如何實現(電腦)PC機與單片機AT89C51的串行通信

在Windows95下使用串口API函數實現PC機與單片機AT89C51的串口通信，重點介紹計算機采用事件驅動I/O方式的函數編程及單片機串口中斷發送、接收程序的實現。
　　關鍵詞：Windows95　單片機AT89C51　RS-232接口　RS-485接口　串行通信
　　在以單片機為基礎的數據采集和實時控制系統中，通過計算機中的RS-232接口進行計算機與單片機之間的命令和數據傳送，就可以利用計算機對生產現場進行監測和控制。由于計算機上的RS-232所傳送的距離不超過30m，所以，在遠距離的數據傳送和控制時，可以用MAX485的接口轉換芯片將RS-232轉換成RS-485協議進行遠距離傳送。在發送和接收端都進行協議轉換后，RS-485協議對數據傳送來說是相對透明的，所以依然可以使用計算機中的RS-232進行遠距離的數據傳送和控制。在最簡單的RS-232直接傳送通信系統中，只要發送和接收雙方同時準備好，僅用信號發送端(TXD)，信號接收端(RXD)和信號地(GND)3根線即可進行通信；若以應答方式進行數據通信，可使用請求發送(RTS)、清除發送(CTS)或數據終端準備(DTR)、數據裝置準備(DSR)進行硬件握手。在Windows95下，可以很方便地使用Win32通信API函數來實現這些硬件的握手以及數據的傳送。在89C51單片機系統中，分別從P3.0和P3.1引出串口線RXD和TXD通過專用的電平轉換芯片轉換成RS-232接口標準的電平，這樣，二者之間就可以通過RS-232接口進行數字信號的傳送。單片機也可以以直接傳送或應答握手的方式進行數據通信，但由于握手方式占用其他的端口，而單片機的端口數量有限，所以，計算機與單片機的通信常采用直接傳送的方式，本文將重點介紹。

