PIC16系列单片机与PC机串行通信的软硬件实现

老夫子 2009-12-9 14:01 楼主

摘要: 介绍一种运用 PIC16F84单片机实现与PC机串行通信的方法，并给出其硬件接口电路及通信源程序。

1 前言

美国 Microchip 公司的 PIC16 系列单片机是一种新型的 CMOS 工艺的 8 位单片机。其中， PIC16FXX 单片机的程序存储器为电可擦除闪速存储器（ flash ），可多次修改程序，甚至可以在线编程。 PIC16F83 和 PIC16F84 片内数据存储器除 RAM 外，还有 64 字节的 EEPROM ，可以当作一般的或非易失性的数据存储器使用，简单方便。它还具有片内上电复位、延时电路、看门狗电路等。另外， PIC16 系列单片机功耗极低，因而是一种非常适合在各种便携式设备中使用的高性价比的单片机，并已经得到了越来越广泛的应用。

但是在许多需要大量计算的运用中，还必须借助微机的强大数据处理能力。这样必须通过通信电路实现 PIC 单片机与微机间的可靠数据传输。有的 PIC16 单片机内并没有提供串行口，所以串行通信必须通过自己设计的硬件电路和通信软件来实现。

下面介绍用查询法实现异步串行通讯的方法。同时给出了用 PIC16F84 单片机的两个 I/O 口模拟 2 线串行口的硬件接口电路、程序流程框图、单片机内通信程序以及微机内的通信程序等。

2 硬件实现方法与电路

PIC16F84 的程序存储器由 1K × 14 的闪速（ flash ）存储器构成，它只有 13 条 I/O 口， 1 个定时器，为了尽量节省单片机的软硬件资源，采用下述异步串行通信的实现方法。

如图 1 所示， PIC16F84 在 4MHz 时钟下，采用半双工方式，可实现 9600 波特率的异步串行数据通信， 1 位停止位， 8 位数据位，无校验位。接收和发送以低位在先（一般模式），采用软件延时。为节省篇幅，单片机内的通信程序中未提供任何握手协议，用户可根据自己的需要在软件中加入握手方式。

由于 PIC16F84 本身没有专门的串行口，这里用其 I/O 口来模拟串行口的功能。

PC 机的串行接口是符合 EIA RS-232C 规范的外部总线标准接口。 RS-232C 采用的是负逻辑，即逻辑“ 1 ”：－ 5V 至－ 15V ；逻辑“ 0 ”： +5V 至 +15V 。而 CMOS 电平为：逻辑“ 1 ”： 4.99V ，逻辑“ 0 ”： 0.01V ； TTL 电平的逻辑“ 1 ”和“ 0 ”则分别为 2.4V 和 0.4V 。因此在用 RS-232C 总线进行串行通信时需外接电路实现电平转换。在发送端用驱动器将 TTL 或 CMOS 电平转换为 RS-232C 电平，在接收端用接收器将 RS — 232C 电平再转换为 TTL 或 CMOS 电平。

这里选用了 MAXIM 公司的 MAX202E 来作电平转换。 MAX202E 属于 MAXIM 公司的通用串行接收 / 发送驱动器芯片。其外围电路简单，只需外接四个 0.1 μ F 的电容即可，如图 1 所示。

图 1 接口原理图

图 2 接收子程序框图图 3 发送子程序框图

3 PIC16F84 单片机内通信程序的设计

图 2 和图 3 分别是串行发送和接收的子程序流程框图。发送时，通过使数据发送端 DX 为低电平并保持 B 秒（ 9600 波特率时为 104 μ s ）来发送起始位。随后每 B 秒钟通过置位或清零 DX 端把数据发送出去。这里的 B 是指一位所持续的时间（ B=1/ 波特率）。接收时，数据接收端 DR 大约要每 B/2 秒（ 9600 波特率时为 52 μ s ）查询一次以检测起始位，如果检测到起始位，则在大约 1.5B 秒（ 9600 波特率时为 156 μ s ）后检测第一位数据位，随后每 B 秒钟检测一次其它的数据位。　相应的源程序如下：

