PC機如何實現(xiàn)與單片機間串行通信

* PC機與單片機間串行通信的實現(xiàn)
* 設(shè)計方案的介紹
* 硬件設(shè)計
* 軟件設(shè)計
解決方案：
* 有線傳輸
* 無線傳輸
* 采用CCll00收發(fā)器通過串口實現(xiàn)PC機與單片機之間的雙工無線通信

單片微型計算機簡稱單片機，它是將中央處理器(CPU)、存儲器(RAM，ROM)、定時／計數(shù)器和各種接口電路都集成到一塊集成電路芯片上的微型計算機。隨著計算機技術(shù)尤其是單片機技術(shù)的發(fā)展，人們已越來越多地采用單片機來對一些工業(yè)控制系統(tǒng)中如溫度、濕度等參數(shù)進行檢測和控制。PC機具有強大的監(jiān)控和管理功能，而單片機則具有快速及靈活的控制特點，通過PC機的RS 232串行接口與外部設(shè)備進行通信，是許多測控系統(tǒng)中常用的一種通信解決方案。因此如何實現(xiàn)PC機與單片機之間的通信具有非常重要的現(xiàn)實意義。針對一些遠距離控制或者是危險性比較高的數(shù)據(jù)采集和控制的應(yīng)用情況，本文主要介紹一種用雙工方式實現(xiàn)PC機與單片機之間的串行通信。
　　
1 設(shè)計方案
　　
為了通過串口實現(xiàn)PC機與單片機間的雙工通信，可有如下設(shè)計方案。
　　
(1)設(shè)計方案一：有線傳輸
　　
此方案是指PC機與單片機之間通過電纜線傳輸數(shù)據(jù)。有線傳輸?shù)膬?yōu)勢是性能比較穩(wěn)定，調(diào)試簡單，而不足之處在于它的應(yīng)用范圍不夠廣、性能不夠好，而且傳輸距離受限，這樣就大大影響了系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。
　　
(2)設(shè)計方案二：無線傳輸
　　
此方案是指PC機與單片機通過無線信道傳輸數(shù)據(jù)。無線傳輸?shù)淖畲髢?yōu)勢是應(yīng)用范圍廣，受距離約束較小，在一定范圍內(nèi)可以不用考慮距離問題，還可以應(yīng)用在一些高溫、危險的場合。
　　
因此，本文選用無線傳輸方案通過串口來實現(xiàn)PC機與單片機之間的雙工通信。無線傳輸可以用不同的方式來實現(xiàn)，常用的有紅外方式、藍牙方式，其他的還有射頻收發(fā)芯片如CC1100，PT2262／2272芯片等。
　　
紅外通信是利用950 nm近紅外波段的紅外線作為傳遞信息的載體，通過紅外光在空中的傳播來傳遞信息，由紅外發(fā)射器和接收器實現(xiàn)。發(fā)射端將二進制數(shù)字信號調(diào)制成某一頻率的脈沖序列，經(jīng)電光轉(zhuǎn)換電路，驅(qū)動紅外發(fā)射管以光脈沖的形式發(fā)送到空中。接收端將接收到的光脈沖轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)解調(diào)和譯碼后恢復(fù)出原二進制數(shù)字信號。其最大優(yōu)點是：不易被人發(fā)現(xiàn)和截獲，保密性強；幾乎不會受到電氣、天電、人為干擾，抗干擾性強。此外，紅外線通信機體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉。不足之處在于它必須在視距內(nèi)通信，且傳播受天氣的影響。
　　
CCll00是一種低成本真正單片的UHF收發(fā)器，為低功耗無線應(yīng)用而設(shè)計。CCll00構(gòu)建高性能射頻無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)方案應(yīng)用無線通訊模塊采用透明模式進行通訊，即所收即所發(fā)，具有通訊距離遠、低功耗、接口靈活等優(yōu)點，使用者無需編碼和控制。CCll00通信距離(視距)大于300 m，而且能隔墻遙控，操作方便。
　　
綜合上述分析，本文介紹的是采用CCll00收發(fā)器通過串口來實現(xiàn)PC機與單片機之間的雙工無線通信。
　　
2 硬件設(shè)計
　　
2．1 總體框圖
　　
此雙工無線通信系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。由于此系統(tǒng)可實現(xiàn)雙工通信，因此它可分為兩個通信過程：PC機(上位機)通過上位機程序界面發(fā)送數(shù)據(jù)給單片機，并送給液晶屏顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)；鍵盤輸入數(shù)據(jù)傳給單片機，接著發(fā)送給PC機，并在PC機上位機程序界面上顯示出來。

2．2 實現(xiàn)電路圖
　　
對應(yīng)于上述框圖的電路實物圖如圖2所示。其左右兩個電路分別對應(yīng)上述框圖中的左右兩個部分。總體來說，它包括電平轉(zhuǎn)換電路、單片機處理部分、無線收發(fā)部分(CCll00收發(fā)器)、液晶顯示模塊和鍵盤輸入模塊五個部分。

