RS 232串口通信在PC機(jī)與單片機(jī)通信中的應(yīng)用[圖]

0 引言

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展和科技進(jìn)步，在許多現(xiàn)代化集中管理的控制系統(tǒng)中，需要對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計、分析、打印、報警等，同時又要對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行實(shí)時控制，完成各種操作。單片機(jī)作為控制系統(tǒng)中必不可少的部分，在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。由于單片機(jī)具有體積小、價格低廉、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，一般在工業(yè)控制系統(tǒng)中，各種數(shù)據(jù)的采集和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制都是由單片機(jī)來完成。而單片機(jī)的計算能力有限，難以進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理。在功能比較復(fù)雜的自動控制系統(tǒng)中，通常以工控機(jī)為上位機(jī)，單片機(jī)為下位機(jī)，由單片機(jī)完成數(shù)據(jù)的采集及對設(shè)備的控制，而由上位機(jī)完成各種復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理及對單片機(jī)的控制。在分布式控制系統(tǒng)中大多采用單片機(jī)作為下位機(jī)來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和現(xiàn)場控制，在這些應(yīng)用中，單片機(jī)只是直接面對被控對象底層，而對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析和處理工作，則是由功能強(qiáng)大的PC機(jī)來完成的。因此，PC機(jī)和單片機(jī)之間就有著大量的數(shù)據(jù)交換。在絕大多數(shù)PC機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置中，都有一個到多個RS 232串口，因?yàn)镽S 232串口擔(dān)負(fù)著PC機(jī)和單片機(jī)之間大量的數(shù)據(jù)交換的重任。單片機(jī)89C52用于自動控制及數(shù)據(jù)傳輸，并通過RS 232接口向上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

1 RS 232串口通信

1．1 RS 232C標(biāo)準(zhǔn)

RS 232C標(biāo)準(zhǔn)(協(xié)議)的全稱是EIA-RS-232C標(biāo)準(zhǔn)，其中EIA(Electronic Industry Association)代表美國電子工業(yè)協(xié)會，RS(ecommeded standard)代表推薦標(biāo)準(zhǔn)，232是標(biāo)識號，C代表RS 232的最新一次修改。在這之前，有RS 232B，RS 232A，它規(guī)定連接電纜和機(jī)械、電氣特性、信號功能及傳送過程。

1．2 RS 232的接口引腳定義

由于RS 232C并未定義連接器的物理特性，因此，出現(xiàn)了DB-25，DB-15和DB-9各種類型的連接器，其引腳定義也各不相同。常用的連接器接口圖如圖1所示，DB9的引腳功能見表1。

RS 232C標(biāo)準(zhǔn)接口有25條線，分別為4條數(shù)據(jù)線、11條控制線、3條定時線、7條備用和未定義線，常用的只有9根，它們是：

(1)狀態(tài)線

數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒(Data Set Ready，DSR)：有效時(ON)狀態(tài)，表明數(shù)據(jù)通信設(shè)備可以使用。

數(shù)據(jù)終端就緒(Data Terminal Ready，DTR)：有效時(ON)狀態(tài)，表明數(shù)據(jù)終端設(shè)備可以使用。

這兩個信號有時連到電源上，上電就立即有效。

這兩個設(shè)備狀態(tài)信號有效，只表示設(shè)備本身可用，并不說明通信鏈路可以開始進(jìn)行通信了，能否開始進(jìn)行通信由下面的控制信號決定。

(2)聯(lián)絡(luò)線

請求發(fā)送(Request to Send，RTS)：DTE準(zhǔn)備向DCE發(fā)送數(shù)據(jù)，DTE使該信號有效(ON狀態(tài))，通知DCE要發(fā)送數(shù)據(jù)給DCE了。

允許發(fā)送(Clear to Send，CTS)：對RTS的響應(yīng)信號。當(dāng)DCE已準(zhǔn)備好接收DTE傳來的數(shù)據(jù)時，使該信號有效，通知DTE開始發(fā)送數(shù)據(jù)。

RTS/CTS請求應(yīng)答聯(lián)絡(luò)信號是用于半雙工MODEM系統(tǒng)中發(fā)送方式和接收方式之間的切換。在全雙工系統(tǒng)中，因配置雙向通道，故不需要RTS/CTS聯(lián)絡(luò)信號，使其變高。

(3)數(shù)據(jù)線

發(fā)送數(shù)據(jù)(Transmitted Data，TXD)：DTE發(fā)送數(shù)據(jù)到DCE。

接收數(shù)據(jù)(Received Data，RXD)：DCE發(fā)送數(shù)據(jù)到DTE。

(4)地線

有兩根線SG，PG：信號地和保護(hù)地信號線。

(5)其余

載波檢測(Carrier Detection，CD)：用來表示DCE已接通通信鏈路，告知DTE準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)。

振鈴指示(Ringlng，RI)：當(dāng)DCE收到交換臺送來的振鈴呼叫信號時，使該信號有效(ON狀態(tài))，通知DTE，已被呼叫。

通常的應(yīng)用系統(tǒng)中，往往是在CPU和I/O設(shè)備之間傳送信息，兩者都是DTE，上位機(jī)和單片機(jī)89C52之間的通信，雙方都能發(fā)送和接收，他們的連接只需要使用三根線即可，即RXD，TXD和GND，這種連接方式，即兩個串口連接時，接收數(shù)據(jù)針腳與發(fā)送數(shù)據(jù)針腳相連，彼此交叉，信號地對應(yīng)接地即可。連接方式如圖2所示。