；接收子程序
Rcvr
clrwdt ；清片内看门狗
；定时器
btfsc RA ， DR ；检测起始位
goto Rcvr ；未检测到起始位
movlw 8 ；检测到起始位
movwf R_CNT ； 8 位数据位
Rnext
call Delay ；延时 B/2 秒
bcf STATUS,C ；清进位标志
rrf RevReg ； LSB 在先
btfsc RA,DR ；该位为 0
；还是为 1
bsf RcvReg ， MSB ；为 1
call Delay ；延时 B/2 秒
decfsz R_CNT
goto Rnext
retlw0 ；返回
；发送子程序
Xmtr
clrwdt ；清片内看门狗
；定时器
movlw 8 ；发送位数为 8
movwf X_CNT
bcf RA ， DX ；发送起始位
Xnext
call Delay ；延时 B/2 秒
call Delay ；延时 B/2 秒
rrf XmtReg ； LSB 在先
btfsc STATUS,C ；检测将要发送
；的数据位
bsf RA,DX ；数据位为 1
btfss STATUS ， C
bcf RA ， DX ；数据位为 0
decfsz X_CNT ；位计数为 0 则
；发停止位
goto Xnext ；位计数不为 0
；则发下一位数据位
Xstop
call Delay ；延时 B/2 秒
call Delay ；延时 B/2 秒
Bsf RA,DX ；发送停止位
Retlw 0 ；返回
；延时子程序
Delay
movlw 12 ； 52 μ S 延时
movwf DCNT ；
Dnext
decfsz DCNT
goto Dnext ；
retlw 0 ；

4 Win95 的串行通信机制及串口查询法的原理

常用的 DOS 系统主要是工作在响应中断方式。 PC 机串行通信程序大多利用其 BIOS 块的 INT14H 中断，以查询串口的方式完成异步串行通信。

Windows 系统函数即包含了通信支持中断功能。 Win95 系统为每个通信设备开辟了用户定义的输入输出缓冲区（即读 / 写缓冲区），数据进出通信口均由系统后台来完成。应用程序只需完成对输入输出缓冲区操作就可以了。实际过程是每接收一个字符就产生一个低级硬件中断， Win95 系统中的串行驱动程序就取得了控制权，并将接收到的字符放入输入数据缓冲区。然后将控制权返还正在运行的应用程序。如果输入缓冲区数据已满，串行驱动程序用当前定义的流控制机制通知发送方停止发送数据。队列中的数据按“先进先出”的次序处理。

(1) 按协议的设置初始化并打开串口，这样做就是通知 Windows 本应用程序需要这个串口，并封锁其他应用程序使它们不能使用此串口。
(2) 配置这个串口。
(3) 在串口上往返地传输数据，并在传输过程中进行校验。
(4) 不需要此串口时，关闭串口。即释放串口以供其它应用程序使用。
　　在这四个步骤中，主要的程序代码集中在第（ 3 ）步。
　　串口查询法是一种主要工作在查询方式下的实现方法。当通信程序工作在“查询”方式时，可以不考虑 Win95 的进程和线程的问题。仅在串口有数据时，去读串口缓冲区就可以了，如图 4 所示。这种方法下确定串口读取的时机、握手协议及软件纠错的实现是程序员应考虑的主要问题。

图 4 读取接收缓冲区数据流程图

图 5 串口初始化流程

由于这种方法主要工作在查询方式。程序员必须完成相当一部分通信状态的检测工作，许多细节（甚至包括通信过程中的字符属性的转换）也必须通过程序代码完成。这种查询方法对通信双方协议的依赖性尤其大。双方通信协议的约定对程序实现的难易程度影响很大。

串口查询法中，一般串口初始化的流程如图 5 。

值得注意的一点是，此方法下协议的约定必须满足以下条件：即甲方发送时，乙方必须在甲方发送动作之前进入循环接收状态，直到接收到字符后通过对串口读取函数 ReadFile 返回值的判断跳出循环状态。

同时，一般为了不使系统因循环等待接收而进入“死循环”状态，可以人为设置读取串口的循环次数，一般 1000 ～ 10000 次即可。本程序的实现平台是 VB4 ，这是一种极为灵活的高级语言，它可以方便地引入汇编语言的思维，利用其 GoTo 转向语句方便地控制程序的流程，灵活方便。
5 PC 机内通信程序的实例
现约定甲方是 PC 机，乙方是单片机系统（如读卡器）。通信格式设置为 2400 波特率， 8 位数据位， 1 位停止位，无奇偶校验。下面是一个约定好通讯协议的程序实例，协议流程如图 6 所示。以下是甲方（ PC 机）的几个子函数的程序实例。

