PC并行端口作为数字I/O口的应用

2011-11-24

　　本文介绍PC并行端口在单片机等控制系统中作为数字I/O口的应用。在控制系统中，有许多的数字开关量、数字控制信号、数字信号等，都可以通过计算机并行端口进行采集;并将采集的数字信号经计算机处理后形成数字控制信号，再从计算机的并行端口输出进行各种自动控制。

　　一、PC并行端口介绍

　　目前，计算机中的并行接口主要作为打印机端口，接口使用的不再是36针接头而是25针D形接头。所谓“并行”，是指8位数据同时通过并行线进行传送，这样数据传送速度大大提高。

　　现在常见的并口有五种：SPP型、PS/2型、EPP型、ECP型和多模式接口，大多数PC机配有SPP并口：

　　SPP标准并行口有4位、8位、半8位:4位口一次只能输入4位数据，但可以输出8位数据;8位口可以一次输入和输出8位数据;半8位也可以。

　　PS/2简单双向并行口：它引入双向数据端口，这种双向数据端口容许外设每次向PC机发送8位信息。PS/2型并口是指所有具有双向数据端口，但不支持后面介绍的EPP或ECP模式的并行接口。

　　EPP增强并行口:允许8位双向数据传送，它可以在大约1ms的时间内完成包括握手联络在内的一个字节的数据传送;而SPP或SP/2接口则需要大约4ms才能完成同样的工作。因此可以连接各种非打印机设备，如扫描仪、LAN适配器、磁盘驱动器和CDROM 驱动器等。

　　ECP口扩展并行口:是双向数据端口，并能以ISA总线速度传送数据。ECP有缓冲区，支持命令周期、数据周期和多个逻辑设备寻址，在多任务环境下可以使用DMA(直接存储器访问)。

　　多模式接口：许多新型接口支持多种模式，可以工作在以上提到的部分或全部模式下，用户可以使用配置选择，使用上述各种接口形式，或只使用其中一些而禁止其它。

　　二、PC标准配备并行口介绍

　　本文主要介绍计算机的标准配备并行端口即25针的母接头端口的应用，在此基础上可以运用相同的原理使用其它模式的并行端口。并行端口共有25支脚，但不是每支脚均被使用到。这些脚被区分为3种主要的功能，分别是用于数据的传送、检查打印机的状态及控制打印机，其接口如下所示：

　　在PC机中，标准并行口使用3个8位的端口寄存器，PC就是通过对这些寄存器，也就是所说的数据、状态、控制寄存器的读写访问并口的信号的。本文中使用一些通用的叫法，8个数据位分别为D0～D7，5个状态位为S3～S7，4个控制为C0～C3。其中字母表示了端口寄存器，数字则表示该信号在寄存器中的位。

　　数据寄存器

　　数据端口或称数据寄存器(D0～D7)保存了写入数据输出端口的一字节信息。数据端口可以写入数据，也可以读出数据(即可擦写);写进去的当然是我们希望从数据端口引脚输出的数据，不过读进来的也只是我们上次写进去的数据，或是原来保留在里面的数据，并不是从端口引脚输入PC的数据。数据端口引脚是PIN2～PIN9，其定义如下：

　　数据寄存器(即数据输出端口) 可擦写、基地址

　　bit引脚：D-sub信号名信号源是否在连接器处倒相

　　0Pin2D0PC否

　　1Pin3D1PC否

　　2Pin4D2PC否

　　3Pin5D3PC否

　　4Pin6D4PC否

　　5Pin7D5PC否

　　6Pin8D6PC否

　　7Pin9D7PC否

　　如果我们把这8支脚当成一般的数字输出的脚位看待，上述8支脚就相当于是8个数字输出的位置一般，我们就可以把它们当成是8个可以自由控制的输出点。当我们通过数据端口传送数据时，就是改变这8支脚的电平状态;而接受方也按照相同的编码原则解释，就可以获得传送的数据。

