基于C8051F020的通用串口適配器的設(shè)計(jì)

串行通信的廣泛應(yīng)用可使各種傳輸設(shè)備有機(jī)地連成一體，能夠安全可靠地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和信息傳遞。但是由于各個(gè)設(shè)備傳輸信道上的信號不同，所應(yīng)用的串口也各種各樣，要完成眾多設(shè)備相互之間的通信，就必然要涉及到各個(gè)設(shè)備之間的串口轉(zhuǎn)換問題。

為了使計(jì)算機(jī)的RS-232接口與各種不同的串口進(jìn)行通信，從而測試或控制不同設(shè)備的工作狀態(tài)，本文設(shè)計(jì)了一種通用串口適配器，適配器有4個(gè)對外接口，其中，1口連接控制計(jì)算機(jī)，2、3、4口連接不同標(biāo)準(zhǔn)串口的通信設(shè)備，如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對適配器的自動(dòng)控制以及擴(kuò)展其他接口，采用了C8051F020單片機(jī)。適配器選用了C8051F020微處理器、MAX4534電子模擬開關(guān)、MAX232電平轉(zhuǎn)換器以及RS-485／RS-422信號轉(zhuǎn)換器MAX491等。

整個(gè)系統(tǒng)以C8051F020為核心，原理框圖如圖2所示。通過串口1控制從上位機(jī)串口發(fā)送的數(shù)據(jù)的接收、存儲(chǔ)和判別，然后通過串口2控制電子模擬開關(guān)，使其內(nèi)部的模擬開關(guān)接通相應(yīng)的串口，最后實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與各個(gè)串口的通信。

2.1 與上位機(jī)通信電路

C8051F020引腳的信號電平為TTL類型，而PC機(jī)串口的異步串行通信基于RS-232標(biāo)準(zhǔn)。兩者通信信號的邏輯電平不一致，必須進(jìn)行信號電平轉(zhuǎn)換。因此，選用Maxim公司的MAX232實(shí)現(xiàn)TTL電平與RS-232電平的雙向轉(zhuǎn)換。

MAX232包含兩路接收和驅(qū)動(dòng)器，適用于各種EIA-232C和V.28／V.24的通信接口。該器件內(nèi)置一個(gè)電源電壓轉(zhuǎn)換器，可將5 V電壓轉(zhuǎn)換成RS-232C輸出電平所需的10 V電壓。所以，采用此器件的串行通信系統(tǒng)只需單一的+5 V電源。

串口通信的RS-232通信距離以不超過12 m為宜。接口采用9針串口DB9，串口傳輸數(shù)據(jù)只要有接收數(shù)據(jù)引腳和發(fā)送引腳就可實(shí)現(xiàn)。 2.2 模擬開關(guān)控制電路

該控制電路主要由MAX4534(一對四)完成。地址端A0和A1與單片機(jī)I／O端口相連，開關(guān)1、2、3、4分別與各測試設(shè)備的串口相連，MAX4534的內(nèi)部連接邏輯如圖3所示。

當(dāng)上位機(jī)實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的握手后，若與RS-422口通信。則需先發(fā)送一個(gè)檢測信號TEST，該信號經(jīng)MAX232電平轉(zhuǎn)換后，送至單片機(jī)C8051F020，單片機(jī)接收到信號后，通過其I／O端口P6.0和P6.1的輸出狀態(tài)分別控制開關(guān)MAX4534的地址端A0和A1。若A0和A1均為0，則接通開關(guān)NO1，如表1所示，使檢測電路的MAX491接收端處于導(dǎo)通狀態(tài)，從而形成通路。此時(shí)單片機(jī)回發(fā)一個(gè)通路信號給上位機(jī)，當(dāng)上位機(jī)接收到通路信號后，MCU的串口TXD端就可自由發(fā)送數(shù)據(jù)，從設(shè)備發(fā)來的回應(yīng)信號也可以被MCU正常接收，從而完成整個(gè)通信過程.

