完全手册51单片机C语言开发详解系列之第8章串口通讯实战—RS232

技术凝聚实力专业创新出版第8章串口通讯实战—RS232接口电路与软件设计本章主要通过实际的例子讲解AT89S51单片机的RS232串行通讯接口设计。随着单片机系统的发展，其应用逐渐转向多机或联网的结构，此时，各个系统之间的数据交换成为多机并行工作的基础。串行通讯是指把二进制数据按照位顺序传递的方式，当一位传输完成后，再发送下一位，故串行通讯的最大优点就是所需的传输线非常少。鼠标，键盘甚至打印机、扫描仪、调制解调器都可以通过串行通讯与计算机相连，这种串行的数据传输方式特别适用于分布式控制系统以及远程通讯等运用之中。在嵌入式系统中经常使用的串行通讯协议有RS232、I2C、SPI、USB等等，RS232协议以其低廉的成本、较高的可靠性与抗干扰能力、长距离的通讯能力，被大量地使用到工业现场、计算机设备等应用场合。本章以AT89S51单片机为基础，详细讲解单片机系统的RS232串行接口设计方法与经验技巧。本章所有的代码实例都能够在开发板上进行调试与实验。技术凝聚实力专业创新出版8.1串行通讯基本原理在讲解具体的RS232通讯接口设计之前，本节先介绍嵌入式系统中的串行通讯的基本原理与知识。在单片机及其计算机系统中，微处理器与外部设备的通讯方式一般有并行通讯模式与串行通讯模式两种。微处理器与内存、硬盘、光驱等外设之间的数据传递一般都采用并行通讯标准，在并行通讯中，一个数据位需要一个数据线，因此并行通讯只适合于近距离的通讯。当数据位较多或者传递距离远的时候，串行通讯的优点便显示出来了：串行通讯只需要两根传输线，能够节省数据传输线，并能够保证长距离数据通讯的可靠性。串行通讯与并行通讯相比的主要缺点是传送速度比并行通讯慢，技术凝聚实力专业创新出版8.1.1同步通讯与异步通讯串行通讯中，按照通讯数据的同步方式，可以分为同步串行通讯与异步串行通讯。串行同步通讯通过两个通讯设备之间的共有时钟信号进行通讯的同步，而异步通讯并不需要两个通讯设备之间有共同的时钟信号，但是要求通讯双方以同样的比特速率发送数据。在常用的单片机通讯模式中，SPI属于同步串行通讯，而RS-232属于异步串行通讯。在异步串行通讯中，数据一般以字节为单位进行传送。发送端一个字节一个字节地发送数据，通过传输线，接收设备一个字节一个字节地接收。发送端和接收端各有独立的时钟控制数据的发送和接收，两个时钟源是独立的，相互并不需要同步。技术凝聚实力专业创新出版8.1.2波特率在异步通讯中，除了要规定好传输数据的帧格式以外，还要规定好通讯的波特率。波特率是指异步通讯中数据传递的速率，是衡量数据传送速率的指标。传送速率用每秒传送数据的位数来表示，因此称为Baudrate，中文称为波特率。每秒传送一个数据位就是一波特。1波特=1bps（位/秒）在系统设计中，要根据实际通讯的需要来选择波特率，例如设计的数据传送的速率为300字节/秒，加上起始位、奇偶校验位、停止位后每帧数据长度为11位，则需要的波特率如下所示。300帧/秒×11位/帧=3300位/秒=3300bps技术凝聚实力专业创新出版8.1.3单工、半双工与全双工通讯根据数据传送方向，可以将串行通讯分为以下3种类型。（1）单工通讯（2）半双工通讯（3）全双工通讯技术凝聚实力专业创新出版8.2RS-232通讯接口设计RS-232是美国电子工业协会（EIA）于1960年发布的串行通讯标准接口，至今已经成为异步串行通讯中应用最为广泛的通讯标准之一。这个标准包括了按位串行传输的电气和机械方面的规定，以及适合短距离或带调制解调器通讯场合的标准。为了提高数据传输率和通讯局里，在RS-232串行通讯标准接口的基础上，经过逐步完善和发展，EIA又公布了RS-449、RS-422、RS-423和RS-485串行总线通讯标准，这些标准都被广泛地应用到了各种工业嵌入式系统中。技术凝聚实力专业创新出版8.2.1RS-232通讯协议目前，RS-232已经成为PC机与通讯工业中应用最广泛的串行通讯接口之一，尽管近年来随着USB技术的成熟与发展，RS-232串口的地位将逐步被USB接口协议取代，但是在工业控制与嵌入式系统中，RS-232串行通讯以其低廉的实现价格，较长的通讯距离，优异的抗干扰能力，仍然占有十分大的应用比例。技术凝聚实力专业创新出版8.2.2RS-232通讯接口定义在最初的RS-232C版本中，一个完整的RS-232接口有22根线，采用标准的25芯插头座，一般接法如图所示。