PC機(jī)與單片機(jī)串行通信的硬件設(shè)計(jì)

目前，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)已逐步從單機(jī)控制發(fā)展成為多機(jī)控制并出現(xiàn)了以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，與數(shù)據(jù)通訊技術(shù)相結(jié)合的集檢測、控制和管理為一體的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，即集中分布式測控系統(tǒng)。其中單片機(jī)作為從機(jī)，負(fù)責(zé)現(xiàn)場控制和實(shí)時數(shù)據(jù)的采集;PC機(jī)作為主機(jī)，負(fù)責(zé)對各從機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，并向各從機(jī)發(fā)布命令，以實(shí)現(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場的集中監(jiān)控與管理。由于主從機(jī)需不斷進(jìn)行信息交流，因此通信成為分布式測控系統(tǒng)重要而基本的功能。

本文以MCS-96系列單片機(jī)中的8098為例，論述了幾種實(shí)現(xiàn)PC機(jī)和單片機(jī)串行通信的硬件接口設(shè)計(jì)，其中包括RS232標(biāo)準(zhǔn)接口、RS 422標(biāo)準(zhǔn)接口、20mA電流環(huán)路串行接口以及利用調(diào)制解調(diào)器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信。

1 基本原理

PC機(jī)與單片機(jī)之間通常采用2種通信方式：并行通信和串行通信。并行通信是指將待發(fā)送數(shù)據(jù)的各位同時傳送，串行通信則將數(shù)據(jù)一位一位地按順序傳送。并行通信雖然傳輸效率高，由于所需硬件設(shè)備復(fù)雜，不適于長距離通信，所以一般只適用于要求實(shí)時性強(qiáng)，傳送速率較高的控制系統(tǒng)中，實(shí)用面較窄;相比之下，串行通信簡單易實(shí)現(xiàn)，傳輸距離較長，所以已被廣泛應(yīng)用于各種工控系統(tǒng)中。

串行通信分為同步通信和異步通信2種方式。同步通信是指通過在每個數(shù)據(jù)塊開始時的同步字符來實(shí)現(xiàn)收/發(fā)雙方同步的一種數(shù)據(jù)傳輸方法，常用于信息量大，速度要求高的場合;異步通信則規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)的字符數(shù)據(jù)傳輸格式，即每一幀信息由起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位和停止位組成。由于有冗余位，所以傳送效率不高，常用于信息量不大，速度較低的場合。在計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)中，由于串行接口的標(biāo)準(zhǔn)化，一般采用異步串行通信方式，以提高其通用性。由于各種接口的機(jī)械和電器特性有所差異，串行通信分為近程通信和遠(yuǎn)程通信。

2 接口電路的設(shè)計(jì)

2.1 近程通信

目前，PC機(jī)是利用異步通訊控制器來實(shí)現(xiàn)串行通訊的，其核心是8250通訊芯片加上一些收發(fā)邏輯電路。接口標(biāo)準(zhǔn)大多是RS232標(biāo)準(zhǔn)，其通訊距離小于15m，傳輸速率小于20kb/s。RS232標(biāo)準(zhǔn)是按負(fù)邏輯定義的，他的"1"電平在一5～一15V之間，"0"電平在+5～+15V之間。由于PC機(jī)使用的是TTL電平信號，因此數(shù)據(jù)輸出時必須把TTL電平信號轉(zhuǎn)換成RS232標(biāo)準(zhǔn)電子;數(shù)據(jù)接收時把RS232標(biāo)準(zhǔn)信號轉(zhuǎn)換成TTL電平信號。實(shí)現(xiàn)這種功能的常用芯片是傳送線驅(qū)動器MCl488和接收器MCl489，其作用除了電平轉(zhuǎn)換外，還實(shí)現(xiàn)正負(fù)邏輯電平轉(zhuǎn)換。如圖1和圖2所示。

PC機(jī)的串行口適用25針D型插座，其中RTS(請求發(fā)送，輸出)和CTS(清除發(fā)送，輸入)，DSR(數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，輸入)和DTR(數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好，輸出)，分別連在一起，這是因?yàn)镻C機(jī)的BIOS中的INT14H(串行通訊程序)在接收和發(fā)送數(shù)據(jù)時均要判斷CTS和DSR是否有效。8098與RS232標(biāo)準(zhǔn)接口電路圖如圖3所示。

2.2 遠(yuǎn)程通信

(1)RS422標(biāo)準(zhǔn)接口

雖然RS232應(yīng)用很廣，但由于數(shù)據(jù)傳輸速率慢，通訊距離短，特別是在100m以上的遠(yuǎn)程通訊中難以讓人滿意，因此通常采用RS422，RS449，RS423及RS485等接口標(biāo)準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊。這里以RS422為例。