2.3 RS-232(TTL電平)接口電路設(shè)計(jì)

因?yàn)閺膯纹瑱C(jī)引腳出來的信號為TTL電平，所以TTL電平的RS-232接口無需進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，可以直接通過模擬開關(guān)MAX4534與串口相連。

對于五線RS-232接口，由于C8051F020串口只有兩根線連接RXD和TXD，RTS和CTS通過其兩個(gè)I／O口實(shí)現(xiàn)。

2.4 RS-422接口的轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

RS-232串行接口屬于個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)及電信應(yīng)用領(lǐng)域中最為成功的串行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)；而RS-422串行接口則是工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中最為成功的串行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。上述這些數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)并不直接相互兼容。RS-422標(biāo)準(zhǔn)全稱為"平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性"，它定義了接口電路的特性，與RS-232不同，RS-422數(shù)據(jù)信號采用差分傳輸方式，也稱作平衡傳輸，它使用一對兒雙絞線，將其中一條線路定義為A，另一條線路定義為B。通常情況下，發(fā)送驅(qū)動(dòng)器A、B之間的正電平為+2 V～+6 V，是一個(gè)邏輯狀態(tài)；負(fù)電平為-2 V～-6 V。RS-422的最大傳輸距離為4000英尺(約1 219 m)，最大傳輸速率為10 Mb／s，最多可接10個(gè)節(jié)點(diǎn)，具有單獨(dú)的發(fā)送和接收通道，故無需控制數(shù)據(jù)方向。

RS-232與RS-422之間的電平轉(zhuǎn)換由Maxim公司的差分平衡型收發(fā)器MAX491實(shí)現(xiàn)，它適用于RS-422／RS-485通信標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)部包含1個(gè)發(fā)送驅(qū)動(dòng)器和1個(gè)接收器。RE為接收器輸入允許端，接地；DE為驅(qū)動(dòng)器輸出允許端，接+5 V電壓。單片機(jī)控制信號使MAX491接收端自動(dòng)禁能，以免整個(gè)有線通信環(huán)路形成正反饋造成自激，而MAX491發(fā)送端則自由導(dǎo)通，控制信號正常傳輸。

3 軟件編程

軟件程序主要包括上位機(jī)可視化界面程序和單片機(jī)與PC串口通信程序。單片機(jī)采用C51語言編程，上位機(jī)的操作界面程序采用C++Builder進(jìn)行可視化編程。

3.1 上位機(jī)可視化界面編程

以C++Builder為開發(fā)工具，利用串行通信控件MSComm進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)對單片機(jī)的控制。本通信系統(tǒng)中規(guī)定的字符格式為：每一幀的數(shù)據(jù)占10位，其中，1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無奇偶校驗(yàn)位。中間的8位數(shù)據(jù)位即為有效的通信傳輸字節(jié)。為了增強(qiáng)通信的可靠性、減少通信的誤碼率，雙方的波特率設(shè)置為4 800 b／s，以較低速度進(jìn)行通信。軟件握手協(xié)議規(guī)定如下：PC機(jī)發(fā)送握手信號0xFF給單片機(jī)，單片機(jī)接收到的上位機(jī)數(shù)據(jù)若為握手信號0xFF，則回送一個(gè)正確信號060606給PC機(jī)，表示握手成功，PC機(jī)即可發(fā)送數(shù)據(jù)包，單片機(jī)經(jīng)校驗(yàn)正確后將該數(shù)據(jù)包直接存儲(chǔ)接收，并從中分解有效的數(shù)據(jù)信息；若單片機(jī)接收到的上位機(jī)數(shù)據(jù)不是握手信號，則回送一個(gè)錯(cuò)誤信號151515，并繼續(xù)等待。人機(jī)界面如圖4所示。

