PC機與單片機間串行通信優化控制方法

楊韶斌 竇忠國

（肇慶市四會中等專業學校，廣東 肇慶 526200）

在工業控制中，需要經常建立一個由上位機和下位機組成的系統，并通過上位機實現對多個下位機的控制。由于上位機與下位機之間的距離較遠，因此需要進行上位機與下位機間的串行通信。上位機通常為PC 機，下位機通常為單片機，因此經常會不可避免地出現PC 機與單片機之間的串行通信問題[1]。目前PC 機的研發與應用已經使其具備了極強的監控和管理能力，而單片機在實際應用中具備了快速和容易被控制等特點。因此在實際應用中，通常都是通過PC 機串行接口與多個單片機相連接來實現對數據的傳輸[2-3]?；谠撎攸c，為了實現PC 機與單片機間的串行通信控制，該文提出了一種全新的優化控制方法。

1 PC 機與單片機通信連接設計

為了實現PC 機與單片機之間的串行通信，采用RS-485 接口，該解耦器與TTL 電平相兼容，具有10Mbit/s 的數據傳輸速度，并具有較強的抗共模噪聲干擾能力，將其引入PC 機與單片機通信連接結構上。PC 機與單片機通信連接結構示意圖如圖1所示。

圖1 PC 機與單片機通信連接結構示意圖

此外，RS-232 接口只能在總線上與一個收發機相連，也就是一個單站的功能。而RS-485 的接口最多可以連接128 臺收發信機，即具備多個基站的功能，使使用者能夠較容易地使用一個RS-485 接口來組建一個設備網絡[4]。因此，RS-485 接口是PC 和MCU 間串行通信的首選。根據上述論述，由于PC 機的串口選用了RS232 電平信號，因此在單片機與PC機之間需要加裝一個能夠實現RS-232與RS-485 轉換的接口。根據上述內容，完成對PC 機與單片機通信連接設計。

2 通信程序優化設計

在下位機中，通過查找和中斷2 種方式實現數據的發送和接收。不管采用何種方法，它的串行數據的傳輸僅（利用MOVSBUF.A 指令）將數據從累加器轉移到串口緩沖區寄存器即可。其串行數據的接收僅需將數據從串口緩沖區寄存器傳輸到累加器（采用MOVA、SBUF 指令）[5]。在具體的使用過程中，通常使用中斷的方法來實現與上位機的通信。而上位機作為主控方，當接收到上位機發送的地址信息后，將該信息傳輸給相應的中斷服務子程序，然后與上位機進行通信。它接收一個中斷服務子例程的過程如下：第一步，關中斷，現場保護。第二步，接收來自PC機發送的地址。第三步，判斷該地址是否為本機地址，如果是則進行下一步操作；如果不是則直接進行現場恢復并開啟中斷。第四步，接收判斷為本機地址的數據。第五步，判斷數據是否接收完畢，如果接收完畢，則直接恢復現場，開啟中斷；如果未接收完畢，則需要返回第四步，直到完成對所有數據接收。最后恢復現場，開啟中斷，完成下位機接收中斷服務子程序流程。上述流程也適用于多個單片機的通信。

該文利用可視化語言編寫了PC 機的串口通信程序。Windows 的支持使串口裝置被包裝為MSComm 控件，非常便于VisualBasic 程序對串口的控制[6]。利用MSComm控制器，可以較容易地完成微機與微機以及微機與其外圍設備之間的通信，具體操作步驟如下：選擇可以添加的MSComm 控件，啟動VisualBasic，并在彈出的Project 菜單中選擇對應的Components 選項，選擇所需的控件。然后從工具欄中選擇電話機圖標，將其拖拽到窗體中，單擊鼠標右鍵，在彈出的串口屬性對話框中完成對各項屬性的設置。MSComm 控制中最重要的通信事件就是OnComm，而串行通信的一切都可以由程序來處理。通過OnComm事件，也可以不使用程序實時監控輸入緩沖區，只要有數據傳輸，就可以引發OnCom 事件，實現通信數據的自動處理[7]。

3 串行異步通信與串行同步通信控制

串行通信通常以比特為單位，逐位完成對數據的傳輸。假設并行通信傳送N位數據所需的時間是T，則串行通信所需時間如公式（1）所示。

式中：T'min為串行通信需要的最少時間。

串行通信由于每次只能傳送一比特，而且都是統一的電壓，因此很難出現數據丟失的情況。如果采取一定的保護措施，則串口通信的抗干擾性就會有較大增強。此外，其所需的傳輸線路較少，可以大幅減少經濟費用，特別適用于長距離通信傳輸[8]。根據串行通信的特性，將串行通信分為串行異步通信與同步通信2 個部分。

在串行異步通信控制的過程中，進行數據傳送時采用了獨立的字節模式，每個字節前面有一個開始信號，字節后面有一個或多個結束信號[9]。為確保同步接收機的起止信號被利用，在有標簽的地方，傳送線路是空閑的，每字節傳送一次，其前方的起始比特就會從一位元傳送到一位元傳送，這一傳送代表著一位元傳送的開始。發送結束時，發送線路通過一個或更多的終結位恢復到標記狀態。此時傳送器即可以傳送下一個位字節。針對串行異步通信進行編碼，其起始位占用1 位，字符編碼占用7 位，第8 位為奇偶校驗位，如圖2所示。

