PIC16系列單片機與PC機串行通信的軟硬件實現
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1 前言
美國Microchip公司的PIC16系列單片機是一種新型的CMOS工藝的8位單片機。其中，PIC16FXX單片機的程序存儲器為電可擦除閃速存儲器（flash），可多次修改程序，甚至可以在線編程。PIC16F83和PIC16F84片內數據存儲器除RAM外，還有64字節(jié)的EEPROM，可以當作一般的或非易失性的數據存儲器使用，簡單方便。它還具有片內上電復位、延時電路、看門狗電路等。另外，PIC16系列單片機功耗極低，因而是一種非常適合在各種便攜式設備中使用的高性價比的單片機，并已經得到了越來越廣泛的應用。
但是在許多需要大量計算的運用中，還必須借助微機的強大數據處理能力。這樣必須通過通信電路實現PIC單片機與微機間的可靠數據傳輸。有的PIC16單片機內并沒有提供串行口，所以串行通信必須通過自己設計的硬件電路和通信軟件來實現。
下面介紹用查詢法實現異步串行通訊的方法。同時給出了用PIC16F84單片機的兩個I/O口模擬2線串行口的硬件接口電路、程序流程框圖、單片機內通信程序以及微機內的通信程序等。
2 硬件實現方法與電路
PIC16F84單片機的程序存儲器由1K×14的閃速（flash）存儲器構成，它只有13條I/O口，1個定時器，為了盡量節(jié)省單片機的軟硬件資源，采用下述異步串行通信的實現方法。
如圖1所示，PIC16F84在4MHz時鐘下，采用半雙工方式，可實現9600波特率的異步串行數據通信，1位停止位，8位數據位，無校驗位。接收和發(fā)送以低位在先（一般模式），采用軟件延時。為節(jié)省篇幅，單片機內的通信程序中未提供任何握手協(xié)議，用戶可根據自己的需要在軟件中加入握手方式。
由于PIC16F84單片機本身沒有專門的串行口，這里用其I/O口來模擬串行口的功能。
PC機的串行接口是符合EIA RS-232C規(guī)范的外部總線標準接口。RS-232C采用的是負邏輯，即邏輯“1”：－5V至－15V；邏輯“0”：+5V至+15V。而CMOS電平為：邏輯“1”：4.99V，邏輯“0”：0.01V；TTL電平的邏輯“1”和“0”則分別為2.4V和0.4V。因此在用RS-232C總線進行串行通信時需外接電路實現電平轉換。在發(fā)送端用驅動器將TTL或CMOS電平轉換為RS-232C電平，在接收端用接收器將RS—232C電平再轉換為TTL或CMOS電平。
這里選用了MAXIM公司的MAX202E來作電平轉換。MAX202E屬于MAXIM公司的通用串行接收/發(fā)送驅動器芯片。其外圍電路簡單，只需外接四個0.1μF的電容即可，如圖1所示。
圖1 接口原理圖
3 PIC16F84單片機內通信程序的設計
圖2 接收子程序框圖 圖3發(fā)送子程序框圖
圖2和圖3分別是串行發(fā)送和接收的子程序流程框圖。發(fā)送時，通過使數據發(fā)送端DX為低電平并保持B秒（9600波特率時為104μs）來發(fā)送起始位。隨后每B秒鐘通過置位或清零DX端把數據發(fā)送出去。這里的B是指一位所持續(xù)的時間（B=1/波特率）。接收時，數據接收端DR大約要每B/2秒（9600波特率時為52μs）查詢一次以檢測起始位，如果檢測到起始位，則在大約1.5B秒（9600波特率時為156μs）后檢測第一位數據位，隨后每B秒鐘檢測一次其它的數據位。
相應的源程序如下：
；接收子程序
Rcvr
clrwdt
；清片內看門狗
；定時器
btfsc
RA，DR ；檢測起始位
goto
Rcvr ；未檢測到起始位
movlw
8 ；檢測到起始位
movwf
R_CNT ；8位數據位
Rnext
call
Delay ；延時B/2秒
bcf
STATUS,C ；清進位標志
rrf
RevReg ；LSB在先
btfsc
RA,DR ；該位為0
；還是為1
bsf
RcvReg，MSB ；為1
call
Delay ；延時B/2秒
decfsz
R_CNT
goto
Rnext
retlw0
；返回
；發(fā)送子程序
Xmtr
clrwdt
；清片內看門狗
；定時器
movlw
8 ；發(fā)送位數為8
movwf
X_CNT
bcf
RA，DX ；發(fā)送起始位
Xnext
call
Delay ；延時B/2秒
call
Delay ；延時B/2秒
rrf
XmtReg ；LSB在先
btfsc
STATUS,C ；檢測將要發(fā)送
；的數據位
bsf
RA,DX ；數據位為1
btfss
STATUS，C
bcf
RA，DX ；數據位為0
decfsz
X_CNT ；位計數為0則
；發(fā)停止位
goto
Xnext ；位計數不為0
；則發(fā)下一位數據位
Xstop
call
Delay ；延時B/2秒
call
Delay ；延時B/2秒
Bsf
RA,DX ；發(fā)送停止位
