单片机与PC机串口通讯设计

第一章串行通信的系统结构和原理1.1系统构成和通信原理1.1.1系统构成另一方面，MSP430F149功能概要：本设计选择的主要芯片为MSP430F149，该单片机属于德州仪器公司MSP430F14X/16X FLASH系列。 该系列是工业级超低功耗微控制器，运行环境温度为-40 85的工作电压范围为1.83.6V，MSP430单片机之所以具有超低功耗，是因为降低芯片的电源电压和灵活可控的工作时钟方面有独特之处由于具有16位RISC (紧凑指令集)结构，16位寄存器和常数寄存器，MSP430实现了最大的代码效率。 数字控制振荡器提供快速从所有低功耗模式唤醒到活动模式的能力的时间小于6ms。 MSP430F149具有高处理速度，并且在8MHz晶体驱动下指令周期为125 ns。 2个16位计时器(带监视功能)、非常高速的8通道12位A/D转换器(ADC ) (带内部基准电压、采样保持和自动扫描功能)、1个内部比较器和2个通用同步/异步收发器、48个I/O端口(均可独立控制)微型计算机硬件乘法器提高了单片机的性能，使单片机与代码和硬件兼容3。 这些特点保证了可以制定高效的源程序。二、系统构成1 .系统框图如图1-1所示，系统构成由上位机(工业控制计算机)、通信接口和下位机3个部分构成。 控制器被选择为上位机，智能终端由单片机MSP430F149和周边传感器放大电路等构成(本设计部与该部分的设计有关)。 单片机与PC之间的通信方式为串行异步方式(UART )，下位机通过中断方式与上位机进行数据交换，上位机通过定时询问方式对各串行进行读写操作。 单片机MSP430在连接至PC串行连接或其他串行终端设备时，需要接口电路部分转换EIA-RS-232-C和MSP430级的逻辑关系4。 本设计采用MAX3221芯片，完成3V5V电平和串行电平的双向转换。图1-1系统框图1.1.2通信原理和协议另一方面，MSP430的串行通信模块(USART )由于该设计解决了串行通信问题，因此通信的基本原理是利用MSP430的串行通信模块(USART )在单片微计算机和PC之间实现串行通信。1、USART硬件配置：SP430F169的串行通信模块(USART )的作用主要是实现对外通信，从而实现异步通信(UART )和同步通信(SPI )两种通信功能5。 图1-2是USART的通信模块。从图1-2可知，USART模块由波特率部、接收部、发送部、端口IO部构成。 USART接收部由接收寄存器、接收移位寄存器、控制模块构成，在接收信息时生成状态信息，并设定对应的中断标志位。 USART的发送部分由发送寄存器、发送移位寄存器、控制模块构成，可在发送时生成状态信息，设定发送中断标志位。 USART的波特率发生部分主要由时钟的选择、波特率的发生、波特率的调整部分构成，通过设定波特率寄存器和波特率调整寄存器得到必要的波特率。 USART中包含有控制模块，控制模块能够选择对应的动作模式，同时，通过操作模块的寄存器，实现异步和同步动作模式的选择、奇偶校验位和停止比特数等所有设定。 不同系列的MSP单片机可以具有至少一个USART模块，但MSP430F149具有USART0和USART1两个USART模块。图1-2 USART模块配置2、USART的控制寄存器和动作模式USART的控制寄存器是其8个寄存器之一，表1-1是其位的格式表1-1控制寄存器PENV公司PEV公司SPcharcharLISTEN同步MMSWRST在USART的控制寄存器中具有8个有效的控制位，通过设定这些控制位，能够选择动作模式、通信协议、奇偶校验位等。 用户对USART的所有操作都是通过操作此寄存器的控制位来完成的6。 下面是每个比特的简单功能说明，了解这些控制比特的功能对于我们以后的硬件连接和软件设计有帮助PENV :验证使能。 如果该比特为0，则不允许验证；如果为1，则允许检查，在发送时生成奇偶校验比特，在接收时希望接收奇偶校验比特。 在地址比特多机器模式中，地址比特包含在验证计算中。PEV :奇偶校验。 