技术凝聚实力专业创新出版8.2.3RS-232接口芯片MAX232由于单片机采用的是TTL电平，而接RS-232通讯的典型工作电平为+3～+12V与-3～-12V，是不能够直接和单片机进行连接的，否则有可能损害单片机，因此，要实现单片机和计算机之间的RS-232通讯，就必须采用相应的接口芯片。MAX232产品是由美国Maxim推出的一款兼容RS232标准的芯片，该器件包含2驱动器、2接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平，该器件符合TIA/EIA-232-F标准，每一个接收器将TIA/EIA-232-F电平转换成5-VTTL/CMOS电平，每一个发送器将TTL/CMOS电平转换成TIA/EIA-232-F电平，其芯片管脚如图，有从贴片到直插等不同类型的封装供选择。技术凝聚实力专业创新出版8.2.4基于AT89S51的RS-232接口电路设计AT89S51具有一个可编程的双向全双工UART接口，其发送接收管脚分别为P3.0和P3.1，利用MAX232芯片，可以方便的实现RS-232通讯与计算机进行数据交换，其典型电路图如图所示。技术凝聚实力专业创新出版8.2.5单片机之间的UART通讯除了利用MAX232等芯片将AT89S51单片机的UART收发器转换为RS-232电平与计算机交换数据以外，在单片机与单片机之间，单片机与某些电子设备之间，也可以通过TTL电平的UART收发器进行通讯与数据的交换。此时，通讯协议和RS-232是完全一致的，所不同的仅仅是通讯的电平是TTL电平，因此就不需要MAX232进行电平转换了。技术凝聚实力专业创新出版8.2.6RS-232串口调试软件在进行串口通讯电路的调试中，必须要相应的软件进行帮助，才能够顺利调试，做到事半功倍的效果。下面介绍几种最常用的串口通讯调试软件。技术凝聚实力专业创新出版8.3RS-232通讯程序设计在前面一节中详细介绍了串行通讯的基础知识与硬件设计方法，本节将要以AT89S51单片机为实例，详细讲解在AT89S51单片机UART接口在的串行通讯软件开发。技术凝聚实力专业创新出版8.3.1单片机向计算机发送数据实例如图所示为AT89S51单片机扩展RS-232接口的最小系统电路，8位的直接式键盘与单片机的P2端口相连接，采用MAX232芯片作为RS-232接口转换芯片，系统采用24M晶振。技术凝聚实力专业创新出版8.3.2计算机向单片机发送数据实例如图所示为一AT89S51单片机扩展RS-232接口的最小系统电路，8位的LED发光二极管跑马灯与单片机的P0端口相连接，采用MAX232芯片作为RS-232接口转换芯片，系统采用24M晶振。技术凝聚实力专业创新出版8.3.3串口通讯中断实例要通过串口接收大量的连续数据，就必须采用中断接收模式。下面详细讲解串口中断程序及其数据缓存的设计方法。一个接收连续数据的标准数据通讯程序应该如图所示，后台的底层驱动程序通过中断服务例程（ISR）来接收数据，读取数据后直接放入到数据循环缓存中。前台主程序循环和后台ISR中断服务程序和之间的数据交换通过事件标志和数据缓冲区来实现。技术凝聚实力专业创新出版8.3.4蓝牙通讯模块扩展实例在众多的短距离无线通信技术中，蓝牙技术是比较突出的一个，并正在得到广泛应用。在Bluetooth1.1协议中，蓝牙技术的工作频段是全球统一的2.4GHzISM频段。它采用以每秒钟1600兆的快速跳频扩频技术，传输速率为1Mbps，具有很强的抗干扰能力；其标准的有效传输距离BluetoothClass2为10米，BluetoothClass1距离为100米。蓝牙技术标准精心设计的协议有多层结构，分别负责实现数据位流的过滤和传输、跳频和数据帧传输、连接的建立和拆除，以及链路控制、数据包的拆装、服务质量和协议复用等功能。整个协议结构简单，并使用前向纠错编码及自动重传等机制保证链路的可靠性。遵循蓝牙协议的设备将能够用无线通信链路取代传统网络中错综复杂的电缆，非常方便地实现快速灵活、安全、低成本、低功耗的数据和话音通信。蓝牙技术可以同时支持语音和数据的传输。技术凝聚实力专业创新出版8.4问题与思考本章从初学者设计中最容易犯的错误中挑出几个问题进行讲解，请读者自行完成题目后再依照题后答案进行思考与学习。技术凝聚实力专业创新出版8.4.1RS-232通讯接口电路设计问题如图所示为一基于Atmel公司的AT89S51单片机设计的RS-232通讯接口电路，这个电路存在哪些问题，为什么？