RS422接口標(biāo)準(zhǔn)通過提供平衡電路來改進(jìn)接口電氣特性，通過傳輸線驅(qū)動器將邏輯電平變?yōu)殡娢徊睿瑢?shí)現(xiàn)信息傳送。通過傳輸線接收器將電位差變?yōu)檫壿嬰娖剑瑢?shí)現(xiàn)信息接收。因而可以支持較高的傳輸速率和較長的傳輸距離，在最大傳輸率10Mb/s的情況下，電纜允許長度為120m;如果采用低傳輸率，如90kb/s時，最大距離可達(dá)1 200m。

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RS422每個通道用兩條信號線，一條為邏輯"1"，一條為邏輯"0"。RS422A電路由發(fā)送器，接收器，平衡連接電纜，電纜終端負(fù)載，接收器等部分組成，通常采用點(diǎn)對點(diǎn)通信方式。

該標(biāo)準(zhǔn)允許驅(qū)動器輸出為目前RS422A與TTL的電平轉(zhuǎn)換常用芯片是驅(qū)動器SN75174和接收器SN75175。該標(biāo)準(zhǔn)允許驅(qū)動器輸出為土2～土6V，接收器可以檢測到的輸入信息電平可低到200mA。采用光隔離的RS422標(biāo)準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)8098與PC機(jī)的遠(yuǎn)程通信的通訊接口電路如圖4所示。

(2)20mA電流環(huán)路串行接口

20mA電流環(huán)是目前遠(yuǎn)程通訊廣泛使用的另一種接口。其原理如圖5所示，發(fā)送正和負(fù)，接受正或負(fù)4根線組成一個輸入回路和一個輸出回路。由于20mA電流環(huán)是一種異步串行接口標(biāo)準(zhǔn)，所以每次發(fā)送數(shù)據(jù)時必須以無電流的起始作為字符的起始位，接收端檢測到起始位便開始接收數(shù)據(jù)。

電流環(huán)路串行接口的優(yōu)點(diǎn)是低阻抗傳輸線對電氣噪聲不敏感，以實(shí)現(xiàn)光電隔離，有利于長距離傳輸。圖6為一個帶光電隔離的20mA電流環(huán)接口線路圖。發(fā)送端將TTL電子轉(zhuǎn)為環(huán)路電流信號，在接收端又轉(zhuǎn)換成TTL電子。

(3)Modem實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信

盡管RS232總線標(biāo)準(zhǔn)無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)字通訊，但由于電話網(wǎng)絡(luò)的普及，利用Modem和現(xiàn)有電話線實(shí)現(xiàn)PC機(jī)和單片機(jī)的遠(yuǎn)程雙向通訊也是工業(yè)控制系統(tǒng)中廣泛采用的一種方法。基本原理框圖如圖7所示。

通常外置式Modem具有RS232接口，通過DB-9插頭可與計(jì)算機(jī)RS232口相連接。如果單片機(jī)串行口直接與Modem接口，由于沒有握手信號，只能保證單個字節(jié)傳輸?shù)恼_，對大量數(shù)據(jù)的傳輸將導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，這點(diǎn)可通過軟件處理來避免;如果采用單片機(jī)的I/O口與Modem握手，將占用單片機(jī)I/O口資源。因此一般采用前一種方法實(shí)現(xiàn)對Modem接口。

本文僅以Modem芯片MSM7512B為例，闡述一下接口電路的設(shè)計(jì)。由于PC機(jī)與Modem芯片的接口已非常普及，現(xiàn)僅將8098和MSM7512B的接口電路畫出。如圖8所示。

MSM7512B主要由調(diào)制器、解調(diào)器、接口控制邏輯組成。AI是解調(diào)器的輸入端;AO是調(diào)制器輸出端。通過控制MODl，MOD2可使MSM7512B工作在4種不同的工作方式。在工作時，計(jì)算機(jī)首先檢測CD端。若為高電子，表明Modem處于等待與上位機(jī)通信狀態(tài);若其為低電平，則標(biāo)明Modem已和上位機(jī)建立數(shù)據(jù)通道。而要想使Modem發(fā)送數(shù)據(jù)，應(yīng)置RS腳為低電平。單片機(jī)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)就是對串行通信口寫和讀，可采用中斷或查詢方式工作。

3 結(jié) 語

上述幾例是工業(yè)控制系統(tǒng)中比較實(shí)用的串行通信接口電路設(shè)計(jì)，在具體的控制系統(tǒng)中可根據(jù)要求編制相應(yīng)的軟件程序來實(shí)現(xiàn)近程或遠(yuǎn)程的PC機(jī)與單片機(jī)串行通信。