PIC16系列单片机与PC

串行通信的软硬件实现

西安第四军医大学生物医学工程系

电子学教研室(710032 陈马丁 李洪义

   介绍一种运用PIC16F84单片机实现与PC机串行通信的方法,并给出其硬件接口电路及通信源程序。

   关键词    异步串行通信    发送与接收    VB4 Win95 串口查询法  单片机


1 前言

   美国Microchip公司的PIC16系列单片机是一种新型的CMOS工艺的8位单片机。其中,PIC16FXX单片机的程序存储器为电可擦除闪速存储器(flash),可多次修改程序,甚至可以在线编程。PIC16F83和PIC16F84片内数据存储器除RAM外,还有64字节的EEPROM,可以当作一般的或非易失性的数据存储器使用,简单方便。它还具有片内上电复位、延时电路、看门狗电路等。另外,PIC16系列单片机功耗极低,因而是一种非常适合在各种便携式设备中使用的高性价比的单片机,并已经得到了越来越广泛的应用。
   但是在许多需要大量计算的运用中,还必须借助微机的强大数据处理能力。这样必须通过通信电路实现PIC单片机与微机间的可靠数据传输。有的PIC16单片机内并没有提供串行口,所以串行通信必须通过自己设计的硬件电路和通信软件来实现。
   下面介绍用查询法实现异步串行通讯的方法。同时给出了用PIC16F84单片机的两个I/O口模拟2线串行口的硬件接口电路、程序流程框图、单片机内通信程序以及微机内的通信程序等。

2 硬件实现方法与电路

   PIC16F84单片机的程序存储器由1K×14的闪速(flash)存储器构成,它只有13条I/O口,1个定时器,为了尽量节省单片机的软硬件资源,采用下述异步串行通信的实现方法。
   如图1所示,PIC16F84在4MHz时钟下,采用半双工方式,可实现9600波特率的异步串行数据通信,1位停止位,8位数据位,无校验位。接收和发送以低位在先(一般模式),采用软件延时。为节省篇幅,单片机内的通信程序中未提供任何握手协议,用户可根据自己的需要在软件中加入握手方式。

   由于PIC16F84本身没有专门的串行口,这里用其I/O口来模拟串行口的功能。
   PC机的串行接口是符合EIA RS-232C规范的外部总线标准接口。RS-232C采用的是负逻辑,即逻辑“1”:-5V至-15V;逻辑“0”:+5V至+15V。而CMOS电平为:逻辑“1”:4.99V,逻辑“0”:0.01V;TTL电平的逻辑“1”和“0”则分别为2.4V和0.4V。因此在用RS-232C总线进行串行通信时需外接电路实现电平转换。在发送端用驱动器将TTL或CMOS电平转换为RS-232C电平,在接收端用接收器将RS—232C电平再转换为TTL或CMOS电平。
   这里选用了MAXIM公司的MAX202E来作电平转换。MAX202E属于MAXIM公司的通用串行接收/发送驱动器芯片。其外围电路简单,只需外接四个0.1μF的电容即可,如图1所示。

jc.GIF (2374 bytes)

图1 接口原理图

3 PIC16F84单片机内通信程序的设计

 

jc1.GIF (4938 bytes)

图2 接收子程序框图   图3发送子程序框图

   图2和图3分别是串行发送和接收的子程序流程框图。发送时,通过使数据发送端DX为低电平并保持B秒(9600波特率时为104μs)来发送起始位。随后每B秒钟通过置位或清零DX端把数据发送出去。这里的B是指一位所持续的时间(B=1/波特率)。接收时,数据接收端DR大约要每B/2秒(9600波特率时为52μs)查询一次以检测起始位,如果检测到起始位,则在大约1.5B秒(9600波特率时为156μs)后检测第一位数据位,随后每B秒钟检测一次其它的数据位。
   相应的源程序如下:

;接收子程序
Rcvr

          clrwdt

;清片内看门狗
;定时器

btfsc

RA,DR ;检测起始位

goto

Rcvr ;未检测到起始位

movlw

8 ;检测到起始位

movwf

R_CNT ;8位数据位
Rnext

call

Delay ;延时B/2秒

bcf

STATUS,C ;清进位标志

rrf

RevReg ;LSB在先

btfsc

RA,DR ;该位为0

 