0的情况下进行奇数检查，1的情况下进行偶数检查。SP :停止位。 接收时只有一个停止位。 发送时，该位为0，只有一个停止位。如果该位为1，则有两个停止位。CHAR :字符长度位。 该位为0时，发送的数据为7位，该位为1时显示发送的数据是8比特。LISTEN :监听功能。 该位为0，没有反馈。该位为1，有反馈，传输的数据被发送到接收机，可以进行自回路测试。SYNC :如果该位为0，则USART处于异步通信(UART )模式，该位为1，USART处于同步通信(SPI )模式。MM :多模式选择。 当该位为0时，多模式选择线路空闲多协议当该位为1时，多模式选择地址位多协议。SWRST :软件复位许可位。 也称为控制比特。 该比特影响其它控制比特和状态比特的状态，并且该比特在串行端口的使用中是重要的。 一次正确的USART模块初始化必须按照SWRST=1时设置串行端口的顺序进行，然后，如果要在SWRST=0时最后使用中断，请设置适当的中断启用。 如果此位为0 :允许USART模块。 该位为1时：如果是该位置位，则USART状态机和操作执行标志位都被初始化为复位状态(URXIFG=URXIE=UTXIE=0，UTXIFG=1)； 同时受影响的逻辑比特维持重置状态，直到SWRST比特被重置。 这意味着仅在系统重置之后重置SWRST比特就允许USART的功能，但是标志URXE和UTXE不受SWRST控制比特的影响。二、通信方式1 .异步模式(UART )的选择MSP430F149单片机支持两种不同的串行协议、异步通信(UART )协议和同步通信(SPI )协议。 当控制寄存器的SYNC位时，决定选择这两个协议7。该设计主要利用MSP430的异步通信(UART )模式原理实现单片机与PC之间的串行通信。在MSP430控制寄存器内的信息决定USART的基本动作，为了选择异步模式(UART )，需要通过设定SYNC=0来实现的本设计中，将其他控制位的设定设定为CHAR=1，将字符长度设定为8位并设定SP=0， 选择停止位1位设定PEV=0，选择奇偶校验位设定MM=1，选择地址位多模式协议。 控制比特的选择基本上决定系统的通信方式和通信格式。2、UART模块的特点由于MSP430单片机具有两个片内的UART :串行0和串行1，因此实现两个串行通信非常简单，只需设置适当的寄存器即可使串行工作，两个串行采用中断方式，数据设定一个标志，通知主程序数据已到达，主程序发送数台时，设定一个中断标志，插入中断发送数据。 本设计使用序列1与上位机通信。在异步模式中，接收部分本身实现帧的同步，通信双方使用相同的波特率即可。 异步模式的帧格式由1比特的开头比特、7比特或8比特的数据比特、奇偶校验比特、1比特的地址比特、1比特或2比特的停止比特构成。 在异步模式下，MSP430支持两种多模式：线路空闲多模式和地址位多模式。 在空闲模式下，用特定的空闲时间分割数据块。 在字符串的第一个停止比特之后接收10个或更多个1，并且如果两个指示检测到线路空闲的停止比特，则认为第二个停止比特是空闲时段中的第一个信号。 使用地址位多机模式时，字符包含附加位作为地址id，数据的第一个字符具有地址位的位置，表示该字符是地址。 由于将MM=1设置为控制寄存器，因此本设计选择了地址位多机模式。UART通信的特征如下所示(1)包括异步通信模式、线路空/地址比特通信协议。(2)、有2个单独的移位寄存器，输入输出移位寄存器。(3)、传输7位或8位数据，可采用奇偶校验或无校验。(四)、可编程波特率调整。(五)、单独发送，单独中断。(6)、有效检测起始位实现低功耗唤醒。(7)、状态标志检测错误或地址位。三、基本通信协议：在PC与多台单片机的通信中，确定明确合理的通信协议至关重要，包括统一规定数据格式、通信方式、传输速度、传输顺序、纠错方式、字符定义控制等问题6。 因为选择了UART的多机通信模式，所以为了区分不同的分机号，必须对每个分机号分配固有的地址。 这个地址唯一区分每台单片机。 数据格式是数据包格式，一次传输一组数据。 