PIC單片機與PC機異步串行通信的設計

　　引言
　　
　　因為具有運行速度快、低功耗、價格低、體積小等優點，Microchip公司推出的PIC系列單片機已經得到越來越廣泛的應用。應用之一是作為下位機與上位機（例如PC機）通信，它被廣泛應用在工業控制、數據采集和檢測等領域中。單片機與PC機通信的方式有串行通信、并行通信。其中，串行通信具有硬件電路簡單、軟件實現容易和運行可靠等優點，十分適合對實時性要求不太高的場合。由于部分PIC單片機不具備串行通信所需的硬件USART口，故系統設計者需要用軟件實現PIC單片機與PC機之間的串行通信。筆者介紹利用PIC單片機的中斷功能實現異步串行通信的方法。
　　
　　異步串行通信基本概念
　　
　　異步串行通信字符格式如圖1所示。通信線路上傳送的每個字符包括1個起始位、5～8個數據位、1個奇偶校驗位（可無）和1～2個停止位。每個字符的傳送都是以起始位作為開始標志，緊跟其后的是要傳送的數據（低位先傳送），然后是奇偶校驗位，zui后是停止位。相鄰字符之間的時間間隔即空閑時間可為任意長。線路空閑時應表現為“1”，當檢測到“0”時，表示一幀字符的開始。　　　　
　　串行接口硬件電路
　　
　　選用的單片機型號為PIC16C711，不具備硬件USART，需要用一般I/O口來模擬串行口。如圖2所示，RB0為接收腳，RB5為發送腳。RB0除作為一般I/O引腳外，還可以作為外部中斷輸入引腳，引起中斷的方式分為上跳沿和下跳沿2種方式。在本文中，設置下跳沿引起中斷。當起始位到來時，RB0上出現下跳沿，引起中斷，如果不是干擾信號則開始接收數據。
　　
　　RS-485標準的特點是抗*力強，傳輸速率高、傳送距離遠。它規定了雙端（平衡式）電氣接口特性。當單片機與具有RS-485接口的PC機通信時，需要進行信號形式的轉換。從單片機發送到PC機的信號首先轉換成平衡信號，再送往PC機。從PC機發送到單片機的信號先轉換成非平衡信號，再輸入單片機。信號形式的轉換工作由RS-485接口芯片SN75176完成。SN75176差分總線收發器工作在半雙工方式，當工作于發送方式時，發送使能引腳DE為高電平，接收使能引腳也為高電平。當工作于接收方式時，發送使能引腳DE為低電平，接收使能引腳也為低電平。這樣，可以將DE與連接在一起，由RB6引腳輸出控制信號，控制SN75176的發送和接收使能。為了減少線路上信號的反射，需要匹配線路的特性阻抗。由于通信載體是雙絞線，它的特性阻抗為120Ω左右，所以線路設計時，在RS-485網絡傳輸線的始端和末端各應接1只120Ω的匹配電阻，R1為單片機一側的匹配電阻。由于RS485芯片的特性，接收器的靈敏度為±200mV，即差分輸入端VA-VB≥±200mV時，輸出邏輯“1”；VA-VB≤200mV時，輸出邏輯“0”。當︱VA-VB︱≤200mV時，輸出不確定。因此，當A、B無信號輸入時，可能造成接收引腳R上出現低電平，這會誤認為通信幀起始位到來而引起工作不正常。為了避免這種情況發生，可以人為的讓A端電位高于B端電位，使R引腳在RS485總線不發送期間呈現*的高電平，單片機不會被誤中斷而接收到亂字符。通過在A、B接上拉、下拉電阻R3、R2可解決這個問題。　　　　
　　單片機通信程序框圖
　　
　　單片機與PC機之間的通信方式為半雙工方式。一幀數據包括一位起始位、8位數據位、一位停止位和無奇偶校驗位。設發送和接收數據的波特率為9600b/s，則每一位占用的時間td為1/9600s，約為104μs。單片機晶振頻率為4MHz。單片機執行一條指令耗費時間1μs。
　　
　　單片機接收數據程序框圖
　　
　　PIC16C711單片機的RB0引腳具備外部引腳跳變沿中斷功能，向RB0引腳送一個上跳沿或下跳沿信號，則INTCON寄存器的外部引腳跳變沿中斷標志位INTF被置1。如果總中斷和外部引腳跳變沿中斷都使能，并且此時單片機沒有執行其他中斷服務子程序，程序進入INT中斷服務子程序。根據異步串行通信的特點，通信線路空閑時單片機接收的是高電平，起始位到來時單片機接收到低電平，因此空閑位和起始位之間是一個下跳沿。單片機接收到下跳沿即起始位后，馬上進入中斷服務子程序，準備接收一幀數據。因此在主程序中設置由下跳沿引起外部引腳跳變沿中斷。以下內容主要分析接收子程序即中斷服務子程序。單片機接收數據程序框圖如圖3所示。進入中斷服務子程序后，首先保護中斷現場，然后檢測起始位是否是“真的”。由于可能存在的各種干擾，單片機有可能接收到的干擾信號正好是一個下跳沿，而實際上此時根本沒有數據到來，從而造成誤接收數據。因此檢測起始位的真實性是有必要的。采取的方法是在52μs（起始位的中點）后，檢測一次RB0上的信號。程序框圖中是延時47μs后檢測RB0上的信號，原因是保護中斷現場的幾條指令要耗費幾個μs。如果是低電平，則起始位是“真的”，否則為干擾信號，單片機清INTF標志位，然后退出中斷服務子程序，回到主程序。若起始位是“真的”，則準備接收數據。本文規定數據位為8位，故首先設置接收計數器R_CNT內容為8。然后將STATUS寄存器中的C位清零，并右移接收數據寄存器RCV_R。C的內容即0移入RCV_Rzui高位，接下來接收數據位。