图 6 通信协议流程

[ 本帖最后由老夫子于 2009-12-9 14:19 编辑 ]

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沙发老夫子

Private Function OpenThePort （ cPort as String ， cBaud as String ， cParity
as String ， cData as String ， tStops asString ） As Boolean ' 打开串口的子过程
Dim lResult as Long
Dim lHandle as Long
Dim DCB_COMM as DCB
Dim cDCBConfig as String
lHandle = CreateFile （ cPort ， GENERIC_READ Or GENERIC_WRITE ，
0& ， 0& ， OPEN_EXISTING ， 0& ， 0& ）
If lHandle = -1 Then '打开串口失败
OpenThePort = False
MsgBox “串口可能正被其他应用程序占用！”
lResult = CloseHandle （ lHandle ） '先关闭串口后再打开
If lResult = 0 Then
OpenThePort
Exit Function
End If
End If
cDCBConfig.band = 2400 '设置 DCB
cDCBConfig.parity = None
cDCBConfig.data = 8
cDCBConfig.stop = 1
lResult = BuildCommDCB （ cDCBConfig ， DCB_COMM ） '按用户设定配置一个 DCB 结构
If lResult = 0 Then
OpenThePort = False
MsgBox “无法建立 DCB 设备控制块”
Exit Function
End If
lResult = SetCommState （ lHandle ， DCB_Comm ） '实际设置一个串口的 DCB
If lResult = 0 Then
OpenThePort = False
MsgBox “无法建立 DCB 设备控制块”
Exit Function
End If
OpenThePort = True
End Function
Private Sub SendHand ( ) '发送握手信号的子过程
Dim Nchars As Long
Static Readbuff As String * 1
Static Writebuff As String * 1
Dim lpDCB As DCB
Dim lRet As Long
Dim lHandle As Long
Dim lpOverlapped As OVERLAPPED
Dim RNum As Integer
MsgBox “请把读卡器插在串口 2 上！”，
48 ，“提示窗口”
lHandle = OpenThePort （ COMM1,2400,None,8,1 ）
lRet = PurgeComm( lHandle ， 1 ) '清输出缓冲区
lRet = PurgeComm( lHandle ， 0 ) '清输入缓冲区
lRet = GetCommState ( lHandle ， lpDCB ) '获得通讯口的状态
Shand ：
Writebuff ＄ = Chr ＄ (&H8F)
lRet = WriteFile (lHandle,Writebuff ＄ ,1,Nchars,lpOverlapped )
'送握手信号入串口缓冲区
If lRet <= 0 Then
MsgBox “发送操作出错，卡握手信号未发送成功”， 16
GoTo Shand '不成功则重发
Else
GoTo Qtest
End If
GoTo Shand
Qtest ：
Readbuff$ = “ ” '清除缓冲区为空
Do While lHandle '循环查询串口
RNum = 0 '设置读串口次数的指针为 0
ReadAgain ：
lRet = ReadFile( lHandle ， Readbuff ＄， 1 ， Nchars ， lpOverlapped )
If lRet < 0 Then
MsgBox “读取应答信号时出错”， 16
End If
If lRet = 0 Then
If RNum > 1000 Then '只读 1000 次串口，以免陷入死循环
MsgBox
" 卡没有插接好或卡没有接在串口上 !"
GoTo CloseP
End If
RNum = RNum + 1
GoTo ReadAgain
End If
If Hex ＄ (Asc(Readbuff)) <> Hex ＄ (&HFF) Then GoTo Shand
'回送码不正确则返回继续发送握手信号
Else
Label1.Caption = “握手信号是：”
＋ Hex ＄ (Asc(Readbuff ＄ ))
Msgbox “握手信号正确，已正确联机”
GoTo CloseP
End If
Loop
CloseP ： lRet = CloseHandle( lHandle )
If lRet = 0 Then
MsgBox “串行通讯口关闭成功”，
48 ，“提示窗口”
End If
End Sub

