单片机与IBM-PC机的串行通信分析

　　51单片机和IBM - PC机是目前我国应用最广的两种微型计算机。作为单片机，51单片机不但功能强，体积小，价格低，而且使用方便，特别市场上提供的多种51单片机开发系统，为开发应用51单片机提供了非常方便的手段。因此，51单片机在许多领域，特别是工业控制和智能仪器领域已得到广泛的应用。事实已证明，51单片机已成为8位微机之首。作为系统机，IBM - PC的优点已众所周知，可以说，IBM - PC微机的出现为微机领域带来了一场革命。在我国，由于汉字操作系统( CCDOS)的引入，使得IBM - PC在各个领域得到迅速的推广使用。
　　
　　串行通信是计算机进行数据通信的主要方式之一。由于其连线少，成本低，再加上有调制／解调功能，因而特别适合于距离较远，且通信点较多的场合，如各种计算机网络和分布式系统等。RS - 232C是最常用的一种串行通信标准。在IBM - PC微机中，一般都有1～2个标准RS - 232C串行口，简称COM1和COM2。利用这两个串行口，IBM - PC可以与其他数字设备（计算机）进行一般的数据传送，或构成局部网络、多用户系统和分布式控制系统等。
　　
　　51单片机片内即含有一个全双工的串行口，并具有多机通信功能，可以方便地构成多机控制系统。但是，由于51单片机的串行口并非标准的RS -232C，加上其波特率是采用系统时钟由内部通用定时器产生的，误差大；而其数据处理速度也比系统机低得多。因此当其与IBM - PC微机进行串行数据通信，特别是构成分布式多机控制系统时，将会遇到许多意想不到的技术问题，诸如硬件连接、波特率选择、数据同步以及多机通信控制等。我们根据多年的实践经验，对这些问题提出了一些具体解决办法，供广大同行参考。
　　
　　一、硬件连接
　　
　　RS - 232C采用负逻辑。其电平范围通常为：逻辑1=-3～-15 V；逻辑0=+3～+15 V。由于51单片机的串行口是TTL电平，故必须进行电平转换，一般都采用MC1488（输出）和MC1489（输入）来完成。其连接方法如图1- 32所示。图中，MC1488采用土12 V电源，MC1489采用+5 V电源。IBM - PC串行口中的第4脚RTS(请求发送，输出)与第5脚CTS(清除发送，输入)，以及第6脚DSR(数据装置准备好，输入)与第20脚DTR（数据终端准备好，输出）分别连接在一起，主要是因为PC机BIOS中的INT14H（串行通信程序）在接收和发送数据时，均要判别CTS和DSR是否有效。如果用户自己编制通信程序，采用判断收／发缓冲区是否满／空的办法来完成数据输入／输出，则可不必短接。

　　
　　顺便指出，IBM - PC及其兼容机串行口中的电平转换器通常有两种：老式原装机和长城0520机，采用7515075154。而一般的兼容机均用75188( MC1488)/75189 (MC1489)。1489中的每个接收门均有一个阈值电平控制端。当该脚开路或接一电容C至地时，其阈值电平VT =1. 1～1. 25 V，即当Vi≤1.1 V时，V。=1；V1≥1. 25 V时，V0=0。不难看出，这种电平与TTL电平具有兼容性。因此，图1- 32中1488和1489均可用普通TTL反相器代换，从而省去了土12 V电源。但要注意的是，替换1488的反相器最好用OC门，以便扩大电平范围和增加驱动电流；而替换1489的反相器输入端应加双向二极管电平箝位。此外，这种接法传送距离不宜太长，一般应在3m以内（标准RS - 232C电平传送距离可达15 m以上），距离过长，因两端地电位不一致以及噪声干扰会导致电平范围出错。
　　
　　上述做法虽然省去了士12 V电源，但只适合于使用MC1488/1489的PC机，且传送距离近。为了与标准RS - 232C电平兼容，又不用±12 V电源，可采用图1- 33所示的准RS -232C电平转换电路。图中虚线框内电路产生-7.0～-9.0 V的负电压。其工作原理是，由CMOS反相器F1和F2构成的多谐振荡器产生f=0.7 MHz的方波，经F3和F4双门驱动后，高电平时对Cl充电，低电平时，Cl反过来又对C2充电，从而在C2上产生一定的负电压。这里采用CMOS反相器，主要是为了降低其自身的功耗以及提高高电平电压。值得一提的是，如果8031的ALE脚负载不重，亦可直接利用它作为时钟源(1 MHz)，这时由Fi和F2构成的多谐振荡器就可省去了；不过C1和C2要适当加大些。