　　状态寄存器

　　状态端口或称状态寄存器保存的是5个输入(S3～S7)的逻辑状态。S0～S2位不出现在并口连接器中。除了S0以外，状态寄存器是只读的，读出数据信息是状态端口引脚上的逻辑状态。S0是支持EPP传输并口的超时标志信息，可以用软件方法清零。在许多并口中，状态输入接有上拉电阻。状态端口引脚是Pin10～Pin13、Pin15，其定义如下：

　　状态寄存器(即状态输入端口) 基地址+1

　　bit引脚：D-sub信号名信号源是否在连接器处倒相

　　0　Time-Out

　　1　未使用

　　2　未使用

　　3Pin15nError(nFault)外设否

　　4Pin13Select外设否

　　5Pin12PaperEnd外设否

　　6Pin10nAck外设否

　　7Pin11Busy外设是

　　上表中所谓的(基地址+1)指的是：如果我们的LPT地址是378H，在加上1就是379H;这个地址是专门用来传递打印机的状态的。和数据地址比较起来不一样的是，这里地址并非在连接器的脚位上均有对应点。在这个状态的显示上只有5个脚位有对应，位S0～S2是没有的--最起码是无法让计算机有对应的值可读取。

　　如果打印机接到并口上，那么打印机的状态将会通过这几支脚传送到PC，程序只要去基地址+1的位置读取数值即可知道现在打印机所处的状态。由于这几支脚可以让打印机传送状态给PC，那么我们可以把这几支脚位拿来当作数字输入的通道;我们可以让这几支脚位的状态发生电位的改变，而利用程序去读取这些脚位的数值，即可实现数据的输入。

　　控制寄存器

　　控制端口或称控制寄存器保存了C0～C3的4位的控制信息。C4～C7不出现在并口连接器中。一般来说，这些位被用来输出，然而大多数SPP中，控制位为集电极开路/漏极开路模式，也就是说，它们同样可以用作输入。要从控制位上读取外部逻辑信号，首先将向相应的输出写入“1”，然后读取控制寄存器的值即可。但是，为了提高交换速度，大多数支持EPP和ECP接口中，控制位工作在不能用作输入的推拉模式下。在一些多模式接口中，控制位采用的是改进型的推拉模式，可以用作输入。控制端口引脚是Pin1、Pin14、Pin16和Pin17，其定义如下：

　　控制寄存器(即控制输出端口) 基地址+2

　　bit引脚：D-sub信号名信号源是否在连接器处倒相

　　0Pin1nStrobePC是

　　1Pin14nAutoLFPC是

　　2Pin16nInitPC否

　　3Pin17nSelectInPC是

　　4　IRQ

　　5　未使用

　　6　未使用

　　7　未使用

　　上表中所谓的(基地址+2)指的是：如果我们的LPT地址是378H，在加上1就是37AH;这个地址是专门用来控制打印机动作的。

　　如同数据的送出，我们的程序只要将我们的信息送往(基地址+2)的地址去，就可以实现数据输出，接受端在相应引脚就可以接受到相应的逻辑电位状态。当控制端口的信号源为高电平时，这些引脚可以作为输入引脚，如同状态端口引脚一样。

　　在上述定义表格中，所谓“是否在连接器处倒相”是指并口硬件将连接器与相应寄存器位之间的4个信号进行了倒相处理。具体说来，S7、C0、C1、C3信号的逻辑状态在连接器处是与相应寄存器位反相的。当你对这些位进行写操作时，必须牢记写入的值应该与你想在连接器处设置的值相反;当要对这些位进行读操作时，也必须记住所读取的值与连接器处的值相反。

　　计算机的标准配备并行端口除以上介绍的数据端口引脚Pin2～Pin9、状态端口引脚Pin15、Pin10～Pin13、控制端口引脚Pin1、Pin14、pin16、Pin17外，连接器上的其它引脚Pin18～Pin25是归地引脚GND。

三、PC并行口数字输入/输出

　　所谓的数字输出就是在程序要求某一个设备的某一开关点开或关，产生高电位或低电位。从计算机的观点来说，低电位就是0.7V以下(逻辑0)，而高电位是2.1V以上(逻辑1)，若电位处在0.7～2.1V时，电位的逻辑状态是不确定的。想要通过计算机去控制外部设备，最简单的方法就是控制数字输出。

