PIC單片機(jī)與PC機(jī)異步串行通信的設(shè)計(jì)

引言

因?yàn)榫哂羞\(yùn)行速度快、低功耗、價格低、體積小等優(yōu)點(diǎn)，Microchip公司推出的PIC系列單片機(jī)已經(jīng)得到越來越廣泛的應(yīng)用。應(yīng)用之一是作為下位機(jī)與上位機(jī)（例如PC機(jī)）通信，它被廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制、數(shù)據(jù)采集和檢測等領(lǐng)域中。單片機(jī)與PC機(jī)通信的方式有串行通信、并行通信。其中，串行通信具有硬件電路簡單、軟件實(shí)現(xiàn)容易和運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，十分適合對實(shí)時性要求不太高的場合。由于部分PIC單片機(jī)不具備串行通信所需的硬件USART口，故系統(tǒng)設(shè)計(jì)者需要用軟件實(shí)現(xiàn)PIC單片機(jī)與PC機(jī)之間的串行通信。筆者介紹利用PIC單片機(jī)的中斷功能實(shí)現(xiàn)異步串行通信的方法。

異步串行通信基本概念

異步串行通信字符格式如圖1所示。通信線路上傳送的每個字符包括1個起始位、5～8個數(shù)據(jù)位、1個奇偶校驗(yàn)位（可無）和1～2個停止位。每個字符的傳送都是以起始位作為開始標(biāo)志，緊跟其后的是要傳送的數(shù)據(jù)（低位先傳送），然后是奇偶校驗(yàn)位，最后是停止位。相鄰字符之間的時間間隔即空閑時間可為任意長。線路空閑時應(yīng)表現(xiàn)為“1”，當(dāng)檢測到“0”時，表示一幀字符的開始。

圖1　異步串行通信字符格式

串行接口硬件電路

選用的單片機(jī)型號為PIC16C711，不具備硬件USART，需要用一般I/O口來模擬串行口。如圖2所示，RB0為接收腳，RB5為發(fā)送腳。RB0除作為一般I/O引腳外，還可以作為外部中斷輸入引腳，引起中斷的方式分為上跳沿和下跳沿2種方式。在本文中，設(shè)置下跳沿引起中斷。當(dāng)起始位到來時，RB0 上出現(xiàn)下跳沿，引起中斷，如果不是干擾信號則開始接收數(shù)據(jù)。

RS-485標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)，傳輸速率高、傳送距離遠(yuǎn)。它規(guī)定了雙端（平衡式）電氣接口特性。當(dāng)單片機(jī)與具有RS-485接口的PC機(jī)通信時，需要進(jìn)行信號形式的轉(zhuǎn)換。從單片機(jī)發(fā)送到PC機(jī)的信號首先轉(zhuǎn)換成平衡信號，再送往PC機(jī)。從PC機(jī)發(fā)送到單片機(jī)的信號先轉(zhuǎn)換成非平衡信號，再輸入單片機(jī)。信號形式的轉(zhuǎn)換工作由RS-485接口芯片SN75176完成。SN75176差分總線收發(fā)器工作在半雙工方式，當(dāng)工作于發(fā)送方式時，發(fā)送使能引腳DE為高電平，接收使能引腳也為高電平。當(dāng)工作于接收方式時，發(fā)送使能引腳DE為低電平，接收使能引腳也為低電平。這樣，可以將DE與連接在一起，由RB6引腳輸出控制信號，控制SN75176的發(fā)送和接收使能。為了減少線路上信號的反射，需要匹配線路的特性阻抗。由于通信載體是雙絞線，它的特性阻抗為120Ω左右，所以線路設(shè)計(jì)時，在RS-485網(wǎng)絡(luò)傳輸線的始端和末端各應(yīng)接1只120Ω的匹配電阻，R1為單片機(jī)一側(cè)的匹配電阻。由于RS485芯片的特性，接收器的靈敏度為±200mV，即差分輸入端VA-VB≥±200mV時，輸出邏輯“1”；VA-VB≤200mV時，輸出邏輯“0”。當(dāng)VA-VB≤200mV 時，輸出不確定。因此，當(dāng)A、B無信號輸入時，可能造成接收引腳R上出現(xiàn)低電平，這會誤認(rèn)為通信幀起始位到來而引起工作不正常。為了避免這種情況發(fā)生，可以人為的讓A端電位高于B端電位，使R引腳在RS485總線不發(fā)送期間呈現(xiàn)唯一的高電平，單片機(jī)不會被誤中斷而接收到亂字符。通過在A、B接上拉、下拉電阻R3、R2可解決這個問題。