Retlw
0 ；返回
；延時子程序
Delay
movlw
12 ；52μS延時
movwf
DCNT ；
Dnext
decfsz
DCNT
goto
Dnext ；
retlw 0
；
4 Win95的串行通信機制及串口查詢法的原理
常用的DOS系統(tǒng)主要是工作在響應中斷方式。PC機串行通信程序大多利用其BIOS塊的INT14H中斷，以查詢串口的方式完成異步串行通信。
Windows系統(tǒng)函數即包含了通信支持中斷功能。Win95系統(tǒng)為每個通信設備開辟了用戶定義的輸入輸出緩沖區(qū)（即讀/寫緩沖區(qū)），數據進出通信口均由系統(tǒng)后臺來完成。應用程序只需完成對輸入輸出緩沖區(qū)操作就可以了。實際過程是每接收一個字符就產生一個低級硬件中斷，Win95系統(tǒng)中的串行驅動程序就取得了控制權，并將接收到的字符放入輸入數據緩沖區(qū)。然后將控制權返還正在運行的應用程序。如果輸入緩沖區(qū)數據已滿，串行驅動程序用當前定義的流控制機制通知發(fā)送方停止發(fā)送數據。隊列中的數據按“先進先出”的次序處理。
(1) 按協(xié)議的設置初始化并打開串口，這樣做就是通知Windows本應用程序需要這個串口，并封鎖其他應用程序使它們不能使用此串口。
(2) 配置這個串口。
(3) 在串口上往返地傳輸數據，并在傳輸過程中進行校驗。
(4) 不需要此串口時，關閉串口。即釋放串口以供其它應用程序使用。
在這四個步驟中，主要的程序代碼集中在第（3）步。
串口查詢法是一種主要工作在查詢方式下的實現方法。當通信程序工作在“查詢”方式時，可以不考慮Win95的進程和線程的問題。僅在串口有數據時，去讀串口緩沖區(qū)就可以了，如圖4所示。這種方法下確定串口讀取的時機、握手協(xié)議及軟件糾錯的實現是程序員應考慮的主要問題。
圖4 讀取接收緩沖區(qū)數據流程圖
圖5 串口初始化流程
由于這種方法主要工作在查詢方式。程序員必須完成相當一部分通信狀態(tài)的檢測工作，許多細節(jié)（甚至包括通信過程中的字符屬性的轉換）也必須通過程序代碼完成。這種查詢方法對通信雙方協(xié)議的依賴性尤其大。雙方通信協(xié)議的約定對程序實現的難易程度影響很大。
串口查詢法中，一般串口初始化的流程如圖5。
值得注意的一點是，此方法下協(xié)議的約定必須滿足以下條件：即甲方發(fā)送時，乙方必須在甲方發(fā)送動作之前進入循環(huán)接收狀態(tài)，直到接收到字符后通過對串口讀取函數ReadFile返回值的判斷跳出循環(huán)狀態(tài)。
同時，一般為了不使系統(tǒng)因循環(huán)等待接收而進入“死循環(huán)”狀態(tài)，可以人為設置讀取串口的循環(huán)次數，一般1000～10000次即可。
本程序的實現平臺是VB4，這是一種極為靈活的高級語言，它可以方便地引入匯編語言的思維，利用其GoTo轉向語句方便地控制程序的流程，靈活方便。
5 PC機內通信程序的實例
現約定甲方是PC機，乙方是單片機系統(tǒng)（如讀卡器）。通信格式設置為2400波特率，8位數據位，1位停止位，無奇偶校驗。
下面是一個約定好通訊協(xié)議的程序實例，協(xié)議流程如圖6所示。
以下是甲方（PC機）的幾個子函數的程序實例。
圖6 通信協(xié)議流程
Private Function OpenThePort（cPort as String，cBaud as String，cParity
as String，cData as String，tStops asString）As Boolean ’ 打開串口的子過程
Dim lResult as Long
Dim lHandle as Long
Dim DCB_COMM as DCB
Dim cDCBConfig as String
lHandle = CreateFile（cPort，GENERIC_READ Or GENERIC_WRITE，
0，0，OPEN_EXISTING，0，0）
If lHandle = -1 Then ’打開串口失敗
OpenThePort = False
MsgBox “串口可能正被其他應用程序占用！”
lResult = CloseHandle（lHandle） ’先關閉串口后再打開
If lResult = 0 Then
OpenThePort
Exit Function
End If
End If
cDCBConfig.band = 2400 ’設置DCB
cDCBConfig.parity = None
cDCBConfig.data = 8
cDCBConfig.stop = 1
lResult = BuildCommDCB（cDCBConfig，DCB_COMM） ’按用戶設定配置一個DCB結構
If lResult = 0 Then
OpenThePort = False
MsgBox “無法建立DCB設備控制塊”
