2018年03月01日 | Linux PC和51系列单片机串行通信设计中的应用

    单片机性能稳定、价格低廉、功能强大，在智能仪器、工业装备以及日用电子消费品中得到了越来越广泛的应用。在单片机的输入输出控制中，除直接接上小键盘和 LCD显示屏等方法外，一般都通过串口和上位机PC进行通信，而后一种方法由于能实现远程控制，并且能够利用PC机强大的数据处理功能以及友好的控制界面，显得尤为重要。在一般的利用PC机对单片机进行控制的场合，都是采用Windows作为上位机的平台，其优点是界面友好，编程和操作都比较容易，缺点是稳定性太差，这对于需要连续数天或数月运行的装置来说，尤其不合适。在要求比较苛刻的场合，一般都采用UNIX工作站作为主控平台，如合肥同步辐射加速器的主控平台采用的是SUN的Solaris工作站系统，然而UNIX工作站昂贵的价格又大大限制了其使用的范围。近年来，随着Linux的迅猛发展，使其逐渐从少数人的玩具变成了主流的操作系统。Linux是遵循GPL协议的免费源代码开放软件，任何人都可以自由的从Internet上取得其源程序，也可在GPL的协议下修改其源代码以适应特定的应用，其运行在普通的PC上，性能稳定，特别适于做工业控制，因此实现Linux和单片机的串行通信非常有意义，他可以是昂贵的UNIX工作站的一种可选的替代方法。

    1　硬件原理

    目前国内使用较多的为MCS-51系列的单片机，因此选用的单片机实验对象为一片AT89C51，图1是硬件原理图，由于要实现符合RS232C的串行通信，还应该用一片ICL232CPE(MAX232)作为串行通信的电平转换电路。在实验过程中，为了查看通信是否成功，除了让单片机对上位机回送数据外，还在单片机外围扩展了几片锁存器，几个LED发光二极管和几个小键盘。串行通信是采用最简单的TxD，RxD，GND三线制连接，注意TxD和RxD 两边应该交叉连线。

    上位机是一台普通的PC机，共有2个串行口COM1，COM2，其运行RedHat8．0，实际上，如果不要求运行Gnome或KDE等图形界面，Linux对系统硬件的要求相当低。

    实验证明，此电路简单可靠，非常适用于测试串行通信。

    2　串行通信程序设计

    串行通信程序包括下位机单片机和上位机PC机的程序。单片机接收上位机传来的数据，放到片内RAM里面，再将RAM内数据同时发送到外部扩展锁存器和上位机，由此可以判断通信是否成功。此程序由汇编语言写成，初始化时波特率设置为4 800 b/s，通信方式为8－N－1。

    上位机程序的编写是关键部分，因为要对串口硬件设备进行操作，有2种方法，一是利用Linux内核自带的串口驱动程序，另外一种方法就是直接读写串口硬件端口，下面分别介绍。

    2．1　利用串口驱动程序的编程方法

    利用Linux自身的串口驱动程序进行编程，实际上就是调用驱动程序的一系列函数，完成串口通信参数的设置，数据的发送和接收。在这种方法中，Linux给每个串口都分配一个文件索引号，有相应的文件名称，实际上是将硬件设备看成一种特殊的文件，如COM1，COM2对应的文件分别为/dev/ttyS0，/dev/ttyS1，操作这2个串口实际上就是操作这2个文件，而对硬件设备文件的操作与对普通文件的操作并没有什么不同，都可以使用相同的文件I/O调用函数(open，write，read，close)，不同之处在于用系统调用 open()打开串口得到相应设备的文件描述符以后，先要对其进行初始化，设置一些特定的参数，如波特率、数据位、输入输出方式等，这些参数存放在 structtermios中，函数tcsetattr()可以设置串口的structtermios，tcgetattr()可以得到串口的 struct termios。设置完通信参数后就可用read和write对串口文件进行读写了。运行程序时要注意用户是否有对要操作的串口文件进行读写的权力，可以用chmod命令进行文件权限修改。   

    初始化函数如下：

    初始化以后就开始发送和接收数据，先将一个字符串发送给单片机，单片机接收到数据后，将数据返回给上位机。但需要注意的是，由于上位机速度比单片机快得多，一次不能发送过多的数据，否则极有可能使发送缓冲区溢出而丢失数据，发送过后，还需等待一段时间，使单片机将数据完全发送到上位机后，再进行读取。

    2．2　直接读写串口硬件端口的方法

    在使用这个方法的时候，必须对串口通信的硬件原理有一些了解。PC机的串口是由通用异步收发器8250UART(或16550)为核心构成的，寄存器基地址分别是0x3f8(COM1)和0x2f8(COM2)，还有其他的一些用于控制的寄存器。有很多寄存器是与Modem相关的，而在使用三线制进行通信时用不到，只用关心与通信相关的寄存器，比起使用为通用功能编写的串口设备驱动程序来，直接读写相关寄存器效率更高。

    初始化后，就可以进行数据的收发了，接受数据之前必须保证接收数据就绪，这可以通过0x2fd的D0来判断，发送数据之前必须保证发送寄存器为空，这可以通过0x2fd的D5来判断，代码如下：

    3　结语

    实验表明，此系统采用的2种方法都完全实现了LinuxPC机与单片机之间点对点的通信，方法简单可靠，基本上在需要用到PC机与单片机串行通信的场合均可采用此种方法。随着近年来Linux在国内应用范围的日益壮大，在工业控制、数据采集等领域也必将越来越多的采用Linux，本文可以算作是一个有益的尝试。当然在实际应用中还需要考虑一些问题，比如进行出错处理的问题，可以在一个要发送的字符串后再发送一个校验和，当收到返回的校验和与发送的校验和不一致时再进行重发，再比如所采用的RS232C传输距离很短，并且抗干扰能力很差，这时需要将总线转换成差分传输的RS485/RS422。另外，稍加改进，就可实现PC机与多片51单片机的串行通信，这时由于共用一条总线，必须给每个单片机分配一个地址，然后由PC机对总线进行仲裁，只有获得总线使用权的单片机才能与上位机进行通信，这里不再赘述。

    总之，本文只是为Linux PC和单片机串行通信提供了一个典型的范例，要应用到实际的项目中去，还需要根据实际的情况具体考虑，灵活应用，最终才能形成一个可靠的基于Linux平台的系统。

    参考文献
　　［1］　PhICornes．Linux从入门到精通［M］．童寿彬译．北京：电子工业出版社，1998．
　　［2］Peter Baumann H . Linux Serial - programming - HOWTO中文版［M］．曾元佑译．
　　［3］万福君，潘松峰．单片微机原理系统设计与应用［M］．合肥：中国科学技术大学出版社，2001．
　　［4］［美］安格斯生．串行端口大全［M］．精英科技译．北京：中国电力出版社，2001．