1　Windows95下的通信編程
　　Windows95通信體系提供了1個改進的串行應用程序接口SAPI用來進行交互式串行通信。其中，串口和其他通信設備是作為文件進行處理的，串口的打開、關閉、讀取和寫入所用的函數和操作文件的函數相同。
　　通信會話以調用CreateFile函數開始，CreateFile函數為讀訪問或寫訪問打開串口，打開成功后返回該串口句柄，供讀寫串口時使用。CreateFile函數的使用如下：
CreateFile(szDevice,fdwAccess,fdwShareMode,lpsa,fdwCreate,fdwAttrsAndFlags,hTemplateFile)
　　其中，第1個參數szDevice是要打開的串口邏輯名，如COM1或COM2；第2個參數fdwAccess指定串口的訪問類型，如讀、寫或兩者兼而有之，大部分通信是雙向的，因而通常設置為：GENERICREAD｜GENERICWRITE；第3個參數fdwShareMode指定串口的共享屬性，串口不能共享，所以它必須為0；第4個參數lpsa引用安全性屬性結構；第5個參數fdwCreate指定如果CreateFile正被已有的文件調用時應做些什么，既然串口總是存在，此參數就必須被設置為OPENEXISTING。第6個參數fdwAttrsAndFlags描述了該端口的各種屬性，對串口而言，唯一有意義的設置是FILEFLAGOVERLAPPED，指定該設置時，端口I/O可以在后臺進行；最后1個參數hTemplateFile是指向模板文件的句柄，當端口打開時，該參數為NULL。
　　打開串口后，在Windows95下可以對串口進行合適的配置。Windows95提供了COMMPROP結構，COMMPROP結構中包含了對串口允許的設置，如波特率、數據位數、停止位的個數以及奇偶校驗方法等，如果串口連接到調制解調器，COMMPROP結構中還包含調制解調器支持的設置。但COMMPROP結構給出的只是單純的信息，它不能用來改變串口的設置。Windows95下串口設置的改變是通過改變它的DCB結構來實現的，DCB結構中包含了所有串口的設置，其中包括硬件的握手、流控制等。
　　Windows95提供GetCommState函數來得到當前串口的設置情況，該函數接收1個打開的端口句柄和1個指向DCB結構的指針，在DCB結構中返回信息，GetCommState函數的補充函數是SetCommState函數，SetCommState函數將DCB結構中的內容寫向串口設置，這2個函數的調用如下：
　　BOOLGetCommState(hComm,&dcb)
　　BOOLSetCommState(hComm,&dcb)
　　其中，hComm為打開串口的句柄，dcb為1個指向DCB的結構。
　　Windows95中實現串口的讀寫函數與文件的讀寫函數相同，讀寫函數的使用格式如下：
　　ReadFile(hComm,inbuff,nBytes,&nBytesRead,&overlapped)
　　WriteFile(hComm,outbuff,nBytes,&nBytesWrite,&overlapped)
　　其中，第1個參數是打開串口的句柄，第2個參數是數據所使用的緩沖區，第3個參數是要讀取的字節數，第4個參數是實際讀取的字節數，實際讀取的字節數可能小于要讀取的字節數，最后1個參數指向1個覆蓋似的結構，當CreateFile中dwAttrsAndFlags參數設置為FILEFLAGOVERLAPPED時，此參數可以指定1個OVERLAPPED結構，使數據的讀寫操作在后臺進行。
　　讀寫端口可以通過4種技術來實現：查詢、同步I/O、異步I/O(后臺I/O)和事件驅動I/O。查詢方式直接、易于理解，但占用大量CPU時間；同步I/O直到讀取所指定字節數或超時時才返回，這樣很容易長時間地阻塞線程；異步I/O可以在后臺讀寫數據，而在前臺做其他的事情；事件驅動I/O是由Windows95通知應用程序某些事件什么時候發生，然后根據所發生的事情來對串口進行操作。
　　這4種不同的技術，各有利弊和自己適用的領域，所以，在不同的通信系統中，可以根據不同的要求采用不同的技術。在監測系統中，由于事件的偶然性和要求傳送的實時性，計算機常采用事件驅動I/O方式來進行現場監測。
　　在事件驅動I/O方式下，Windows95報告給應用程序的事件由函數GetCommMask返回，改變返回的事件時，可以使用SetCommMask函數設置，這2個函數的調用如下：
　　GetCommMask(hComm,&dwMask)
　　SetCommMask(hComm,dwMask)
　　第1個參數是打開串口的句柄，第2個參數是要等待的1個或多個事件的掩碼。在用SetCommMask設置了有用的事件后，應用程序調用WaitCommEvent函數來等待事件的發生，直到事件發生，WaitCommEvent函數返回。WaitCommEvent函數使用格式如下：
　　WaitCommEvent(hComm,&dwEvent,&overlapped)
　　第1個參數是打開串口的句柄，第2個參數是返回的事件，第3個參數是指定同步或者異步操作。當函數返回后，可根據返回的事件掩碼進行相應的串口操作。
　　完成通信后，串口應該關閉，否則，它始終處于打開狀態，其他應用程序就不能打開或使用它。關閉串口的函數為：CloseHandle(hComm)，其中，hComm為打開的串口句柄。

