電子設(shè)計創(chuàng)新訓(xùn)練(提高)第五章_常用串行通訊規(guī)范及具體編程方法匯編

1、第五章 常用(chn yn)串行通訊規(guī)范及具體編程方法基本概念 兩種通訊方式： 并行通訊：數(shù)據(jù)的各位同時傳送，傳送速度高，距離短。 串行通訊：數(shù)據(jù)一位一位順序傳送，傳送速度低，傳送距離長，幾十至幾千米。 目前，少量多CPU并行的系統(tǒng)中還存在并行通訊，少量計算機設(shè)備僅舉例通訊也采用并行通訊（打印電纜、智能儀器(yq)的GPIB接口）。絕大多數(shù)的計算機設(shè)備間通訊都采用串行方式。共二十八頁5-1 常用(chn yn)串行通訊硬件規(guī)范一、普通TTL或者CMOS邏輯 此類規(guī)范其實就是(jish)MCU或者串口芯片（16C550）等的直接邏輯接口，一般的低電平邏輯為0V，高電平為5V。現(xiàn)在許多MCU也支持

2、2.73.6V的高電平邏輯。 實際上這類信號傳輸為純粹的單端方式，即不平衡方式：用單線傳輸信號，以地線作為信號的回路，接收器是用單線輸入信號的，抗干擾能力差。 又由于信號最高電平就是數(shù)字系統(tǒng)的電源電平，因此基本無傳輸距離可言。 一般僅用于多MCU系統(tǒng)中，用于多任務(wù)時，主MCU與輔助MCU之間進行信息交換。共二十八頁 MCU的串口一般只提供RXD和TXD信號，不提供握手信號。16C550芯片是8250的擴展版本，支持握手信號。8250實際上原來大量應(yīng)用(yngyng)于PC機，現(xiàn)在基本上被16C550取代（南橋集成）。 16C550具有RTS（請求(qngqi)發(fā)送）和CTS（清除發(fā)送）等信號端

3、，能夠進行有握手的信號傳遞。 同時，為應(yīng)用于繁忙的系統(tǒng)，它擴展有16個接收和16個發(fā)送緩沖器。尤其是接收緩沖器能夠支持系統(tǒng)在不能夠及時收取數(shù)據(jù)時不至于丟失上一幀已經(jīng)接收到的數(shù)據(jù)。圖5-1 16C550管腳圖共二十八頁二、 RS-232C標準 鑒于普通的TTL或者CMOS邏輯基本無法實現(xiàn)計算機設(shè)備之間的通訊，出現(xiàn)了RS-232C標準 。 采用(ciyng)單端，雙極性電壓供電；使用負邏輯，一般515V表示低電平，-5-15V表示高電平。接收器的輸入檢測電平邏輯0：+3V ； 邏輯1：-3V ；每個信號一根導(dǎo)線，雙向共用一個地線； 采用不平衡的發(fā)送器和接收器，易被干擾；傳輸速率20Kbps時，安全

4、傳輸距離15米；連接器有25插針、9插針等設(shè)計方案。 RS-232C標準定義了除地線之外的8個信號線，不過一般情況下，其中RXD、TXD、GND三線就能夠完成工作。其它的信號線都是輔助的握手信號，都是用來在傳輸過程中保證數(shù)據(jù)可靠接收的輔助信息。許多情況下，在系統(tǒng)具有做夠快的處理速度和可靠的數(shù)據(jù)校驗?zāi)芰r，可以不使用輔助信號線。 表5-1為9針D型接頭RS-232C標準的引腳信息，目前所有PC機上的COM1都是這種標準。共二十八頁引腳號信號名稱方 向信 號 功 能1DCDPC機儀器PC機收到遠程信號（載波檢測）2RXDPC機儀器PC機接收數(shù)據(jù)3TXDPC機儀器PC機發(fā)送數(shù)據(jù)4DTR PC機儀器P

5、C機準備就緒5GND- 信號地6DSRPC機儀器儀器準備就緒7RTSPC機儀器PC機請求發(fā)送數(shù)據(jù)8CTSPC機儀器儀器已切換到接收狀態(tài)（清除發(fā)送）9RIPC機儀器通知PC機，線路正常（振鈴指示）表5-1 RS232C的9針引腳信號(xnho)規(guī)范共二十八頁三、RS422/RS485規(guī)范 用雙絞線傳輸信號，信號在雙絞線中自成回路不通過地線，接收器以雙端差動方式輸入信號，抗干擾能力強。平衡，雙極性電壓供電；平衡驅(qū)動和差分接收方式，取消地線；抗干擾能力強；傳輸速率高，距離遠。電源采用普通(ptng)5V，目前也有芯片支持3V電源。 RS-422A的傳輸率最大為10Mb/s，在此速率下，電纜允許長度為

