??? 摘 要： 介紹了基于單片機C8051F020的通用串口" title="串口">串口適配器的設(shè)計與實現(xiàn)方法。通過用C51語言對單片機進行編程，控制與RS-232（232電平）、RS-232(TTL電平)、422接口的數(shù)據(jù)通信；用C++ Builder作為開發(fā)平臺，通過RS-232接口實現(xiàn)上位機" title="上位機">上位機對適配器各通信端口的控制。
??? 關(guān)鍵詞： 適配器? 串行通信? RS-232? C51
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??? 串行通信的廣泛應(yīng)用使得各種傳輸設(shè)備可以有機地連成一體，能夠安全可靠地進行數(shù)據(jù)交換和信息的傳遞。但是由于各設(shè)備傳輸信道上的信號不同，所應(yīng)用的串口也各種各樣，要完成眾多設(shè)備間的通信，就必然涉及到各設(shè)備之間的串口轉(zhuǎn)換問題。
??? 為了使計算機的RS-232口與各種不同的串口進行通信，從而測試或控制不同設(shè)備的工作狀態(tài)，本文設(shè)計了一種通用串口適配器。該適配器有4個對外接口，1口連接控制計算機，2、3、4口可以連接不同標準串口的通信設(shè)備。其示意圖如圖1所示。
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1 硬件設(shè)計
??? 為了實現(xiàn)對適配器的自動控制以及方便擴展其他接口，適配器采用了C8051F020單片機系統(tǒng)。適配器所選主要芯片分別是C8051F020微處理芯片、電子模擬開關(guān)" title="模擬開關(guān)">模擬開關(guān)MAX4534芯片、MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片以及RS-485/RS-422信號的轉(zhuǎn)換芯片MAX491。
??? 用C8051F020作為系統(tǒng)核心，整個系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示。通過串口1控制從上位計算機串口發(fā)出的數(shù)據(jù)的接收、存儲和判別，然后通過串口2控制電子模擬開關(guān)，使其內(nèi)部的模擬開關(guān)接通相應(yīng)的串口，最后實現(xiàn)計算機與各個串口的通信。
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1.1 與上位機通信電路
??? C8051F020引腳的信號電平為TTL類型，而PC機串口的異步串行通信基于RS-232標準。兩者通信信號的邏輯電平不一致，必須進行信號電平轉(zhuǎn)換。為此，在電路中選用MAXIM公司的MAX232芯片，以實現(xiàn)TTL電平與RS-232電平的雙向轉(zhuǎn)換。
??? MAX232芯片包含兩路接收器和驅(qū)動器,適用于各種EIA-232C和V.28/V.24的通信接口。MAX232芯片內(nèi)部有一個電源電壓變換器，可以把5V電壓變換成RS-232C輸出電平所需的±10V電壓。所以，采用此芯片接口的串行通信系統(tǒng)只需單一的+5V電源即可。
??? 串口通信的RS-232通信距離一般以不超過12m為宜，接口采用9針串口DB9，串口傳輸數(shù)據(jù)只要有接收數(shù)據(jù)針腳和發(fā)送針腳就能實現(xiàn)。
1.2 模擬開關(guān)控制電路
??? 該電路主要由芯片MAX4534（一對四）來完成。地址端A0和A1與單片機I/O" title="I/O">I/O端口相連，開關(guān)1、2、3、4分別與各測試設(shè)備的串口相連，其內(nèi)部連接邏輯如圖3所示。