2　單片機下的通信編程
　　單片機89C51的串行端口有4種工作方式，通過編程設計，可以使其工作在任一方式，以滿足不同場合的需要。其中，方式0主要用于外接移位寄存器，以擴展單片機的I/O電路；方式1主要用于雙機之間或外設電路的通信；方式2、3除有方式1的功能外，還可用作多機通信，以構成多微機系統，方式2、3的區別在于波特率的不同。
　　單片機的串行通信的波特率可以程控設定，在不同的工作方式下，由時鐘振蕩頻率的分頻值或由定時器T1的定時溢出時間確定。
　　單片機的串行端口有2個控制寄存器，用來設置工作方式、發送或接收的狀態、特征位、數據傳送的波特率以及中斷標志TI和RI。
　　單片機的串行端口有1個數據寄存器SBUF，該寄存器為發送和接收所共有，在一定條件下，向SBUF寫入數據就啟動了發送過程，讀SBUF就啟動了接收過程。
　　單片機可以采用循環方式或中斷方式實現串行數據的傳送。在循環方式下，單片機循環對數據寄存器SBUF進行讀寫來實現數據的接收和發送；在中斷方式下，對方式1、2來說，1幀數據發送或接收完后，TI/RI自動置1，請求串行中斷，若CPU響應中斷，則執行串行中斷服務程序，并把TI/RI清0以再次響應中斷。對在方式2、3下的接收，還要視串口控制寄存器SCON的設置才可確定RI是否被置位以及串口中斷是否開放。
　　實時控制中，由于事件的突發性，常采用中斷的方式進行數據傳送，中斷方式能更大限度地提高資源的利用率，使CPU在不進行數據通信時做其他的工作。下面重點介紹單片機在方式1下的中斷方式編程。
　　方式1是10位異步通信方式，其中包括1個起始位，8個數據位和1個停止位。波特率由定時器T1的溢出率和串口控制寄存器SMOD的狀態確定，在CPU的晶振為11.0592MHz時，波特率常采用9600b/s。
　　對SBUF進行寫操作就可啟動發送，在發送移位時鐘的同步下，從TXD先送出起始位，然后是8位數據位，最后是停止位，這樣，1幀數據發送完，中斷標志TI置位。
　　在允許接收的條件下(REN＝1)，當RXD出現由1到0的負跳變時，即被當成是串行發送來的1幀數據的起始位，從而啟動1次接收過程。當8位數據接收完，并檢測到高電平停止位后，即把收到的8位數據裝入SBUF，置位RI，1幀數據的接收過程就完成了。
　　下面是單片機以方式1在直接傳送下的中斷接收和發送程序。由于沒有使用通信握手，所以通信雙方都應做好通信準備。在計算機接收、單片機發送時，由計算機先發送字母“R”，通知單片機計算機已準備好，然后計算機在事件驅動I/O方式下等待接收到字符“Y”；當單片機接收到“R”時，向計算機發送“Y”，表示單片機也已準備好，這樣，一旦計算機接收到“Y”就表示雙方都已準備好，二者之間就可以進行數據交換了。在計算機發送、單片機接收時，計算機發送1幀數據，單片機響應中斷，接收數據。單片機程序的具體實現過程如下：

　　org　0000h
　　ajmpstart
　　org0023h　　；串行中斷入口
　　ljmps&r
　　org0100h
start:mov　tmod,#20h　；設置定時器T1方式2
　　movpcon,#00h；使SMOD為0
　　movtll,#0fdh；波特率為9600b/s
　　movthl,#0fdh
　　setbea；開全局中斷
　　clret1；關T1中斷
　　setbes；開串行中斷
　　setbtrl；開T1定時
　　movscon,#50h；串行方式1，允許接收
　　sjmp$
S&r:movc,ri
　　jcrecive;RI為1，執行接收子程序
　　sjmpsend；否則，執行發送子程序
recive:mova,sbuf；接收數據
　　clrri
　　cjnea,#52h,re；是否接收到“R”
　　mova,#59h；是，發送“Y”
　　movsbuf,a
　　sjmpendtr
re:mov　@rl,a　　；r1為接收數據存放地址
　　incr1
　　sjmpendtr
send:mova,@r0；發送數據，r0為存放數據的地址
　　movsbuf,a
　　jnbti,$
　　clrti
　　incr0
endtr:reti；中斷返回

3　結束語
　　串口通信是一種廣泛應用于各個領域的通信方式，由于目前大部分計算機都安裝了Windows95操作系統，所以本文具體實現了在Windows95下利用它的SDK函數來與單片機進行串口通信。本文所提出的實現函數在所有當前流行軟件如VC++、Delphi等中都可實現。它不僅可以用于近距離的RS-232通信，而且，還可以實現中遠距離RS-485通信。在使用該程序的通信系統中，近遠距離的通信都取得良好的效果。


參考文獻

　1　MirhoCA,TerrisseA著，賀軍，高勝友譯.WINDOWS95通信編程.北京：清華大學出版社，1997
　2　陳光東，趙性初.單片微型計算機原理與接口技術.武漢：華中理工大學出版社，1993