6、120m。如果采用較低傳輸速率，如90kb/s，最大距離可達1200m。 RS-485是RS-422A的變形，收發(fā)公用2根信號線。RS-422A為全雙工，可同時發(fā)送和接收；RS-485則為半雙工，在某一時刻，一個發(fā)送另一個接收，能夠?qū)崿F(xiàn)總線型網(wǎng)絡(luò)。圖5-2 RS422/RS485傳輸(chun sh)邏輯圖共二十八頁圖5-3 RS485以總線方式(fngsh)傳輸邏輯圖 RS485規(guī)范由于采用半雙工方式，同時使用2根信號線傳輸雙向數(shù)據(jù)，故此可以構(gòu)成典型的總線型網(wǎng)絡(luò)，更常用。即：網(wǎng)絡(luò)上始終僅存在一個(y )主機，其它都為從機（可以通過交換權(quán)利更換主機）。具體總線連接形式如圖5-3，對于遠激勵應(yīng)用

7、，兩個終端一般需要配置終端120歐姆電阻。共二十八頁 接 口性 能RS-232CRS-422ARS-485操作方式單端差動方式差動方式最大距離/m15(24kb/s)1200(100kb/s)1200(100kb/s)最大速率200kb/s10Mb/s10Mb/s最大驅(qū)動器數(shù)目1132（64）最大接收器數(shù)目11032（64）接收靈敏度3V200mV200mV驅(qū)動器輸出阻抗30060k120k接收器負載阻抗37k4k12k負載阻抗37k10060 對共用點電壓范圍/ V25-0.25+6-712表5-2 3種常用接口規(guī)范主要(zhyo)性能比較共二十八頁5-2 常用串行通訊(tngxn)芯片一、

8、RS232通訊芯片（一）早期芯片 早期的RS232通訊，典型使用(shyng)的芯片是：發(fā)送為MC1488，它采用雙電源供電，將TTL電平轉(zhuǎn)換為負邏輯；接受MC1489，它采用5V供電，將負邏輯轉(zhuǎn)換為正常的TTL電平。連接使用(shyng)見圖5-4。圖5-4 早期RS232芯片連接圖共二十八頁（二）目前常用芯片 鑒于早期的芯片為芯片組，芯片數(shù)目多；同時(tngsh)，系統(tǒng)還必須為芯片提供雙電源。因此整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前常用的為單芯片，芯片本身在完成收發(fā)的同時(tngsh)，自身在單5V（3V）的供電下產(chǎn)生雙輸出驅(qū)動電源（12V）。常見的芯片有MAX232，目前也大量使用它的升級版本：MAX

9、202，升級版本把原來需要的4個1微法電容換成了104。此芯片提供2路輸入與兩路輸出。圖5-5 MAX232芯片(xn pin)管腳與連接圖共二十八頁 鑒于目前大量的電池(dinch)供電系統(tǒng)的應(yīng)用，3V系統(tǒng)已經(jīng)大量應(yīng)用。許多公司適時推出了3V版本的單電源232芯片產(chǎn)品，例如SIPEX公司推出了SP3232芯片即支持2.75V電源。圖5-6 SP3232芯片(xn pin)管腳與連接圖共二十八頁二、RS485通訊芯片 目前各大半導(dǎo)體公司都推出了大量的RS485通訊芯片，典型的有TI公司的75LBC184。它采用單5V供電，高輸入內(nèi)阻，因此可以在一條總線上掛128個終端(zhn dun)。對于3

10、V系統(tǒng)，SN75HVD08是一個比較好的選擇，它甚至可以在一條總線上掛256個終端(zhn dun)。圖5-7 RS485芯片(xn pin)管腳、結(jié)構(gòu)與真值表共二十八頁 大多數(shù)RS485通訊都用于長距離下使用，考慮到系統(tǒng)由多個終端組成，環(huán)境情況不可估計，因此，為個終端抗干擾考慮，一般均會采用光電隔離(gl)措施。如圖5-8，為采用高速光電隔離(gl)器6N137的隔離(gl)RS485電路。圖5-8 高速光電隔離(gl)的RS485電路共二十八頁5-3 串行通訊應(yīng)用(yngyng)編程舉例一、理想情況下的串行通訊舉例條件：多MCU并行系統(tǒng)，其中主MCU一個，輔助MCU多個。 進行(jnxng