Exit Function
End If
lResult = SetCommState（lHandle，DCB_Comm） ’實際設置一個串口的DCB
If lResult = 0 Then
OpenThePort = False
MsgBox “無法建立DCB設備控制塊”
Exit Function
End If
OpenThePort = True
End Function
Private Sub SendHand ( ) ’發(fā)送握手信號的子過程
Dim Nchars As Long
Static Readbuff As String * 1
Static Writebuff As String * 1
Dim lpDCB As DCB
Dim lRet As Long
Dim lHandle As Long
Dim lpOverlapped As OVERLAPPED
Dim RNum As Integer
MsgBox “請把讀卡器插在串口2上！”，
48，“提示窗口”
lHandle = OpenThePort（COMM1,2400,None,8,1）
lRet = PurgeComm( lHandle，1 ) ’清輸出緩沖區(qū)
lRet = PurgeComm( lHandle，0 ) ’清輸入緩沖區(qū)
lRet = GetCommState ( lHandle，lpDCB ) ’獲得通訊口的狀態(tài)
Shand：
Writebuff＄= Chr＄(H8F)
lRet = WriteFile (lHandle,Writebuff＄,1,Nchars,lpOverlapped )
’送握手信號入串口緩沖區(qū)
If lRet = 0 Then
MsgBox “發(fā)送操作出錯，卡握手信號未發(fā)送成功”， 16
GoTo Shand ’不成功則重發(fā)
Else
GoTo Qtest
End If
GoTo Shand
Qtest：
Readbuff$ =“ ” ’清除緩沖區(qū)為空
Do While lHandle ’循環(huán)查詢串口
RNum = 0 ’設置讀串口次數的指針為0
ReadAgain：
lRet = ReadFile( lHandle， Readbuff＄，1，Nchars，lpOverlapped )
If lRet 0 Then
MsgBox “讀取應答信號時出錯”， 16
End If
If lRet = 0 Then
If RNum > 1000 Then ’只讀1000次串口，以免陷入死循環(huán)
MsgBox
"卡沒有插接好或卡沒有接在串口上!"
GoTo CloseP
End If
RNum = RNum + 1
GoTo ReadAgain
End If
If Hex＄(Asc(Readbuff)) > Hex＄(HFF) Then GoTo Shand
’回送碼不正確則返回繼續(xù)發(fā)送握手信號
Else
Label1.Caption = “握手信號是：”
＋Hex＄(Asc(Readbuff＄))
Msgbox “握手信號正確，已正確聯(lián)機”
GoTo CloseP
End If
Loop
CloseP：lRet = CloseHandle( lHandle )
If lRet = 0 Then
MsgBox “串行通訊口關閉成功”，
48，“提示窗口”
End If
End Sub
這里要注意的是：當PC機與單片機系統(tǒng)通信時，單片機數據存儲區(qū)( RAM )內的數據是十六進制，在信號線上傳輸的是十六進制數的ASCII碼的二進制形式；而Windows系統(tǒng)下使用的是ANSI碼，ANSI碼僅在前126個與ASCII碼相同。即在Win95下接收到的是十六進制數的ASCII碼的字符串，可先轉換為ANSI碼后再在Win95下還原為十六進制數。
具體為：Code$=Hex＄(Asc ( Readbuff$ ) )
另外，由于32位API函數參數的數據類型的變化，所有整形參數都被換為長整型（Long）以支持32位的處理，這一點在設置返回值時尤其如此。
6 結束語
以上的軟硬件在我們的實踐中達到了較為理想的效果。通過軟件節(jié)省了硬件的開銷，并通過在PIC16F84單片機系統(tǒng)和PC機雙方的通信軟件內增加握手信號，達到了軟件數據校驗的目的，獲得了較高的通信可靠性。
參 考 文 獻
1 MICROCHIP CO. PIC16/17 MICROCO-NTROLLER DATA BOOK. 1995/1996
2 李東星等. PIC16CXX系列單片機應用設計. 高奇電子科技公司，1996.10
3 美 Darwin Boyle等. Visual Basic 4 Developer’s Guide. 北京：機械工
業(yè)出版社，1997.
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