PC机与多MCS－51单片机间的串行通信硬件设计

1　引　言
　　在测控系统和工程应用中，常遇到多项任务需同时执行的情况，因而主从式多机分布式系统成为现代工业广泛应用的模式。它们大多由IBM－PC微机和MCS－51单片机组成。单片机功能强、体积小、价格低廉、开发应用方便，尤其具有全双工串行通讯的特点，在工业控制、数据采集、智能仪器仪表、家用电器方面都有广泛的应用。同时，IBM－PC机正好补充单片机人机对话和外围设备薄弱的缺陷。各单片机独立完成数据采集处理和控制任务，同时通过通信接口将数据传给PC机，PC机将这些数据进行处理、显示或打印，把各种控制命令传给单片机，以实现集中管理和最优控制。
　　故IBM－PC机（上位机）与各MCS－51单片机（下位机）之间的通信显得尤其重要。本文主要探讨它们之间的远距离串行通信接口和软件程序设计。
2　硬件设计接口
　　RS－232－C串行通信接口是美国电气工业协会（EIA）与BELL公司等一起开发的一种标准通信协议，现在它在终端、外设与计算机中被广泛采用。该标准规定了21个信号和25个引脚，但在智能仪器与计算机之间的通信中常用2个信号及3个引脚（2脚数据输入，3脚数据输出，7脚信号地）。它采用双极性的负逻辑信号，0逻辑信号为＋3V至12V，1逻辑信号为－3V至－12V，它的传输速率最大为20kbit／s，传输距离仅为15m。由于RS－232主要是完成电平移位、转换和信号反相等，所以它有自己的电平转换与驱动芯片，如MC1488（发送）与MC1489（接受）。IBM－PC机有两个标准的RS－232串行口，其电平采用的是EIA电平，而MCS－51单片机的串行通信是由TXD（发送数据）和RXD（接收数据）来进行全双工通信的，它们的电平是TTL电平，为了PC机与MCS－51机之间能可靠地进行串行通信，需要用电平转换芯片。由于MC1488和MC1489需要±12V、＋5V电源供电，故采用MAXIM公司生产的低功耗、单电源的MAX232芯片，因为它自身带有电源电压变换器，可以把＋5V电源变换成RS－232输出电平所需的±10V电压，能实现RS－232的技术指标，并只需要＋5V的电源，为串行通信带来了较好的性能和低廉的价格。MAX232的接口电路图如图2所示。

　　PC机采用可编程串行异步通信控制器8251A来实现，通过对INS8251A初始化可以控制串行数据传送格式和速度及其工作方式，使得它与单片机的通信方式一致，从而实现PC机与单片机之间的通信。MCS－51和8251A的连接图见图3。

　　由于远距离数据传输，在系统中用了两片MAX485芯片进行数据传送，还采用了两级光电隔离来提高系统的抗干扰能力。单片机和PC机之间的RS－232通信硬件接口电路框图如图4所示。
3　串行通信的软件程序设计
3．1　主从式多机通信原理
　　MCS－51用于多机通信时必须工作在方式2或方式3。以方式3为例，每发送一帧数据为11位：1位起始位（0），8位数据位和1位停止位（1），附加的第9位数据在非多机系统中为奇偶校验位，在发送端有SCON的TB8产生，在接收端传送到SCON的RB8。它还可设定为“0”或“1”作为在多机通信中区分数据帧（0标志）还是地址帧（1标志）的标志。在MCS－51多机系统中有以下协议：所有的各从机均处于听命状态，即SM2＝1，以便接收主机发来的地址，当接收到一帧信息的RB8为“1”时，表示主机发送来的是地址信息，所有的从机均发生接收中断，否则中断屏蔽。当一从机进入相应的中断服务程序，把接收到的地址和本机的地址比较，如果相符合就令其SM2＝0，并向主机发回本机地址以作应答，该从机就与主机联通，准备接收主机发来的命令或数据信息，而其他的未被寻址从机保持SM2＝1并退出各自的中断服务程序。这样，只有SM2＝0的从机才能接收到主机发送来的数据信息，顺利实现地址帧和数据帧的分离。被寻址从机在通信完成后重新使SM2＝1，并退出中断服务程序，等待下次通信。

3．2　多机通信协议
　　要实现单片机和PC机的正常通信，必须正确设定它们两者之间的通信方式，保证双方都用相同的波特率、起始位、停止位、奇偶校验位，并且要建立双方通信的应答信号。[page]
　　单片机既可工作在同步移位寄存器方式下也可工作在UART（通用异步收发器）下。串行口的通信方式是由特殊功能寄存器SCON来控制的。其各控制定义如下：

SM0，SM1：工作模式设定位；SM2：允许使用方法2、3多机通信控制位；RB8：接收数据第9位；TB8：发送数据第9位；TI：发送中断标志；RI：接收中断标志。本文中工作方式为3，即9位UART定时器T1作为波特率发生器，工作在方式2，若选定波特率为1200bps，则计数初值为0E8H（SMOD＝0，时钟频率Fosc为11．059MHz）。
　　PC机的异步通信接口为INTEL8251A，它可设定1位、1．5位或2位停止位，数据可在5～8位之间选择，通信频率为0～9．6Kbps，有奇偶校验、帧校验、溢出校验三种方式。可通过对它写入一定的方式控制字、命令控制字从而进行初始化。它与MCS－51的连接如前面所示，则它的数据口地址为0F0H，控制口地址为0F1H。它的工作状态寄存于其状态字寄存器中，可由MCS－51的CPU读取。通信协议如下：（1）串行通信波特率为1200bps；（2）帧格式为8位数据位，一位起始位，一位可编程的第9位（即发送和接收的地址／数据位的标志位），一位停止位；（3）主机和从机遵循主从原则，主机用呼叫方式选择从机，数据在主机和从机之间双向传递，各从机之间的相互通信需通过主机作为中介；（4）主从机之间还应传送一些供它们识别的命令和状态字，如以00H表示主机发送从机接收命令，以01H表示从机发送主机接收命令等。
3．3　通信程序设计思路及其实现
　　程序主要包括主机程序（由主机主程序和通信子程序组成）、从机主程序和其中断服务程序组成。主机程序主要完成对8251A的初始化以及主机与从机之间的通信，主机程序框图见图5。而从机主程序主要完成对串行口的初始化、波特率的设置（应与8251A的波特率一致），它的中断程序主要用来完成MCS－51单片机与PC机的数据通信。从机中断服务程序框图见图6。