11、)主從通訊。要求：主機與從機通訊，收集從機處理完畢的信息。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：如圖5-9。 TXD RXD 主MCURXD TXD 從MCU1RXD TXD 從MCU2RXD TXD 從MCU3圖5-9 主從MCU串行通訊連接圖共二十八頁（一）通訊方式 1.此系統(tǒng)為純粹的主從方式，從機只能同時有一個與主機通訊！ 2.從機必須分配地址號，主機按照地址進行甄別呼叫。（二）通訊協(xié)議 任何通訊都必須遵守彼此約定的固定格式，以能夠(nnggu)相互理解通訊的內(nèi)容。這種彼此約定的格式就是通訊協(xié)議。本例定義協(xié)議如下：主機：地址（1字節(jié)）+命令（1字節(jié)）+命令內(nèi)容（1字節(jié)）。其中，地址可以是1255，0號一般定義為公共

12、廣播地址；命令號可以是0255，表示要求從機進行不同操作（如：0127為寫操作，直接對應(yīng)從機接收寄存器地址，命令內(nèi)容為寫入內(nèi)容；128255為讀命令，對應(yīng)從機0127號寄存器地址）；命令內(nèi)容是可能傳送下來的數(shù)據(jù)。共二十八頁從機： 1.當(dāng)主機發(fā)送寫命令時，應(yīng)答一個字節(jié)AAH，表示收到。 2.當(dāng)主機發(fā)送讀命令時，應(yīng)答主機要求傳送的寄存器內(nèi)容（假設(shè)為一個字節(jié)）。 假設(shè)均使用51系列MCU，因此可以設(shè)置為串行通訊方式3工作，能夠保持較高的通訊速度。（三）軟件設(shè)計思路 對于主機，與從機通訊完全是主動的，因此，通訊完全可以采用主程序完成，因此，對于主機，通訊程序只是一個普通的函數(shù)(hnsh)。 對于從機，

13、因為主機呼叫是隨機的，因此只能采用中斷方式接收處理，才能滿足實時任務(wù)處理的需要。共二十八頁通訊開始置發(fā)送計數(shù)器=0發(fā)送當(dāng)前數(shù)據(jù)，計數(shù)+1發(fā)送完1字節(jié)？3字節(jié)全部發(fā)送完畢？延時固定時間后接收成功收到數(shù)據(jù)？準備返回失敗信息準備返回接收的信息將接收的數(shù)據(jù)結(jié)果返回通訊開始圖5-10 主MCU通訊軟件(run jin)框圖 此函數(shù)應(yīng)該為帶有入口型參的函數(shù)，同時又是一個返回型函數(shù)。 入口參數(shù)應(yīng)該有3個CHAR變量：從機地址(dzh)、命令號、命令內(nèi)容。 返回參數(shù)應(yīng)該包含兩個信息：成功與失敗信息、返回內(nèi)容?？梢灾苯臃祷匾粋€INT型數(shù)據(jù)，高位字節(jié)=0表示成功通訊，=FF表示通訊失??；低位字節(jié)為接收到的數(shù)據(jù)。Y

14、NYYNN共二十八頁圖5-11 從MCU通訊(tngxn)軟件框圖串口中斷入口置接收計數(shù)器=0接收當(dāng)前數(shù)據(jù)，計數(shù)+1接收標志RI置位？清標志，3字節(jié)收完？是呼叫本機？根據(jù)命令號讀相應(yīng)信息將接收的數(shù)據(jù)寫寄存器退出通訊中斷是寫命令么？制作成功接收信息發(fā)送相應(yīng)的應(yīng)答信息NNNYYYYN共二十八頁本設(shè)計總結(jié) 設(shè)計建立在系統(tǒng)內(nèi)，認為通訊過程為理想過程，不會出現(xiàn)差錯。實際上，真實的智能設(shè)備之間通訊可能需要適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境，可能涉及許多實際問題，主要有如下幾點：1、數(shù)據(jù)傳輸過程因干擾產(chǎn)生錯誤。此時需要進行錯誤甄別（校驗：奇偶校驗、和校驗、冗余校驗等）和處理(chl)（一般可以要求重新發(fā)送）。2、數(shù)據(jù)因傳輸不

15、完整，造成整個報文短缺。需要進行接收過程的超時處理，避免使接收方進入死循環(huán)。3、許多系統(tǒng)實時性強，可能不允許在一次中斷內(nèi)完成整個通訊處理。需要采用多次串口中斷接收數(shù)據(jù)。共二十八頁 下面以一個匯編語言的例子來展示中斷發(fā)送和接收傳輸數(shù)據(jù)過程。采取甲發(fā)送，乙接收模式(msh)，不考慮出錯處理。 異步通訊程序舉例，11.0592MHZ晶振，9600波特，8位無校驗通訊，發(fā)送和接收數(shù)據(jù)塊。 1.發(fā)送程序：將片內(nèi)RAM 50H起始單元的16個數(shù)由串行口發(fā)送。給出主程序初始化部分和發(fā)送中斷子程序。 ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0023H LJMP COM_INTMAIN： MOV SP，