;还是为1

bsf

RcvReg,MSB ;为1

call

Delay ;延时B/2秒

decfsz

R_CNT

goto

Rnext

retlw0

;返回
;发送子程序
Xmtr

clrwdt

;清片内看门狗
;定时器

movlw

8 ;发送位数为8

movwf

X_CNT

bcf

RA,DX ;发送起始位
Xnext

call

Delay ;延时B/2秒

call

Delay ;延时B/2秒

rrf

XmtReg ;LSB在先

btfsc

STATUS,C ;检测将要发送

 

;的数据位

bsf

RA,DX ;数据位为1

btfss

STATUS,C

bcf

RA,DX ;数据位为0

decfsz

X_CNT ;位计数为0则
;发停止位

goto

Xnext ;位计数不为0
;则发下一位数据位
Xstop

call

Delay ;延时B/2秒

call

Delay ;延时B/2秒

Bsf

RA,DX ;发送停止位

Retlw

0 ;返回
;延时子程序
Delay

movlw

12 ;52μS延时

movwf

DCNT
Dnext

decfsz

DCNT

goto

Dnext

retlw 0

4 Win95的串行通信机制及串口查询法的原理

   常用的DOS系统主要是工作在响应中断方式。PC机串行通信程序大多利用其BIOS块的INT14H中断,以查询串口的方式完成异步串行通信。
    Windows系统函数即包含了通信支持中断功能。Win95系统为每个通信设备开辟了用户定义的输入输出缓冲区(即读/写缓冲区),数据进出通信口均由系统后台来完成。应用程序只需完成对输入输出缓冲区操作就可以了。实际过程是每接收一个字符就产生一个低级硬件中断,Win95系统中的串行驱动程序就取得了控制权,并将接收到的字符放入输入数据缓冲区。然后将控制权返还正在运行的应用程序。如果输入缓冲区数据已满,串行驱动程序用当前定义的流控制机制通知发送方停止发送数据。队列中的数据按“先进先出”的次序处理。
   (1) 按协议的设置初始化并打开串口,这样做就是通知Windows本应用程序需要这个串口,并封锁其他应用程序使它们不能使用此串口。
   (2) 配置这个串口。
   (3) 在串口上往返地传输数据,并在传输过程中进行校验。
   (4) 不需要此串口时,关闭串口。即释放串口以供其它应用程序使用。
在这四个步骤中,主要的程序代码集中在第(3)步。
   串口查询法是一种主要工作在查询方式下的实现方法。当通信程序工作在“查询”方式时,可以不考虑Win95的进程和线程的问题。仅在串口有数据时,去读串口缓冲区就可以了,如图4所示。这种方法下确定串口读取的时机、握手协议及软件纠错的实现是程序员应考虑的主要问题。

 jc2.GIF (1145 bytes)

4 读取接收缓冲区数据流程图

 

jc3.GIF (1515 bytes)

5 串口初始化流程

   由于这种方法主要工作在查询方式。程序员必须完成相当一部分通信状态的检测工作,许多细节(甚至包括通信过程中的字符属性的转换)也必须通过程序代码完成。这种查询方法对通信双方协议的依赖性尤其大。双方通信协议的约定对程序实现的难易程度影响很大。
   串口查询法中,一般串口初始化的流程如图
5
   值得注意的一点是,此方法下协议的约定必须满足以下条件:即甲方发送时,乙方必须在甲方发送动作之前进入循环接收状态,直到接收到字符后通过对串口读取函数
ReadFile返回值的判断跳出循环状态。

   同时,一般为了不使系统因循环等待接收而进入“死循环”状态,可以人为设置读取串口的循环次数,一般100010000次即可。
   本程序的实现平台是VB4,这是一种极为灵活的高级语言,它可以方便地引入汇编语言的思维,利用其GoTo转向语句方便地控制程序的流程,灵活方便。

5 PC机内通信程序的实例

   现约定甲方是PC机,乙方是单片机系统(如读卡器)。通信格式设置为2400波特率,8位数据位,1位停止位,无奇偶校验。
   下面是一个约定好通讯协议的程序实例,协议流程如图
6所示。
   以下是甲方(
PC机)的几个子函数的程序实例。

jc4.GIF (2223 bytes)

图6 通信协议流程

Private Function OpenThePort(cPort as String,cBaud as String,cParity

as String,cData as String,tStops asString)As Boolean    ’ 打开串口的子过程

   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    ’打开串口失败

       OpenThePort = False

       MsgBox “串口可能正被其他应用程序占用!”