圖2 串行異步通信控制字符格式

同時，在串行異步通信控制過程中，每次發送一個字符，都必須同步附加一個標志信息在字符中。

針對串行同步通信的控制，把這些字符串串起來，組成一個完整的數據塊。進行串行同步通信時，還需要在數據塊前增加一個特殊的同步字符，并將組合后的字符作為串行同步頭通信起始信號。在一組數據后加上一個檢查符號，以檢查通信中是否有錯誤。在同步通信中，字符間不存在空格，因此可以達到數十至數百波特，但是需要一個時鐘來完成收發雙方的同步。串行同步通信控制字符格式如圖3所示。

圖3 串行同步通信控制字符格式

根據實際PC 機與單片機的串行通信需要，選擇異步通信或同步通信。進行通信前，先控制定時器、串行口進入初始化狀態，然后將地址指針寄存器、程度計數器、校驗和寄存器等設置為初始值，判斷是否發送緩沖器為空。如果為空則返回，不為空則接收回答信號。再判定傳輸是否正確，如果不正確則返回，正確則結束單片機的傳輸。

4 優化前、后試驗研究

4.1 試驗準備

為對該文上述控制方法應用效果進行驗證，進行下述優化前、后的對比試驗研究。在試驗前，準備51 單片機（AT58C40）、數據存儲器（6264）和5×8的矩陣鍵盤。利用電平轉換芯片轉換為RS485 和TTL 接口能夠識別的電平，通過串口傳輸到上位機上。利用VB/VC 編程在PC 機上顯示所有接收和發送的通信數據。通過上述操作，可以實現對試驗中產生的各項參數，例如通信發送與接收時間等數據的統計，為對比后續試驗結果提供依據。在該基礎上，還需設定串口主控件MSCOMM 的參數。將一個通信對象MSCOMM 用于串行通信，設定通信端口編號為1，設定通信協定handshaking=0。將發送速率及其他參數設定為SETTINGS=4800、n、8、1。開啟通信端口，設 PORTOPEN 為ture。完成上述設置后，進行PC 機與單片機之間的串行通信，并分別從優化前、后串行通信傳輸速度方面和優化前、后串行通信質量方面，驗證優化控制方法的應用可行性。

4.2 優化前、后串行通信傳輸速度對比

完成上述試驗準備后，對比控制方法優化前、后在應用中PC 機與單片機間串行通信數據量。分別設置5 組條件，5組不同通信條件的基本信息見表1。

表1 5 組串行通信條件設置

在上述5 組串行通信傳輸過程中，分別利用優化前的控制方法和優化后的控制方法對其進行串行通信控制，通信數據量記錄見表2。

表2 5 組串行通信應用優化前、后控制方法的通信數據量

從表2 中的2 組串行通信數據量對比可以看出，在優化前控制方法應用下，其串行通信數據量最高為598.25YB，優化后最高為865.32YB，最低也達到了826.26YB。在相同的傳輸時間條件下，優化后控制方法應用下的串行通信數據量明顯更大。因此，通過上述試驗結果可以證明，優化后的控制方法在實際應用中可以有效提高PC 機與單片機之間串行通信的傳輸速度。

4.3 優化前、后串行通信質量對比

上述從串行通信傳輸的速度方面對比了優化前、后控制方法的應用性能。在該基礎上，針對優化前、后控制方法應用下PC 機與單片機之間串行通信質量進行對比。選擇將串行通信過程中產生的信干噪比為評價指標，信干噪比是指串行通信過程中正常通信信號與干擾、噪聲等信號之和之間的比值，如公式（2）所示。

式中：S為信干噪比；W1為正常通信信號有效傳輸功率；W2為干擾信號有效傳輸功率；W3為噪聲信號有效傳輸功率。

通過計算得出的信干噪比S，取值越大，說明串行通信中的正常信號占比越大，通信質量越優；取值越小，說明串行通信中干擾信號和噪聲信號占比越大，通信質量越差。以表1 中編號為TX-#01 的通信組合為例，由PC 機A 發送通信信號，由單片機A 接收通信信號，將其通信時間控制為50s，記錄50s 內優化前、后控制方法應用下的2 組信干噪比，結果如圖4所示。

圖4 優化前、后串行通信質量對比圖

從圖4 中得到的結果可以看出，在優化前、后控制方法應用下，信干噪比均呈現出先增加、后降低的變化趨勢，但優化后控制方法應用下的信干噪比始終高于另一組。因此，上述試驗結果可以證明，應用優化后的控制方法，串行通信質量得到了顯著提升。

5 結語

該文針對PC 機與單片機之間的串行通信需要提出了一種全新的優化控制方法，并對比優化前、后的應用效果證明了優化后控制方法的應用可行性。在實際應用中，如果存在多個控制對象，則可以在該文優化控制方法應用的基礎上構成集散結構，實現一臺PC 機和多個單片機的同步控制，為單片機應用適應性提升提供更有利的條件。