)據(jù)引腳和發(fā)送引腳就可實現(xiàn)。 2.2 模擬開關(guān)控制電路
該控制電路主要由MAX4534(一對四)完成。地址端A0和A1與單片機I/O端口相連,開關(guān)1、2、3、4分別與各測試設(shè)備的串口相連,MAX4534的內(nèi)部連接邏輯如圖3所示。
當上位機實現(xiàn)與單片機的握手后,若與RS-422口通信。則需先發(fā)送一個檢測信號TEST,該信號經(jīng)MAX232電平轉(zhuǎn)換后,送至單片機C8051F020,單片機接收到信號后,通過其I/O端口P6.0和P6.1的輸出狀態(tài)分別控制開關(guān)MAX4534的地址端A0和A1。若A0和A1均為0,則接通開關(guān)NO1,如表1所示,使檢測電路的MAX491接收端處于導(dǎo)通狀態(tài),從而形成通路。此時單片機回發(fā)一個通路信號給上位機,當上位機接收到通路信號后,MCU的串口TXD端就可自由發(fā)送數(shù)據(jù),從設(shè)備發(fā)來的回應(yīng)信號也可以被MCU正常接收,從而完成整個通信過程.
2.3 RS-232(TTL電平)接口電路設(shè)計
因為從單片機引腳出來的信號為TTL電平,所以TTL電平的RS-232接口無需進行電平轉(zhuǎn)換,可以直接通過模擬開關(guān)MAX4534與串口相連。
對于五線RS-232接口,由于C8051F020串口只有兩根線連接RXD和TXD,RTS和CTS通過其兩個I/O口實現(xiàn)。
2.4 RS-422接口的轉(zhuǎn)換電路設(shè)計
RS-232串行接口屬于個人計算機(PC)及電信應(yīng)用領(lǐng)域中最為成功的串行數(shù)據(jù)標準;而RS-422串行接口則是工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中最為成功的串行數(shù)據(jù)標準。上述這些數(shù)據(jù)標準并不直接相互兼容。RS-422標準全稱為"平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性",它定義了接口電路的特性,與RS-232不同,RS-422數(shù)據(jù)信號采用差分傳輸方式,也稱作平衡傳輸,它使用一對兒雙絞線,將其中一條線路定義為A,另一條線路定義為B。通常情況下,發(fā)送驅(qū)動器A、B之間的正電平為+2 V~+6 V,是一個邏輯狀態(tài);負電平為-2 V~-6 V。RS-422的最大傳輸距離為4000英尺(約1 219 m),最大傳輸速率為10 Mb/s,最多可接10個節(jié)點,具有單獨的發(fā)送和接收通道,故無需控制數(shù)據(jù)方向。
RS-232與RS-422之間的電平轉(zhuǎn)換由Maxim公司的差分平衡型收發(fā)器MAX491實現(xiàn),它適用于RS-422/RS-485通信標準,內(nèi)部包含1個發(fā)送驅(qū)動器和1個接收器。RE為接收器輸入允許端,接地;DE為驅(qū)動器輸出允許端,接+5 V電壓。單片機控制信號使MAX491接收端自動禁能,以免整個有線通信環(huán)路形成正反饋造成自激,而MAX491發(fā)送端則自由導(dǎo)通,控制信號正常傳輸。
3 軟件編程
軟件程序主要包括上位機可視化界面程序和單片機與PC串口通信程序。單片機采用C51語言編程,上位機的操作界面程序采用C++Builder進行可視化編程。
3.1 上位機可視化界面編程