       lResult = CloseHandle(lHandle)  ’先关闭串口后再打开

       If lResult = 0 Then

           OpenThePort

           Exit Function

       End If

   End If

   cDCBConfig.band = 2400     ’设置DCB

   cDCBConfig.parity = None

   cDCBConfig.data = 8

   cDCBConfig.stop = 1

   lResult = BuildCommDCB(cDCBConfig,DCB_COMM)     ’按用户设定配置一个DCB结构

   If lResult = 0 Then

        OpenThePort = False

        MsgBox “无法建立DCB设备控制块”

        Exit Function

   End If

   lResult = SetCommState(lHandle,DCB_Comm)  ’实际设置一个串口的DCB                    

   If lResult = 0 Then

        OpenThePort = False

        MsgBox “无法建立DCB设备控制块”

        Exit Function

   End If

   OpenThePort = True

End Function

Private Sub SendHand ( ) ’发送握手信号的子过程

   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 “请把读卡器插在串口2上!”,

                48,“提示窗口”

   lHandle = OpenThePort(COMM1,2400,None,8,1)

   lRet = PurgeComm( lHandle,1 ) ’清输出缓冲区

   lRet = PurgeComm( lHandle,0 ) ’清输入缓冲区

   lRet = GetCommState ( lHandle,lpDCB ) ’获得通讯口的状态

Shand:

   Writebuff$= Chr$(&H8F)

   lRet = WriteFile (lHandle,Writebuff$,1,Nchars,lpOverlapped )

                   ’送握手信号入串口缓冲区

      If lRet <= 0 Then

         MsgBox “发送操作出错,卡握手信号未发送成功”, 16

         GoTo Shand ’不成功则重发

      Else

          GoTo Qtest

      End If

   GoTo Shand

Qtest:

   Readbuff$ =“ ” ’清除缓冲区为空

Do While lHandle ’循环查询串口

   RNum = 0 ’设置读串口次数的指针为0

ReadAgain:

   lRet = ReadFile( lHandle,   Readbuff$,1,Nchars,lpOverlapped )

   If lRet < 0 Then

      MsgBox “读取应答信号时出错”, 16

      End If

      If lRet = 0 Then

         If RNum > 1000 Then  ’只读1000次串口,以免陷入死循环

             MsgBox

            "卡没有插接好或卡没有接在串口上!"

            GoTo CloseP

        End If

        RNum = RNum + 1

        GoTo ReadAgain

   End If

   If Hex$(Asc(Readbuff)) <> Hex$(&HFF) Then GoTo Shand

        ’回送码不正确则返回继续发送握手信号

   Else

      Label1.Caption = “握手信号是:”

        +Hex$(Asc(Readbuff$))

      Msgbox “握手信号正确,已正确联机”

      GoTo CloseP

   End If

Loop

CloseP:lRet = CloseHandle( lHandle )

           If lRet = 0 Then

               MsgBox “串行通讯口关闭成功”,

                            48,“提示窗口”

           End If

End Sub

   这里要注意的是:当PC机与单片机系统通信时,单片机数据存储区( RAM )内的数据是十六进制,在信号线上传输的是十六进制数的ASCII码的二进制形式;而Windows系统下使用的是ANSI码,ANSI码仅在前126个与ASCII码相同。即在Win95下接收到的是十六进制数的ASCII码的字符串,可先转换为ANSI码后再在Win95下还原为十六进制数。
   具体为:Code$=Hex$(Asc ( Readbuff$ ) )
   另外,由于32位API函数参数的数据类型的变化,所有整形参数都被换为长整型(Long)以支持32位的处理,这一点在设置返回值时尤其如此。

6 结束语

   以上的软硬件在我们的实践中达到了较为理想的效果。通过软件节省了硬件的开销,并通过在PIC16F84单片机系统和PC机双方的通信软件内增加握手信号,达到了软件数据校验的目的,获得了较高的通信可靠性。

参 考 文 献

1 MICROCHIP CO. PIC16/17 MICROCO-NTROLLER DATA BOOK. 1995/1996  
2 李东星等. PIC16CXX系列单片机应用设计. 高奇电子科技公司,1996.10
3 美 Darwin Boyle等. Visual Basic 4 Developer’s Guide. 北京:机械工
  业出版社,1997.                                                                PIC单片机 www.pic16.com