　　所谓的数字输入，也就是外界的状况被计算机用0或1的数值予以记录下来而储存，此0与1就代表了外界某一个设备的某一开关点开或关的两种情形。

　　PC并行口即可以作数字输出口，也可以作数字输入口。其中的数据端口、控制端口都可以作为数字输出端口，数据端口共8位，控制端口共4位，两个端口可以组成1～12位的任意数字输出端口;其中的状态端口、控制端口都可以作为数字输入端口，状态端口共5位，控制端口共4位，两个端口可以组成1～9位的任意数字输入端口。本文给出了并行端口3种寄存器的读写方法，如下图所示：

　　四、PC并行口数字输入/输出的VC实现

　　由于Windows对系统底层操作采取了屏蔽的策略，因而对用户而言，系统变得更为安全，但这却给众多的硬件或者系统软件开发人员带来了不小的困难，因为只要应用中涉及到底层的操作，开发人员就不得不深入到Windows的内核去编写属于系统级的设备驱动程序。对并行口的读写操作就是如此，由于Windows对系统的保护，绝对不允许任何的直接I/O动作发生，所以必须带上*.dll、*.sys或*.vxd文件，这些文件用来让操作系统知道有一个特定的I/O可能会被调用。系统开机后，这些文件中的内容就会加载到内存中，一旦有对应的动作发生，就会引发I/O的实际动作。

　　本文只是介绍并行口作为数字I/O口的使用，不在于介绍并行I/O口驱动的编写。故本文中直接使用由 Yariv Kaplan 编写的 WinIo 库，它有如下特点：WinIo 库通过使用内核模式下设备驱动程序和其它一些底层编程技巧绕过 Windows 安全保护机制，允许32位 Windows 程序直接对 I/O 口进行操作。

　　支持Windows 9x、Windows NT、Windows2000、WindowsXP环境;在Windows NT/2000/XP下，允许非 Administrator 用户应用 WinIo 应用程序;不支持中断。

　　注意事项：使用这个类代码时请确保不要与其它使用常规 Win32 调用操作并行端口的程序发生冲突。

　　WinIo库在VC应用程序中的使用(WinIo库下载)

　　为了在VC中能正常使用WinIo库,必须按以下步骤进行配置：

　　(1)：将WinIo.dll、WinIo.sys、WINIO.VXD三个文件放在程序可执行文件所在目录下;

　　(2)：将WinIo.lib添加到工程中,WinIo.lib及winio.h文件必须放在工程目录下;

　　(3)：在StdAfx.h头文件中加入#include "winio.h"语句;

　　(4)：调用InitializeWinIo函数初始化WinIo驱动库;

　　(5)：调用读写IO口的GetPortVal或SetPortVal函数;

　　(6)：调用ShutdownWinIo函数;

　　在非管理员权限下运行，必须首先完成以下步骤：

　　(1)：将WinIo.dll、WinIo.sys、WINIO.VXD三个文件放在任一WinIo应用程序可执行文件所在目录下;

　　(2)：以管理员或其它具有管理员权限的用户身份登陆;

　　(3)：调用InstallWinIoDriver函数，第一个参数设置为WinIo.sys文件所在目录路径，第二个参数设置为false;

　　(4)：重新启动系统;

　　(5)：以普通用户身份登录，现在可以调用WinIo库函数;

　　(6)：当不再需要WinIo库时，可以再次以管理员身份或其它具有管理员权限的用户身份登陆系统，调用RemoveWinIoDriver卸载该库;

　　WinIo库中几个函数说明：

　　(1):初始化与终止

　　bool _stdcall InitializeWinIo();

　　void _stdcall ShutdownWinIo();

　　(2):安装与卸载

　　bool _stdcall InstallWinIoDriver(PSTR pszWinIoDriverPath, bool IsDemandLoaded = false);

　　bool _stdcall RemoveWinIoDriver();