進(jìn)入控制界面后，首先根據(jù)上位機(jī)與單片機(jī)的通訊協(xié)議，選擇串口號、通訊波特率、奇偶校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位以及停止位。當(dāng)上位機(jī)在界面的接口選項(xiàng)中點(diǎn)擊要通信的串口時(shí)，就會(huì)觸發(fā)一個(gè)傳輸信號給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)協(xié)議控制電子模擬開關(guān)接通相應(yīng)的串口電路，同時(shí)回發(fā)一個(gè)通路信號給上位機(jī)，從而使界面上的串口指示呈綠色狀態(tài)，表明通信電路已接通，可以發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。上位機(jī)通信流程如圖5所示。

3.2 單片機(jī)與PC串口通信編程

在本設(shè)計(jì)中主要用到單片機(jī)的定時(shí)器、I／O端口、UART、優(yōu)先權(quán)交叉開關(guān)、中斷設(shè)置、時(shí)鐘信號、寄存器、D／A和A／D等。定義C8051F020的UART0與計(jì)算機(jī)連接，UART1與各串口相連。首先優(yōu)先權(quán)交叉開關(guān)譯碼器將交叉開關(guān)端口P0～P3的引腳分配給UART0、UART1、INT0和INT1。

設(shè)置XBARE=1，使能交叉開關(guān)。UART0有最高優(yōu)先權(quán)，P0.0分配給TX0，P0.1分配給RX0。其次是UART1，P0.2被分配給TX1，P0.3分配給RX1。P0.4分配給INT0。由于外部存儲(chǔ)器接口選在低端口(EMIFLE=1)，所以交叉開關(guān)跳過P0.6(RD)和P0.7(WR)。由于外部存儲(chǔ)器接口配置為復(fù)用方式，所以交叉開關(guān)也跳過P0.5(ALE)。下一個(gè)未跳過的引腳P1.0分配給INT1。將外部存儲(chǔ)器接口配置為復(fù)用方式并使用低端口，將P1.2、P1.3和P1.4配置為模擬輸入，以便用ADC1測量施加在這些引腳上的電壓。

當(dāng)交叉開關(guān)配置寄存器XBR0、XBR1和XBR2中外設(shè)的對應(yīng)使能位被設(shè)置為邏輯'1'時(shí)，交叉開關(guān)將端口引腳分配給外設(shè)。將UART0的TX引腳(TX0，P0.0)、UART1的TX引腳(TX1，P0.2)、ALE、RD、WR(P0.[7：3])的輸出設(shè)置為推挽方式，通過設(shè)置P0MDOUT=0xE5實(shí)現(xiàn)。通過設(shè)置P2MDOUT=0xFF、P3MDOUT=0xFF和P6MDOUT=0xFF將EMIF端口(P2、P3，P6)的輸出方式配置為推挽方式。單片機(jī)通信主程序流程如圖6所示。

4 結(jié)束語

在對核心器件C8051F020編程和對硬件板調(diào)試時(shí)采用Cygnal IDE Cygnal集成開發(fā)環(huán)境軟件。Cygnal集成開發(fā)環(huán)境采用標(biāo)準(zhǔn)的Windows95／98／NT／2000作為界面，利用PC機(jī)的串行口和目標(biāo)板的JTAG接口實(shí)現(xiàn)IDE與目標(biāo)系統(tǒng)中的單片機(jī)通信(每套開發(fā)系統(tǒng)都有RS-232至JTAG協(xié)議轉(zhuǎn)換所需的串行適配器)，與目標(biāo)系統(tǒng)連接后可進(jìn)行非插入式、全速在線調(diào)試和在系統(tǒng)內(nèi)編程。

此外，該串口適配器很容易擴(kuò)展其他的接口，可用I／O口接數(shù)字接口，也可以通過單片機(jī)的A／D和D／A接模擬信號接口。若外圍接口過多，則可以合并為一個(gè)或幾個(gè)接口，只需在電路中加繼電器(繼電器由單片機(jī)的I／O控制)進(jìn)行輸出切換即可。