以C++Builder為開發(fā)工具,利用串行通信控件MSComm進行編程,實現(xiàn)對單片機的控制。本通信系統(tǒng)中規(guī)定的字符格式為:每一幀的數(shù)據(jù)占10位,其中,1位起始位,8位數(shù)據(jù)位,1位停止位,無奇偶校驗位。中間的8位數(shù)據(jù)位即為有效的通信傳輸字節(jié)。為了增強通信的可靠性、減少通信的誤碼率,雙方的波特率設(shè)置為4 800 b/s,以較低速度進行通信。軟件握手協(xié)議規(guī)定如下:PC機發(fā)送握手信號0xFF給單片機,單片機接收到的上位機數(shù)據(jù)若為握手信號0xFF,則回送一個正確信號060606給PC機,表示握手成功,PC機即可發(fā)送數(shù)據(jù)包,單片機經(jīng)校驗正確后將該數(shù)據(jù)包直接存儲接收,并從中分解有效的數(shù)據(jù)信息;若單片機接收到的上位機數(shù)據(jù)不是握手信號,則回送一個錯誤信號151515,并繼續(xù)等待。人機界面如圖4所示。
進入控制界面后,首先根據(jù)上位機與單片機的通訊協(xié)議,選擇串口號、通訊波特率、奇偶校驗位、數(shù)據(jù)位以及停止位。當上位機在界面的接口選項中點擊要通信的串口時,就會觸發(fā)一個傳輸信號給單片機,單片機根據(jù)協(xié)議控制電子模擬開關(guān)接通相應(yīng)的串口電路,同時回發(fā)一個通路信號給上位機,從而使界面上的串口指示呈綠色狀態(tài),表明通信電路已接通,可以發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。上位機通信流程如圖5所示。
3.2 單片機與PC串口通信編程
在本設(shè)計中主要用到單片機的定時器、I/O端口、UART、優(yōu)先權(quán)交叉開關(guān)、中斷設(shè)置、時鐘信號、寄存器、D/A和A/D等。定義C8051F020的UART0與計算機連接,UART1與各串口相連。首先優(yōu)先權(quán)交叉開關(guān)譯碼器將交叉開關(guān)端口P0~P3的引腳分配給UART0、UART1、INT0和INT1。
設(shè)置XBARE=1,使能交叉開關(guān)。UART0有最高優(yōu)先權(quán),P0.0分配給TX0,P0.1分配給RX0。其次是UART1,P0.2被分配給TX1,P0.3分配給RX1。P0.4分配給INT0。由于外部存儲器接口選在低端口(EMIFLE=1),所以交叉開關(guān)跳過P0.6(RD)和P0.7(WR)。由于外部存儲器接口配置為復(fù)用方式,所以交叉開關(guān)也跳過P0.5(ALE)。下一個未跳過的引腳P1.0分配給INT1。將外部存儲器接口配置為復(fù)用方式并使用低端口,將P1.2、P1.3和P1.4配置為模擬輸入,以便用ADC1測量施加在這些引腳上的電壓。
當交叉開關(guān)配置寄存器XBR0、XBR1和XBR2中外設(shè)的對應(yīng)使能位被設(shè)置為邏輯'1'時,交叉開關(guān)將端口引腳分配給外設(shè)。將UART0的TX引腳(TX0,P0.0)、UART1的TX引腳(TX1,P0.2)、ALE、RD、WR(P0.[7:3])的輸出設(shè)置為推挽方式,通過設(shè)置P0MDOUT=0xE5實現(xiàn)。通過設(shè)置P2MDOUT=0xFF、P3MDOUT=0xFF和P6MDOUT=0xFF將EMIF端口(P2、P3,P6)的輸出方式配置為推挽方式。單片機通信主程序流程如圖6所示。
4 結(jié)束語
在對核心器件C8051F020編程和對硬件板調(diào)試時采用Cygnal IDE Cygnal集成開發(fā)環(huán)境軟件。Cygnal集成開發(fā)環(huán)境采用標準的Windows95/98/NT/2000作為界面,利用PC機的串行口和目標板的JTAG接口實現(xiàn)IDE與目標系統(tǒng)中的單片機通信(每套開發(fā)系統(tǒng)都有RS-232至JTAG協(xié)議轉(zhuǎn)換所需的串行適配器),與目標系統(tǒng)連接后可進行非插入式、全速在線調(diào)試和在系統(tǒng)內(nèi)編程。
此外,該串口適配器很容易擴展其他的接口,可用I/O口接數(shù)字接口,也可以通過單片機的A/D和D/A接模擬信號接口。若外圍接口過多,則可以合并為一個或幾個接口,只需在電路中加繼電器(繼電器由單片機的I/O控制)進行輸出切換即可。