　　产生负电源还有一种既简单，又实用的方法，如图1- 34所示。如果将RTS引出，亦可产生正电压而代替图1- 33中的+5 V，这样可进一步扩大电平范
围。但要注意的是，图1- 34中正负电压是从信号中提取的，其驱动能力差，因此不宜带过重的负载。
　　
　　从图1- 33中可以看出，这种电平转换电路省去了±12 V电源，而且仅用2只廉价的三极管取代了较贵的1488／1489，因而大大降低了接口电路的成本，是一种非常实用的方法，特别是对于像前端控制机、单片机开发系统等提供土12 V电源有困难的系统。

二、波特率的选择
　　
　　波特率是串行通信中的一个关键参数。通信双方波特率的一致性直接影响数据传输的正确性。当误差太大时，甚至无法进行正常的传输。通常对于11位的串行帧（1位起始位+8位数据位+1位标志位+1位停止位），所允许的最大波特率误差应不超过4.5%。
　　
　　RS - 232C通信标准中，标称波特率有：50，110，150，300，600，1 200，2 400，4 800，9 600及19 200等。其中以1  200～9 600最为常用。IBM - PC的串行通信控制器采用的是In-te18250．其波特率是采用1.843 2 MHz专用时钟，由16位的除法器产生的，可以精确地定出各种标称波特率。而51单片机的波特率是采用系统时钟由定时器T，产生的。由于系统时钟一般为6.0 MHz或12.O MHz，有效位数少，而T．又是用的8位自动装入定时方式，因此，很难精确地定出各种标称波特率。当两台51单片机进行串行通信时，只要两机的系统时钟和定　　时常数一致，就能保证数据正确传输。这时的波特率只是反映传送的快慢，而不是非要达到多少精度。因为两机的波特率即使有误差，也只是系统时钟（晶体）上的误差。这种误差通常是很小的，可忽略不计；但当51单片机与IBM - PC进行串行通信时，这种误差就大了。以4800波特为例：
　　
　　对于PC机，除法器控制常数为：

　　
无误差。式中，B为波特率。
　　
　　对于51单片机，当系统时钟fosc=6 MHz时，定时常数为：

　　
　　因n必须为整数，四舍五入后n=253(FDH)；反过来，因取整得出的实际波特率为：
　　
　　波特率误差：

　　
　　比所允许的误差大，当然数据也就无法正确传输了。同理，不难证明，在1200-9600的标称波特率范围内，只有1 200是唯一可用的，其n=243(F3H)，x-96(0060H)。显然，对于那些想用高波特率传送数据的用户来说，这无形之中提出了一个难题。那么是否有办法解决这一难题呢？办法是有的，只是不能局限于几个标称波特率上。其算法如下：
　　
　　①假定51单片机上的一个定时常数n，一般n取值为F4H～FEH(波特率为1200～9600);

　　
　　大n值重复上述①～④步求出下一个可用波特率。
　　
　　根据上述算法，不难求出1 200～9 600的所有可用波特率(假定fosc=6.0 MHz)，如表1- 16所列。注意，如果使用表1- 16中的非标称波特率来进行通信，那么PC机程序就不能调用INT14H的功能0来初始化串行口波特率了，而只能采用下述子程序（以COMi为例），即直接往除法器送控制常数。

三、数据同步
　　
　　串行通信分同步和异步两种方式。尽管51单片机的串行口既可进行同步通信(方式0)，又可进行异步通信（方式1～3），但IBM - PC机的串行口只有异步方式。在异步串行通信中，波特率的一致性是数据位同步的保证，而帧同步只能靠DSR/DTR和RTS/CTS等异步通信控制信号了。遗憾的是，51单片机串行口没有这些控制信号。因此，当51单片机与IBM - PC进行串行通信时，虽然波特率选择一致，能保证单个字节传输正确，但无法保证大块数据传输正确。例如，当PC机往单片机每次单独传送一字节时，51单片机都能正确接收，但连续传送一批数据时，由于单片机比PC机的指令处理速度低，PC机发送一字节后，单片机可能还没取走，PC机就发出下一字节了。这样就会导致大量数据被丢失。由此可见，在PC机与51单片机的串行通信中，数据帧（1帧-10或11位）同步也是一关键问题，下面介绍两种同步方法。
　　
　　1．硬件方法
　　
　　在图1- 32的基础上，借助于8031 P。口的其他位来模拟各异步通信控制信号。其连接方法如图1- 35所示。这样利用RTS/CTS和DSR/DTR就可方便地完成异步双向串行数据传输了。如果PC机程序不是通过调用INT14H，而是通过自己设计的一个子程序来完成收／发数据的，那么只要使用两组信号中任意一组，即可完成异步传输，这样又可省去两根连线。
　　
　　通过8031外部扩展一个异步通信控制器8251，也是一种行之有效的方法，只是那样做以后，硬件成本提高，软件控制也变得复杂了。