　　(3):读写I/O口

　　bool _stdcall GetPortVal(WORD wPortAddr, PDWORD pdwPortVal, BYTE bSize);

　　bool _stdcall SetPortVal(WORD wPortAddr, DWORD dwPortVal, BYTE bSize);

　　GetPortVal函数从指定端口读取一个BYTE/WORD/DWORD类型的值;

　　wPortAddr是指定一个端口地址值;

　　pdwPortVal为指向一双字节型变量的指针，该变量存储从wPortAddr端口读取的值;

　　bSize指定读取字节数，值可以为1，2或4。

　　SetPortVal函数向指定端口写入一个BYTE/WORD/DWORD类型的值;

　　除dwPortVal为输入参数，表示待写入外，其余个变量含义与GetPortVal相似。

　　PC并行口数字输出的VC实现(示例工程下载)

　　为了测试并行口的数字输出，可以准备12支LED发光二极管，将LED的阳极分别与数据端口引脚Pin2～Pin9和控制端口引脚Pin1、Pin14、Pin16、Pin17相连接;将LED的阴极连接在一起与并行口的归地引脚GND相连即可。在实际控制应用中不能这样连接，因为数据端口引脚、控制端口引脚输出的电流非常小，只有10mA左右，必须添加其它硬件电路。

　　(1)：数据端口数字输出的VC实现

　　//获得数据端口地址

　　WORD m_nport=(WORD)0x378;

　　//获得要写入数据端口的值WriteValue(数据范围为0～255)

　　DWORD m_nValue=(DWORD)WriteValue;

　　//调用WinIo库函数SetPortVal写端口值

　　SetPortVal(m_nport, m_nValue, 1);//write a BYTE value to an I/O port

　　(2)：控制端口数字输出的VC实现

　　//获得控制端口地址

　　WORD m_nport=(WORD)0x37A;

　　//获得控制端口的值,保持高位值不变，将要输出的值从低4位输出，且使连接器上的电位状态与想输出的值一致

　　DWORD temp_dwPortVal;

　　unsigned int temp_aa;

　　GetPortVal(m_nport, &temp_dwPortVal, 1); //reads a BYTE value from an I/O port

　　temp_aa=(unsigned int)temp_dwPortVal;

　　temp_aa=temp_aa&0x0F0; //取低8位值,将低4位置为0;高4位不变;

　　temp_aa=temp_aa^0x0B; //将低4位中C0、C1、C3置为1，C2置为0;高4位不变;

　　//获得要写入控制端口的值WriteValue(数据范围为0～15)

　　unsigned int WriValue;

　　WriValue=WriteValue&0x0F; //取低4位;

　　temp_aa=temp_aa^WriValue; //将写入值的低4位中的C0、C1、C3取反，C2位不变，高4位保持端口值不变

　　SetPortVal(m_nport, (DWORD)temp_aa, 1); //写出的值中，高4位保持端口原来的值不变，

　　//低4位是写入什么电平，连接器上既是什么电平

　　(3)：数据端口及控制端口组合成12位数字输出的VC实现

　　//获得端口地址

　　WORD m_nportData=(WORD)0x378;

　　WORD m_nportControl=(WORD)0x37A;

　　//获得要写入端口的值WriteValue(数据范围为0～4095)

　　DWORD m_nValue=(DWORD)(WriteValue&0x0FF);//取低8位值

　　SetPortVal(m_nportData, m_nValue, 1);//write a BYTE value to Data port

　　DWORD temp_dwPortVal;

　　unsigned int temp_aa;

　　GetPortVal(m_nportControl, &temp_dwPortVal, 1); //reads a BYTE value from an I/O port

　　temp_aa=(unsigned int)temp_dwPortVal;

　　temp_aa=temp_aa&0x0F0; //取低8位值,将低4位置为0;高4位不变;

　　temp_aa=temp_aa^0x0B; //将低4位中C0、C1、C3置为1，C2置为0;高4位不变;

　　unsigned int WriValue;