　　
(1)電平轉(zhuǎn)換電路
　　
PC機的串行口采用的是標準的RS 232接口，單片機的串行口電平是FTL電平，而TTL電平特性與RS 232的電氣特性不匹配，因此為了使單片機的串行口能與RS 232接口通信，必須將串行口的輸入／輸出電平進行轉(zhuǎn)換。通常用MAX232芯片來完成電平轉(zhuǎn)換。
　　
(2)單片機部分
　　
單片機部分包括單片機、復(fù)位電路和時鐘電路。它將串口送過來的數(shù)據(jù)傳輸給CC1100收發(fā)器，或者將CCll00收發(fā)器傳送過來的數(shù)據(jù)通過串口給PC機。單片機的復(fù)位電路和時鐘電路是單片機工作所必需的。
　　
(3)無線收發(fā)部分
　　
無線收發(fā)部分由CC1100收發(fā)器組成，它將接收到的數(shù)據(jù)通過天線發(fā)射出去或從天線接收發(fā)送過來的數(shù)據(jù)。
　　
(4)液晶顯示模塊
　　
此處選用LCDl602液晶模塊，其內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器已經(jīng)存儲了160個不同的點陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯數(shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼。
　　
(5)鍵盤輸入模塊
　　
在鍵盤中按鍵數(shù)量較多時，為了減少I／O口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形式。在矩陣式鍵盤中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過一個按鍵加以連接。這樣，一個端口(如P1口)就可以構(gòu)成4×4=16個按鍵，比之直接將端口用于鍵盤多出了一倍。由此可見，在需要的鍵數(shù)比較多時，采用矩陣法來做鍵盤是比較好的。矩陣式鍵盤的按鍵識別方法為行掃描法。此處選用4×4的矩陣鍵盤來輸入O～9的數(shù)字和a～f的字母。

3 軟件設(shè)計
　　
本系統(tǒng)的軟件設(shè)計方面包括上位機程序和單片機程序的設(shè)計。上位機程序要實現(xiàn)的功能是在電腦上顯示一個操作界面，它可代替串口調(diào)試工具。
　　
3．1 上位機程序
　　
上位機程序可以用VB，VC++等語言來編程，但本方案采用比較方便的C#來編程實現(xiàn)，其流程圖如圖3所示。

2．2 實現(xiàn)電路圖
　　
對應(yīng)于上述框圖的電路實物圖如圖2所示。其左右兩個電路分別對應(yīng)上述框圖中的左右兩個部分?？傮w來說，它包括電平轉(zhuǎn)換電路、單片機處理部分、無線收發(fā)部分(CCll00收發(fā)器)、液晶顯示模塊和鍵盤輸入模塊五個部分。

　　
(1)電平轉(zhuǎn)換電路
　　
PC機的串行口采用的是標準的RS 232接口，單片機的串行口電平是FTL電平，而TTL電平特性與RS 232的電氣特性不匹配，因此為了使單片機的串行口能與RS 232接口通信，必須將串行口的輸入／輸出電平進行轉(zhuǎn)換。通常用MAX232芯片來完成電平轉(zhuǎn)換。
　　
(2)單片機部分
　　
單片機部分包括單片機、復(fù)位電路和時鐘電路。它將串口送過來的數(shù)據(jù)傳輸給CC1100收發(fā)器，或者將CCll00收發(fā)器傳送過來的數(shù)據(jù)通過串口給PC機。單片機的復(fù)位電路和時鐘電路是單片機工作所必需的。
　　
(3)無線收發(fā)部分
　　
無線收發(fā)部分由CC1100收發(fā)器組成，它將接收到的數(shù)據(jù)通過天線發(fā)射出去或從天線接收發(fā)送過來的數(shù)據(jù)。
　　
(4)液晶顯示模塊
　　
此處選用LCDl602液晶模塊，其內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器已經(jīng)存儲了160個不同的點陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯數(shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼。
　　
(5)鍵盤輸入模塊
　　
在鍵盤中按鍵數(shù)量較多時，為了減少I／O口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形式。在矩陣式鍵盤中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過一個按鍵加以連接。這樣，一個端口(如P1口)就可以構(gòu)成4×4=16個按鍵，比之直接將端口用于鍵盤多出了一倍。由此可見，在需要的鍵數(shù)比較多時，采用矩陣法來做鍵盤是比較好的。矩陣式鍵盤的按鍵識別方法為行掃描法。此處選用4×4的矩陣鍵盤來輸入O～9的數(shù)字和a～f的字母。

3 軟件設(shè)計
　　
本系統(tǒng)的軟件設(shè)計方面包括上位機程序和單片機程序的設(shè)計。上位機程序要實現(xiàn)的功能是在電腦上顯示一個操作界面，它可代替串口調(diào)試工具。
　　
3．1 上位機程序
　　
上位機程序可以用VB，VC++等語言來編程，但本方案采用比較方便的C#來編程實現(xiàn)，其流程圖如圖3所示。

3．2 單片機程序
　　
單片機程序主要包括主程序、單片機發(fā)送子程序、單片機接收子程序、液晶顯示子程序、鍵盤輸入子程序五部分，均采用C語言進行模塊化編程。由于篇幅原因，下面只給出了單片機發(fā)送子程序和接收子程序，如圖4，圖5所示。

　　
4 測試結(jié)果
　　
測試時，連接好硬件打開串行口COM1，并設(shè)波特率為9 600 b／s。單片機發(fā)送字符串“675”給PC機，其液晶顯示如圖6所示，相應(yīng)的PC機界面顯示如圖7所示。PC機發(fā)送"69asd"給單片機，液晶屏上即可接收到“69asd"，如圖8，圖9所示。測試結(jié)果說明：基于串行口的PC機與單片機之間的雙工無線通信是切實可行的，而且無線傳輸?shù)木嚯x至少可達到100 m。

　　
5 結(jié)語
　　
采用CCll00收發(fā)器通過串口實現(xiàn)了PC機與單片機之間的雙工無線通信。此系統(tǒng)可應(yīng)用到一些遠距離控制或者是危險性比較高的數(shù)據(jù)采集和控制的場合，用于采集溫度、濕度等參數(shù)，還可擴展到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，實現(xiàn)諸如無線抄表、智能家居等系統(tǒng)。