这里要注意的是：当 PC 机与单片机系统通信时，单片机数据存储区 ( RAM ) 内的数据是十六进制，在信号线上传输的是十六进制数的 ASCII 码的二进制形式；而 Windows 系统下使用的是 ANSI 码， ANSI 码仅在前 126 个与 ASCII 码相同。即在 Win95 下接收到的是十六进制数的 ASCII 码的字符串，可先转换为 ANSI 码后再在 Win95 下还原为十六进制数。
具体为： Code$=Hex ＄ (Asc ( Readbuff$ ) ) 另外，由于 32 位 API 函数参数的数据类型的变化，所有整形参数都被换为长整型（ Long ）以支持 32 位的处理，这一点在设置返回值时尤其如此。
6 结束语
以上的软硬件在我们的实践中达到了较为理想的效果。通过软件节省了硬件的开销，并通过在 PIC16F84 单片机系统和 PC 机双方的通信软件内增加握手信号，达到了软件数据校验的目的，获得了较高的通信可靠性。
参考文献
1 MICROCHIP CO. PIC16/17 MICROCO-NTROLLER DATA BOOK. 1995/1996 2 李东星等 . PIC16CXX 系列单片机应用设计 . 高奇电子科技公司， 1996.10 3 美 Darwin Boyle 等 . Visual Basic 4 Developer ' s Guide. 北京：机械工业出版社， 1997.

点赞 2009-12-9 14:06

板凳老夫子

串口通讯的概念及接口电路

随着计算机系统的应用和微机网络的发展，通信功能越来越显的重要。这里所说的通信是只计算机与外界的信息交换。因此，通信既包括计算机与外部设备之间，也包括计算机和计算机之间的信息交换。由于串行通信是在一根传输线上一位一位的传送信息，所用的传输线少，并且可以借助现成的电话网进行信息传送，因此，特别适合于远距离传输。对于那些与计算机相距不远的人－机交换设备和串行存储的外部设备如终端、打印机、逻辑分析仪、磁盘等，采用串行方式交换数据也很普遍。在实时控制和管理方面，采用多台微机处理机组成分级分布控制系统中，各CPU之间的通信一般都是串行方式。所以串行接口是微机应用系统常用的接口。　　

许多外设和计算机按串行方式进行通信，这里所说的串行方式，是指外设与接口电路之间的信息传送方式，实际上，CPU与接口之间仍按并行方式工作。

1　串行通信的概念

　　

所谓“串行通信”是指外设和计算机间使用一根数据信号线(另外需要地线,可能还需要控制线),数据在一根数据信号线上一位一位地进行传输，每一位数据都占据一个固定的时间长度。如图1-1所示。这种通信方式使用的数据线少，在远距离通信中可以节约通信成本，当然，其传输速度比并行传输慢。　　

由于CPU与接口之间按并行方式传输，接口与外设之间按串行方式传输，因此，在串行接口中，必须要有“接收移位寄存器”（串→并）和“发送移位寄存器”（并→串）。典型的串行接口的结构如1-2所示。

　　

在数据输入过程中，数据1位1位地从外设进入接口的“接收移位寄存器”，当“接收移位寄存器”中已接收完1个字符的各位后，数据就从“接收移位寄存器”进入“数据输入寄存器”。CPU从“数据输入寄存器”中读取接收到的字符。（并行读取，即D7~D0同时被读至累加器中）。“接收移位寄存器”的移位速度由“接收时钟”确定。　　

在数据输出过程中，CPU把要输出的字符（并行地）送入“数据输出寄存器”，“数据输出寄存器”的内容传输到“发送移位寄存器”，然后由“发送移位寄存器”移位，把数据1位1位地送到外设。“发送移位寄存器”的移位速度由“发送时钟”确定。　　接口中的“控制寄存器”用来容纳CPU送给此接口的各种控制信息，这些控制信息决定接口的工作方式。　　

“状态寄存器”的各位称为“状态位”，每一个状态位都可以用来指示数据传输过程中的状态或某种错误。例如，用状态寄存器的D5位为“1”表示“数据输出寄存器”空，用D0位表示“数据输入寄存器满”，用D2位表示“奇偶检验错”等。　　

能够完成上述“串<- ->并”转换功能的电路，通常称为“通用异步收发器”（UART：Universal Asynchronous Receiver and Transmitter）,典型的芯片有：Intel 8250/8251,16550。

点赞 2009-12-9 14:08