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??? 當上位機與單片機實現(xiàn)握手之后，若選擇與RS-422口通信，先發(fā)一個檢測信號TEST，該信號經(jīng)MAX232芯片電平轉(zhuǎn)換后，送給單片機F020，單片機收到信號后，通過其I/O端口的P6.0和P6.1的輸出狀態(tài)分別控制開關(guān)MAX4534的地址端A0和A1。若A0和A1分別為0，則接通開關(guān)NO1，如表1所示，使得檢測電路的MAX491接收端處于導通態(tài)，從而形成一個通路。此時單片機回發(fā)一個通路信號給上位機，當上位機收到通路信號后，MCU的串口TXD端就可以自由發(fā)送數(shù)據(jù)，從設(shè)備發(fā)來的回應(yīng)信號也可以被MCU正常接收，從而完成整個通信過程。
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1.3 RS-232(TTL電平)接口電路的設(shè)計
??? 因為從單片機引腳出來的信號即為TTL電平，所以TTL電平的RS-232接口無需進行電平轉(zhuǎn)換，直接通過模擬開關(guān)MAX4534與串口相連。
??? 對于五線RS-232接口，由于C8051F020串口只有兩根線接RXD和TXD，RTS和CTS通過其兩個I/O口來實現(xiàn)。
1.4 422口的轉(zhuǎn)換電路設(shè)計
??? RS-232串行接口屬于個人計算機(PC)及電信應(yīng)用領(lǐng)域中最為成功的串行數(shù)據(jù)標準；而RS-422串行接口則是工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中最為成功的串行數(shù)據(jù)標準，上述這些數(shù)據(jù)標準并不直接相互兼容。RS-422標準全稱是“平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性”，它定義了接口電路的特性。與RS-232不同，RS-422數(shù)據(jù)信號采用差分傳輸方式，也稱作平衡傳輸，它使用一對雙絞線，將其中一線定義為A，另一線定義為B。通常情況下，發(fā)送驅(qū)動器A、B之間的正電平在+2～+6V，是一個邏輯狀態(tài)，負電平在-2～-6V。RS-422的最大傳輸距離為4 000英尺（約1219米），最大傳輸速率為10Mbps，最多可接10個節(jié)點，具有單獨的發(fā)送和接收通道，故無需控制數(shù)據(jù)方向。
??? RS-232與RS-422之間的電平轉(zhuǎn)換采用MAXIM公司生產(chǎn)的差分平衡型收發(fā)器芯片MAX491實現(xiàn)，它適合于RS－422/RS－485通信標準，包含1個發(fā)送驅(qū)動器和1個接收器。RE為接收器輸入允許端，接地；DE為驅(qū)動器輸出允許端，接+5V 的電壓。單片機控制信號使MAX491接收端自動禁能，以免整個有線通信環(huán)路形成正反饋造成自激，而MAX491發(fā)送端則自由導通，控制信號正常輸出。
2 軟件編程
??? 軟件程序主要包括：上位機可視化界面程序和單片機與PC串口通信程序。單片機采用C51語言編程，上位機的操作顯示界面采用C++ Builder進行可視化編程。
2.1 上位機可視化界面編程
??? 以C++ Builder為開發(fā)工具，利用串行通信控件MSComm進行編程，實現(xiàn)對單片機的控制。本通信系統(tǒng)中規(guī)定的字符格式為：每一幀的數(shù)據(jù)占10位，其中1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無奇偶校驗位。中間的8位數(shù)據(jù)位即為有效的通信傳輸字節(jié)。為了增強通信的可靠性、減少通信的誤碼率，雙方的波特率設(shè)置為4 800bps，以較低速度進行通信。軟件握手協(xié)議規(guī)定如下：PC機發(fā)送握手信號0xFF給單片機，單片機接收到的上位機數(shù)據(jù)若為握手信號0xFF，則回送一個正確信號060606給PC機，表示握手成功，PC機即可發(fā)送數(shù)據(jù)包，單片機經(jīng)校驗正確后將該數(shù)據(jù)包直接存儲接收，并從中分解有效的數(shù)據(jù)信息；若單片機接收到的上位機數(shù)據(jù)不是握手信號，則回送一個錯誤信號151515，并繼續(xù)等待。 人機界面如圖4所示。
