2019年10月19日 | PIC16系列单片机与PC机 串行通信的软硬件实现

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单片机的程序存储器由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0.1μF的电容即可，如图1所示。

图1 接口原理图

3 PIC16F84单片机内通信程序的设计

图2 接收子程序框图   图3发送子程序框图

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104μs）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52μs）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156μs）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 ；52μS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

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.