分组格式如表1-2所示表1-2包格式启用标志位下位机地址操作指令数据长度数据内容和式检查结束标志起始标志位：1字节分机号： 1字节命令/数据： 1字节数据长度： 1字节数据内容： n字节检查： 2字节结束标志位： 1字节数据格式中的地址位表示与PC设备通信的单片机的地址。 操作指令表示本次通信完成的操作。 当单片机发送和接收上位机时，协议将命令FFH定义为报告数据，在这种情况下，包中的数据长度、数据内容、检查三个字段是实际发送的数据的数量、数据、 用于嵌入检验的命令F0H - F3H表示从单片微计算机到PC设备的反馈信息，其中分组中的数据长度、数据内容和检验三个域是空的，命令F0H表示成功接收，F1H表示失败接收和重传请求，以及F2H表示单片微计算机操作命令域在PC设备发送和接收单片机时也存在类似的协议规定。第二章硬件电路设计2.1接口电平电路设计2.1.1 RS-232接口电路设计一、RS-232电气标准1、RS-232基本电气要求MSP430的最大动作电压为3.6V，因此与PC进行串行通信时需要EIA-RS-232逻辑电平转换。 EIA-RS-232是美国电子工业协会(EIA )制定的串行通信协议，“c”标准地表示多次修改，其信号电平采用负逻辑，逻辑“1”的电平为-5V-15V，逻辑“0”的电平为5V 15V，因此最终具有2V的噪声容限因此，实际动作时，电平应在(315)V之间。 S-232-C的最大传输速率为20kb/s，最大直接连接长度为15m。2、RS-232通用接口RS-232-C标准接口包括4条数据线、11条控制线、3条定时线、7条备用线和未定义线。 其中经常使用的只有九根，它们如下：(1)6条联络控制信号线：当数据设备(Data set ready-DSR)有效时(ON )的状态指示调制解调器处于可使用状态。当数据终端准备(Data set ready-DTR)有效时(ON )的状态指示数据终端可使用。请求发送(Request to send-RTS)用于指示DTE向DCE发送数据，即终端发送数据时启用(ON状态)。允许发送(Clear to send-CTS)是用于指示DCE准备好从DTE接收数据并请求发送信号RTS的响应信号。 若该信号成为有效，则通知终端沿着发送数据线TxD开始数据的发送。接收线路信号检测(receivedlinedetection-rlsd ) 用于指示DCE已打开通信链路并且准备好接收数据到DTE。 该线也称为数据载体的dec-dcd线。振铃指令将该信号的有效性(ON状态)通知终端，这表示已经进行了呼叫。上述控制信号线何时有效、何时无效的顺序表示接口信号的传输过程。 例如，只有在DSR和DTR都处于启用(ON )状态时，才能在DTE和DCE之间执行传输操作。 DTE发送数据时，将DTR线设为有效(ON )状态，CTS线接收到有效(ON )状态的回答后，在TxD线上发送串行数据。 这种顺序的定义对于半双工通信线路特别有用，并且当在半双工通信中确认DCE从接收方向改变为发送方向时，线路可以开始发送(2)两条数据收发线：发送数据(Transmitted data-TxD)通过TxD终端发送串行数据。接收数据(Received data-RxD)通过RxD线路终端从PC接收串行数据(DCEDTE )。(3)一根地线信号地SG，没有方向。二、接口电路设计根据需要，RS-232接口电路的连接方式有三线、六线、八线、二线。 在通信速度低的情况下，如图2-2所示，能够采用三线对接法。图2-1 RS-232电缆连接图在该设计中，使用MAX3221芯片对MSP430中的来自USART的信号进行电平转换，将该信号输出到PC，以向USART发送来自PC的信号，但是设计中的RS-232接口电路如图2-2所示图2-2 RS-232接口电路图在图2-2中，DB9是我们选择的RS-232连接器9针脚串行端口，其针脚分别对应于9条RS-232-C标准接口常用线。 其对应关系如表2-1所示9 .表2-1 9针排气口针对应关系表DB9针号针功能说明马克1接收线信号检测D