　　2.软件方法
　　
　　一种很容易想到的软件方法就是“延时法”。例如，当PC机要往单片机发送一批数据时，每发一个字节，就延时一段时间，以便单片机能及时将刚收到的字节取走并处理完。这种做法的困难在于延时常数不好确定。一种改进方法就是，一方面发送方采取一定的延时，另一方面在发送一组（可以是一字节，也以可是若干字节）数据后，接收方应回答一个数据信号（不是控制信号！）。该信号既可表示接收到的数据正确与否，又可起同步作用。

四、多机通信

　　51单片机的串行口在方式2（波特率固定）和方式3（波特率可变）时具有多机通信功能。这为组成多机控制系统提供了方便。IBM - PC微机的软、硬件资源相当丰富，特别是它的汉字图形功能，为用户提供了一个非常友好的界面。因此，目前大多数分布式控制系统均采用51单片机作前端控制器，IBM - PC作后台主机。这种控制系统对通信接口提出了新的要求：首先，1台PC机要带n台51单片机控制器．故其发送数据总线(TxD)必须具有较强大的负载能力；其次，n台单片机要往PC机传输数据，必须解决数据总线(RxD)竞争问题；最后，这种控制系统的通信距离一般比较远，环境也比较差，因此通信接口必须具有较强的抗干扰能力。显然，标准的RS - 232C接口难以满足这些要求。为此，必须采用一种新的串行通信标准——RS - 422A。在这种标准中，所有信号均采用平衡式差分传输。MC3486/3487是最常用的一种RS - 422A电平转换器，利用它构成的典型多机控制系统如图1- 36所示。图中，线接收器MC3486的所有控制端均接+5 V，即一直使能。单片机端线驱动器MC3487的控制端接P1.0平时应为低，只有在与PC机联系上须传送数据时才置高。如果PC机巡查各单片机，就可保证数据总线不发生竞争。PC机的3487控制端接RTS，平时为低，一旦发送数据就为高。注意，MC3486/3487的输入／输出是TTL电平，因此图中加了4只二极管箝位。此外，如果PC机RS - 232C上用的不是1489而是75154，那么3487的输出信号必须经过一个RS一232C电平转换器，才能接到PC机的RxD端。这种接口电路在波特率不太高时，传输距离可达几公里，而且由于两机地线不连在一起，因此有一定的隔离作用。

　　在51单片机的串行口控制寄存器( SCON)中，有一个“地址监听”控制位SM2。当置SC2=1时，只有当接收到的串行数据的第9位RB8 =1时，才激发“接收数据有效”标志RI;而PC机发送数据时，可通过程序设置第9位奇校验(1)或偶校验(0)。利用这两点，对于图1- 36所示的多机系统．PC机就可方便地与N台单片机进行数据通信。假设PC机要从所有控制单片机巡回取一批数据，这时51单片机和PC机的程序框图如图1- 37所示。图中，PC机必须将串行数据格式设置成8个数据位+1位停止位，当附加奇校验位时，其控制常数（送3BFH寄存器）为2BH，偶校验则为3BH。发送数据时，如不调用INT14H，则要注意将RTS置成1，以便打开3487。由于是单片机往PC机传送大块数据，后者的处理速度高得多，因此不必采取帧同步措施；但为避免数据传输出错，可增加检错、纠错功能。

　　
　　本节中介绍的方法均已在“长途电话台记账号查询系统”、“分布式粮仓温湿度巡测系统”、“51单片机开发系统”和“远距离驱动器”中得到了实际应用。其效果良好，值得推广。