　　
　　為盡量保證數據的準確性，應該在每位數據的中點檢測該位數據。因此，檢測*位數據的時刻距離檢測起始位的時刻應該是一位數據所占的時間即104μs，此后的每一位數據檢測時刻之間也是如此。此時又要用到延時程序。因為每兩次檢測時刻之間除了延時之外，指令（C清零、右移等指令）還要占用時間，這些指令占用5～6μs，因此，為了盡量保證在每一位的中心位置檢測數據，延時時間定為98μs。如果檢測得到的數據位為1，則置RCV_Rzui高位為1。如果數據位為0，則不必改變zui高位，因為C為0且已經移入RCV_R的zui高位。然后，將接收計數器內容減1。8位數據接收完畢后，清INTF標志。zui后，退出中斷服務子程序。至此，8位數據接收全部存放于RCV_R中。　　　　
　　單片機發送數據程序框圖
　　
　　用RB5引腳作為發送引腳，單片機發送數據程序框圖如圖4所示。當有數據要從單片機發往PC機時，單片機調用發送子程序。在發送子程序中，首先設置發送計數器內容為8，然后發送起始位，起始位應持續104μs。因此要調用延時子程序，延時子程序執行完后，RB5上的信號并未立刻變成*位數據的值，這是因為還要執行幾條指令，如右移TRS_R、置位等RB5上的信號才會變化。假設延時104μs，那么加上幾條指令的執行時間，起始位就比104μs寬了。因此，延時子程序少于104μs，根據具體的程序定為97μs。然后，右移發送數據寄存器TRS_R，將其zui低位即要發送的數據位移入C中，再根據C中的內容將RB5清零或置1，然后將發送計數器內容減1，并判斷其是否為0。若為1，則說明未發送完畢，繼續發送；否則，發送停止位。zui后，退出發送子程序。　　　　
　　PC機通信程序
　　
　　VB6.0提供了串行通訊MSComm（盒）控件來為應用程序提供串行通信，它將串口設備當作一個目標封裝起來，容易操作，編程很方便，其良好的用戶界面、簡單方便的串行通信和實用性強的優點，無需借用其他語言就可以開發出的通信軟件，因而PC機軟件采用VB6.0語言編寫。
　　
　　MSComm控件的調出及其主要屬性如下。
　　
　　（1）MSComm控件的調出
　　
　　VB6.0的MSComm控件并不會主動出現在工具箱中，當需要它時，讓它出現在工具箱中的步驟如下：
　　
　　①選擇菜單上的“工程”；
　　
　　②在“工程”菜單中選擇“部件”；
　　
　　③出現對話框后，在可勾選的項目中勾選MicrosoftCommControl6.0；
　　
　　④按下“確定”按鈕，即可在工具箱中見到“盒”的圖標，就可以將此控件加載進行串行通信。
　　
　　（2）MSComm屬性
　　
　　MSComm屬性很多，其重要的屬性說明如下：
　　
　　①CommPort：設定或返回通信端口號。端口號由1開始往上遞增，zui大值是16。
　　
　　②Settings：設定通信端口初始化參數。其格式為“Baud，P，D，S”，其中Baud為波特率，可設為1200、2400、9600、14400、19200和28800等幾種；P為校驗位（E表示偶校驗、O表示奇校驗、M表示符號校驗（即在校驗位放置一個1的位）、S表示空白校驗（即在校驗位放置一個0的位）、N表示無校驗位（默認值））；D為數據位數，可選值為4、5、6、7、8（默認值）；S表示停止位數，可選值為1、1.5、2。
　　
　　③PortOpen：設定并返回通信端口的狀態。
　　
　　使用串行端口之前必須先打開該端口（PortOpen=True），而在使用完畢后必須關閉該端口（PortOpen=False）。
　　
　　④Input：從輸入緩沖區返回并清除字符。這是一種FIFO（FirstinFirstOut）機制。如Buffer＄=MSComm1.Input，表示將輸入緩沖區的字符讀入Buffer字符串變量中。
　　
　　⑤Output：將一個字符或字符串寫入傳輸緩沖區，如MSComm1.Output=“ABCD”。此即將ABCD4個字符通過串行端口傳送出去。
　　
　　⑥InBufferCount：傳回在接收緩沖區中的字符數，是指已接收，并在接收緩沖區等待讀取的字符數。
　　
　　⑦InputMode：設定和返回類型。該屬性設為0時，數據通過Input屬性以文本方式取回，如設為1，則數據通過Input屬性以二進制方式取回。
　　
　　結論
　　
　　利用PIC16C711的外部中斷輸入引腳RB0/INT接收數據，避免了查詢法帶來的耗費大量系統資源的缺點。PIC系列單片機執行指令的速度快，提高了系統效率。PIC16C711內部無硬件UART，本文用軟件模擬它與PC之間的串行異步通信，從而降低了硬件成本。VB具備MSComm（盒）控件，實現串行通信非常方便。