16、 #6FH MOV SCON，#01000000B ；串行口初始化 MOV TMOD，#00100000B ；T1方式1工作 MOV TH1， #0FDH MOV TL1， #0FDH SETB TR1 ；產(chǎn)生(chnshng)9600波特率時鐘 SETBEA SETBES ；開串行口中斷共二十八頁 MOV R0，#50H ；設(shè)數(shù)據(jù)指針MOV R7，#10H ；數(shù)據(jù)長度LOOP： MOV A，R0 ；取一個(y )字符MOV SBUF，A ；啟動一次發(fā)送HERE：SJMPHERE；CPU執(zhí)行其它任務(wù)COM_INT： PUSH A ；保護現(xiàn)場 PUSH PSW CLR TI ；清發(fā)送結(jié)束標志(b

17、iozh) DJNZ R7，NEXT ；是否發(fā)送完？ CLR ES ；發(fā)送完，關(guān)閉串行口中斷 SJMP TENDNEXT： INC R0 ；未發(fā)送完，修改指針 MOV A，R0 ；取下一個字符 MOV SBUF，A ；發(fā)送一個字符TEND： POP PSW ；恢復(fù)現(xiàn)場 POP A RETI ；中斷返回 END共二十八頁2.接收程序(chngx)：接收數(shù)據(jù)存入片內(nèi)RAM 50H起始單元的16個單元。給出主程序(chngx)初始化部分和接收中斷子程序(chngx)。 ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0023H LJMP COM_INTMAIN： MOV SP， #6FH MOV S

18、CON，#01010000B ；串行口初始化 MOV TMOD，#001010000B ；T1方式1工作 MOV TH1， #0FDH MOV TL1， #0FDH SETB TR1 ；產(chǎn)生9600波特率時鐘 SETBEA SETBES ；開串行口中斷 MOV R0，#50H ；設(shè)數(shù)據(jù)指針 MOV R7，#10H ；數(shù)據(jù)長度HERE： SJMPHERE；CPU執(zhí)行其它(qt)任務(wù)共二十八頁COM_INT： CLR RI ；清接收結(jié)束標志 MOV R0, SBUF INC R0 ；未接收完，修改指針 DJNZ R7，REND ；是否接收完？ CLR ES ；接收完，關(guān)閉串行口中斷(zhngdun

19、) SJMP RENDREND： RETI ；中斷返回 END總結(jié)： 這個發(fā)送和接收程序均采用了中斷處理的方式，中斷程序每次處理一個字節(jié)的發(fā)送或者接收。處理通訊的中斷占用時間(shjin)很短，其它實踐均交還主程序使用，因此系統(tǒng)效率很高。 實際的通訊還需要進行容錯、超時等處理，此處的例子僅用于理想情況下。共二十八頁二、真實情況下的串行通訊舉例條件：485總線網(wǎng)絡(luò)，主從系統(tǒng)。其中主機一個，子機多個(du )。 進行主從通訊。要求：主機與從機通訊，收集從機處理完畢的信息。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：如圖5-10。 A B 主機 A B 從機1 A B 從機2 A B 從機3圖5-12 基于RS485總線的主從(zh

20、cng)系統(tǒng)串行通訊連接圖共二十八頁（一）通訊協(xié)議設(shè)計本例定義協(xié)議如下：主機：地址（1字節(jié)）+命令（1字節(jié)）+命令內(nèi)容（1字節(jié)）+累加和（1字節(jié)）。其中，地址可以是1255，0號一般定義為公共廣播地址；命令號可以是0255，表示要求從機進行不同操作（如：0127為寫操作，直接對應(yīng)從機接收寄存器地址，命令內(nèi)容為寫入內(nèi)容；128255為讀命令，對應(yīng)從機0127號寄存器地址）；命令內(nèi)容是可能(knng)傳送下來的數(shù)據(jù)。從機：地址（1字節(jié)）+1字節(jié)返回的數(shù)據(jù)+1字節(jié)累加和。 其中1字節(jié)返回數(shù)據(jù)可以是以下內(nèi)容： 1.當(dāng)主機發(fā)送寫命令時，應(yīng)答一個字節(jié)AAH，表示收到。 2.當(dāng)主機發(fā)送讀命令時，應(yīng)答主機要求傳送的寄存器內(nèi)容（假設(shè)為一個字節(jié)）。 對于從機，返回地址可以增強主機的信息識別正確率，也可以不返回地址。返回地址也可以在多機系統(tǒng)中減低其它子機的識別準確率。共二十八頁（二）軟件設(shè)計思路 對于主機，與從機通訊完全是主動的，因此，通訊完全可以采用主程序完成，因此，對于主機，通訊程序只是一個普通的函數(shù)。對于發(fā)送，可以仍然采用第一個例子的方案，接收則需要進行超時判斷。 對于從機，因為主機呼叫是隨機(su j)的，因此只能采用中斷方式接收處