　　WriValue=WriValue>>8;//取高4位值

　　temp_aa=temp_aa^WriValue; //将写入值的低4位中的C0、C1、C3取反，C2位不变，高4位保持端口值不变

　　SetPortVal(m_nportControl, (DWORD)temp_aa, 1); //写出的值中，高4位保持端口原来的值不变，

　　//低4位是写入什么电平，连接器上既是什么电平

PC并行口数字输入的VC实现

　　(1)：状态端口数字输入的VC实现

　　为了测试并行口状态端口的数字输入，可以将数据端口引脚Pin2～Pin6连接到状态端口引脚Pin15、Pin13、Pin12、Pin10、Pin11上。引脚接好后，先从数据端口输出数据，在从状态端口和控制端口读出数据，读出的数据应与写入的数据一致，数据范围为0～31。

　　DWORD dwPortVal;

　　unsigned int ValueGet=0;

　　//获得端口地址

　　WORD m_nport=(WORD)0x379;

　　//获得端口数据

　　GetPortVal(m_nport, &dwPortVal, 1);

　　ValueGet=(unsigned int)dwPortVal;

　　ValueGet=ValueGet^0x80; //保持得到的State值与连接器处的值一直;

　　ValueGet=ValueGet&0xF8; //去掉S0 ～S2位;

　　ValueGet=ValueGet>>3; //右移3位，将S7～S3变为低5位

　　(2)：控制端口数字输入的VC实现

　　为了测试并行口控制端口的数字输入，可以将数据端口引脚Pin2～Pin5连接到控制端口引脚Pin1、Pin14、Pin16、Pin17上。引脚接好后，先从数据端口输出数据，在从状态端口和控制端口读出数据，读出的数据应与写入的数据一致，数据范围为0～15。

　　//获得端口地址

　　WORD m_nport=(WORD)0x37A;

　　//===== 将C0～C3位置1，即使连接器上为高电平，使控制端口为输入端口=====

　　DWORD temp_dwPortVal;

　　unsigned int temp_aa;

　　GetPortVal(m_nport, &temp_dwPortVal, 1); //获取端口的当前值

　　temp_aa=(unsigned int)temp_dwPortVal;

　　temp_aa=temp_aa&0x0F0; //取低8位值,将低4位置为0;高4位不变;

　　temp_aa=temp_aa^0x4; //将低4位中C0、C1、C3置为0，C2置为1;高4位不变;

　　SetPortVal(m_nport, (DWORD)temp_aa, 1); //写出的值中，高4位保持端口原来的值不变，

　　//低4位是写高电平，即使连接器上是高电平

　　//=============================================================

　　unsigned int ValueGet=0;

　　DWORD dwPortVal;

　　//获得端口数据

　　GetPortVal(m_nport, &dwPortVal, 1);

　　ValueGet=(unsigned int)dwPortVal;

　　ValueGet=ValueGet^0x0B; //保持C0,C1,C3位的值与连接器处的值一至;

　　ValueGet=ValueGet&0x0F; //去掉高4位值

　　(3)：控制端口及状态端口组合成9位数字输入的VC实现

　　为了测试并行口的数字输入，可以将数据端口引脚Pin2～Pin9连接到控制端口引脚Pin1、Pin14、Pin16、Pin17和状态端口引脚Pin15、Pin13、Pin12、Pin10上，Pin11引脚连接到归地引脚GND或悬空。引脚接好后，先从数据端口输出数据，在从状态端口和控制端口读出数据，读出的数据应与写入的数据一致，当Pin11引脚连接到归地引脚GND时，数据范围为0～255;当Pin11引脚悬空时，数据范围为256～511。

　　unsigned int ValueGet=0;

　　//获得端口地址

　　WORD m_nportState=(WORD)0x379;

　　WORD m_nportControl=(WORD)0x37A;

　　//Read State Port

　　DWORD dwPortVal;

　　unsigned int ValueState=0;

　　GetPortVal(m_nportState, &dwPortVal, 1);

　　ValueState=dwPortVal;

　　ValueState=ValueState^0x80; //保持得到的State值与连接器处的值一直;

　　ValueState=ValueState&0xF8; //去掉S0 ～S2位;

　　ValueState=ValueState<<1; //左移1位，将S7～S3变为高5位