圖2　PIC16C711與PC機(jī)之間的接口電路

單片機(jī)通信程序框圖

單片機(jī)與PC機(jī)之間的通信方式為半雙工方式。一幀數(shù)據(jù)包括一位起始位、8位數(shù)據(jù)位、一位停止位和無奇偶校驗(yàn)位。設(shè)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的波特率為 9600b/s，則每一位占用的時間td為1/9600s，約為104μs。單片機(jī)晶振頻率為4MHz。單片機(jī)執(zhí)行一條指令耗費(fèi)時間1μs。

單片機(jī)接收數(shù)據(jù)程序框圖

PIC16C711單片機(jī)的RB0引腳具備外部引腳跳變沿中斷功能，向RB0引腳送一個上跳沿或下跳沿信號，則INTCON寄存器的外部引腳跳變沿中斷標(biāo)志位INTF被置1。如果總中斷和外部引腳跳變沿中斷都使能，并且此時單片機(jī)沒有執(zhí)行其他中斷服務(wù)子程序，程序進(jìn)入INT中斷服務(wù)子程序。根據(jù)異步串行通信的特點(diǎn)，通信線路空閑時單片機(jī)接收的是高電平，起始位到來時單片機(jī)接收到低電平，因此空閑位和起始位之間是一個下跳沿。單片機(jī)接收到下跳沿即起始位后，馬上進(jìn)入中斷服務(wù)子程序，準(zhǔn)備接收一幀數(shù)據(jù)。因此在主程序中設(shè)置由下跳沿引起外部引腳跳變沿中斷。以下內(nèi)容主要分析接收子程序即中斷服務(wù)子程序。單片機(jī)接收數(shù)據(jù)程序框圖如圖3所示。進(jìn)入中斷服務(wù)子程序后，首先保護(hù)中斷現(xiàn)場，然后檢測起始位是否是“真的”。由于可能存在的各種干擾，單片機(jī)有可能接收到的干擾信號正好是一個下跳沿，而實(shí)際上此時根本沒有數(shù)據(jù)到來，從而造成誤接收數(shù)據(jù)。因此檢測起始位的真實(shí)性是有必要的。采取的方法是在52μs（起始位的中點(diǎn)） 后，檢測一次RB0上的信號。程序框圖中是延時47μs后檢測RB0上的信號，原因是保護(hù)中斷現(xiàn)場的幾條指令要耗費(fèi)幾個μs。如果是低電平，則起始位是 “真的”，否則為干擾信號，單片機(jī)清INTF標(biāo)志位，然后退出中斷服務(wù)子程序，回到主程序。若起始位是“真的”，則準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)。本文規(guī)定數(shù)據(jù)位為8位，故首先設(shè)置接收計(jì)數(shù)器R_CNT內(nèi)容為8。然后將STATUS寄存器中的C位清零，并右移接收數(shù)據(jù)寄存器RCV_R。C的內(nèi)容即0移入RCV_R最高位，接下來接收數(shù)據(jù)位。

為盡量保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，應(yīng)該在每位數(shù)據(jù)的中點(diǎn)檢測該位數(shù)據(jù)。因此，檢測第一位數(shù)據(jù)的時刻距離檢測起始位的時刻應(yīng)該是一位數(shù)據(jù)所占的時間即104μs，此后的每一位數(shù)據(jù)檢測時刻之間也是如此。此時又要用到延時程序。因?yàn)槊績纱螜z測時刻之間除了延時之外，指令（C清零、右移等指令）還要占用時間，這些指令占用5～6μs，因此，為了盡量保證在每一位的中心位置檢測數(shù)據(jù)，延時時間定為98μs。如果檢測得到的數(shù)據(jù)位為1，則置RCV_R最高位為1。如果數(shù)據(jù)位為0，則不必改變最高位，因?yàn)镃為0且已經(jīng)移入RCV_R的最高位。然后，將接收計(jì)數(shù)器內(nèi)容減1。8位數(shù)據(jù)接收完畢后，清INTF標(biāo)志。最后，退出中斷服務(wù)子程序。至此，8位數(shù)據(jù)接收全部存放于RCV_R中。

圖3　單片機(jī)接收數(shù)據(jù)程序框圖