1．3 波特率的概念

串行通信中，每秒傳送的數(shù)據(jù)位稱為波特率。如數(shù)據(jù)傳送的波持率為1200波特，采用N．8．1幀格式(10位)，則每秒傳送字節(jié)為120個，而字節(jié)中每一位傳送時間即為波特率的倒數(shù)：T=1/1 200=0．833 ms。同樣，如數(shù)據(jù)傳送的波特率為1 9 200波特，則字節(jié)中每一位傳送時間T=1/19 200=0．052 ms。根據(jù)數(shù)據(jù)傳送的波特率即字節(jié)中每一位的傳送時間，便可用普通I/O口來模擬實(shí)現(xiàn)串行通信的時序。

1．4 RS 232C的電氣特性

(1)邏輯電平

在TXD和RXD上：

邏輯1(MARK)：-3～-15 V；

邏輯0(SPACE)：+3～+15 V。

在RTS，CTS，DSR，DTR和DCD等控制線上：

信號有效(接通，ON狀態(tài)，正電壓)：+3～+15 V；

信號無效(斷開，OFF狀態(tài)，負(fù)電壓)：-3～-15 V。

由以上定義可以看出，信號無效的電平低于-3 V，也就是當(dāng)傳輸電平的絕對值大于3 V時，電路可以有效地檢查出來，介于-3～+3 V之間的電壓無意義，低于-1 5 V或高于+15 V的電壓也認(rèn)為無意義，因此，實(shí)際工作時，應(yīng)保證電平的絕對值在3～15 V之間。當(dāng)計算機(jī)和TTL電平的設(shè)備通信時，如上位機(jī)和單片機(jī)通信時，需要使用RS 232/TTL電平轉(zhuǎn)換器件，常用的有MAX232

1．5 RS 232與單片機(jī)之間的接口電路MAX232

由于RS 232信號的電平和單片機(jī)串口信號的電平不一致，必須進(jìn)行二者之間的電平轉(zhuǎn)換。MAX232由單一的+5 V電源供電，只需配5個高精度10μF/50 V的鉭電容即可完成電平轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的串行信號TXD，RXD直接與上位機(jī)的串口連接。MAX232芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本可分三個部分：

第一部分是電荷泵電路。由1，2，3，4，5，6腳和4只電容構(gòu)成。功能是產(chǎn)生+12 V和-1 2 V兩個電源，提供給RS 232串口電平的需要。

第二部分是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道。由7，8，9，10，11，12，13，14腳構(gòu)成兩個數(shù)據(jù)通道。其中13腳(R1in)、12腳(R1out)、11腳(T1in)、14腳(T1out)為第一數(shù)據(jù)通道。8腳(R2in)、9腳(R2out)、10腳(T2in)、7腳(T2out)為第二數(shù)據(jù)通道。TTL/COMS數(shù)據(jù)從T1in，T2in輸入轉(zhuǎn)換成RS 232數(shù)據(jù)從T1out，T2out送到電腦DB9插頭；DB9插頭的RS 232數(shù)據(jù)從R1in，R2in輸入轉(zhuǎn)換成TTL/COMS數(shù)據(jù)后從R1out，R2out輸出。

第三部分是供電。1 5腳GND、16腳VCC(+5 V)。

1．6 RS 232的不足之處

(1)傳輸距離有限，實(shí)際最大傳輸距離只有50 m。

(2)傳輸速率較低，在異步傳輸時，速率最大為19 200 b。

(3)接口使用一根信號線和一根信號返回線而構(gòu)成共地的傳輸形式，這種共地傳輸容易產(chǎn)生共模干擾，所以抗噪聲干擾性弱。

1．7 消除干擾噪聲的主要方法

針對以上所述RS 232易產(chǎn)生共模干擾的問題，常用的解決方法主要是采用光隔離器，光隔離器穿過一個隔離的屏障來傳輸信號。一個光隔離器由一個光敏電阻耦合的發(fā)光二極管構(gòu)成。流過發(fā)光二極管的電流使得它以可見光或者紅外線的方式釋放能量。這些能量將這個光敏電阻打開，導(dǎo)致在這個電阻的發(fā)射極和集電極之間的低阻抗。這個發(fā)光二極管的基極可以留著沒有連接。從基極到發(fā)射極加入一個電阻可以導(dǎo)致更快的開關(guān)速度，但是輸出電流更低。

2 結(jié)語

Rs 232串口通信是PC機(jī)和單片機(jī)之間信息傳遞的樞紐，一切數(shù)據(jù)和指令的傳輸必須由RS 232串口來完成。針對RS 232存在的不足之處加以改進(jìn)之后，RS 232使得PC機(jī)和單片機(jī)之間能高效地通信，采用電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232實(shí)現(xiàn)TTL邏輯電平和RS 232電平之間的相互轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換之后的串行信號TXD，RXD直接與PC機(jī)的串口連接，如此連接，既可體現(xiàn)出單片機(jī)的靈活控制功能，又可發(fā)揮出PC機(jī)強(qiáng)大的計算和顯示功能，有利于對現(xiàn)場信號的實(shí)時采集、處理和監(jiān)控，確保了良好的人機(jī)界面的交互性。

作者：潘方 來源：現(xiàn)代電子技術(shù)