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??? 進入控制界面后，首先根據(jù)上位機與單片機的通信協(xié)議，選擇串口號、通信波特率、奇偶校驗位、數(shù)據(jù)位以及停止位。當上位機在界面的接口選項中點擊要通信的串口時，就會觸發(fā)一個傳輸信號給單片機，單片機根據(jù)協(xié)議控制電子模擬開關(guān)接通相應(yīng)的串口電路，同時回發(fā)一個通路信號給上位機，從而使界面上的串口指示呈現(xiàn)綠色狀態(tài)，表明通信電路已接通，可以開始發(fā)送和接收數(shù)據(jù)了。上位機通信流程如圖5所示。
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2.2 單片機與PC串口通信編程
??? 在本設(shè)計中主要用到了單片機的定時器，I/O端口、UART、優(yōu)先權(quán)交叉開關(guān)" title="交叉開關(guān)">交叉開關(guān)、中斷設(shè)置、時鐘信號、寄存器、D/A和A/D等。定義F020的UART0與計算機連接，UART1與各串口相連。首先優(yōu)先權(quán)交叉開關(guān)譯碼器將交叉開關(guān)端口P0～3的引腳分配給UART0、UART1、/INT0 和/INT1。設(shè)置XBARE=1以使能交叉開關(guān)。UART0 有最高優(yōu)先權(quán)，所以P0.0 被分配給TX0，P0.1 被分配給RX0；其次是UART1，P0.2 被分配給TX1，P0.3 被分配給RX1；P0.4 被分配給/INT0。由于外部存儲器接口選在低端口（EMIFLE=1），所以交叉開關(guān)跳過P0.6(/RD)和P0.7(/WR)。又因為外部存儲器接口被配置為復用方式，所以交叉開關(guān)也跳過P0.5(ALE)。下一個未被跳過的引腳P1.0 被分配給/INT1。將外部存儲器接口配置為復用方式并使用低端口，將P1.2、P1.3 和P1.4 配置為模擬輸入，以便用ADC1 測量加在這些引腳上的電壓。
??? 當交叉開關(guān)配置寄存器XBR0、XBR1 和XBR2 中外設(shè)的對應(yīng)使能位被設(shè)置為邏輯‘1’時，交叉開關(guān)將端口引腳分配給外設(shè)。將UART0 的TX 引腳（TX0，P0.0）、UART1 的TX 引腳（TX1，P0.2）、ALE、/RD、/WR（P0.[7:3]）的輸出設(shè)置為推挽方式，通過設(shè)置P0MDOUT=0xE5 來實現(xiàn)。通過設(shè)置P2MDOUT=0xFF、P3MDOUT=0xFF和P6MDOUT=0xFF 將EMIF 端口（P2、P3、P6）的輸出方式配置為推挽方式。單片機通信主程序流程如圖6所示。
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??? 本設(shè)計在對其核心器件C8051F020編程和對硬件板調(diào)試時用到了Cygnal IDE Cygnal集成開發(fā)環(huán)境軟件。Cygnal集成開發(fā)環(huán)境使用標準的Windows95/98/NT/2000作為界面，利用PC機的串行口和目標板的JTAG接口實現(xiàn)IDE與目標系統(tǒng)中的單片機通信（每套開發(fā)系統(tǒng)都有RS-232至JTAG協(xié)議轉(zhuǎn)換所需的串行適配器），與目標系統(tǒng)連接后可進行非插入式、全速的在線調(diào)試并在系統(tǒng)內(nèi)編程。在整個程序中，單片機的編程操作要完全符合時序規(guī)范要求，在實踐中很好地實現(xiàn)了單片機控制PC與各串口的通信功能，各項指標達到了預(yù)先的設(shè)計要求。
??? 此外，該串口適配器可以很容易擴展其他接口的接入，可以用I/O口接數(shù)字接口，也可以通過單片機的A/D和D/A接模擬信號接口。若外圍接口過多，則可以合并為一個或幾個接口，只需在電路中加繼電器（繼電器受單片機的I/O控制）進行輸出切換即可。
參考文獻
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