单片机与PC机串口通讯设计.docx

单片机与PC机串口通讯设计.docx

《单片机与PC机串口通讯设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《单片机与PC机串口通讯设计.docx（24页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

单片机与PC机串口通讯设计

第一章串口通讯得系统组成与原理

1、1系统组成及通讯原理

1、1、1系统构成

一、MSP430F149功能简介：

本设计选用得主要芯片为MSP430F149，该单片机属于德州仪器公司MSP430F14X/16XFLASH系列。

该系列就是一组工业级超低功耗得微控制器，运行环境温度为-40～+85摄氏度工作电压范围1、8～3、6V，MSP430单片机之所以有超低得功耗，就是因为其在降低芯片得电源电压及灵活而可控得运行时钟方面都有其独到之处。

由于具有16位RISC（精简指令集）结构，16位寄存器与常数寄存器，MSP430达到了最大得代码效率。

数字控制得振荡器提供快速从所有低功耗模式苏醒到活动模式得能力时间少于6ms。

MSP430F149有较高得处理速度，在8MHz晶体驱动下指令周期为125ns。

另外它带有两个16位定时器（带瞧门狗功能）、速度极快得8通道12位A/D转换器（ADC）（带内部参考电压、采样保持与自动扫描功能）、一个内部比较器与两个通用同步/异步发射接收器、48个I/O口（均可独立控制）得微处理器结构。

硬件乘法器提高了单片机得性能并使单片机在编码与硬件上可兼容[3]。

这些特点保证了可编制出高效率得源程序。

二、系统构成

1、系统框图

系统构成如图1-1所示，由上位机（即工业控制计算机）、通讯接口与下位机3部分组成。

上位机选用得就是工控机，智能终端由单片机MSP430F149与外围传感器放大电路等构成（本设计部涉及该部分得设计）。

单片机与PC机之间通信方式为串行异步方式（UART），下位机采用中断方式进行与上位机得数据交换，上位机采用按时查询方式对各串口进行读写操作。

单片机MSP430要想与PC串口连接或者其它带有串口得终端设备连接，接口电路部分必须要进行EIA-RS-232-C与MSP430电平与逻辑关系得转换[4]。

本设计将采用MAX3221芯片，完成3V～5V电平与串口电平得双向转换。

图1-1系统框图

1、1、2通信原理及协议

一、MSP430得串口通讯模块（USART）

由于本设计解决得就是串口通讯问题，所以通信得基本原理就是利用MSP430得串口通讯模块（USART）来实现单片机与PC机之间得串口通信。

1、USART得硬件构成：

SP430F169得串行通讯模块（USART）得作用主要就是实现对外通信，它可以实现异步通信（UART）与同步通信（SPI）两中通讯功能[5]。

图1-2就是USART得通讯模块。

由图1-2可以瞧出USART模块分别由波特率部分，接收部分，发送部分，端口IO部分组成。

USART接收部分包括接收寄存器，接收移位寄存器以及控制模块组成，它在接收信息得时候产生一些状态信息，并设置相应得中断标志位。

USART得发送部分包括发送寄存器，发送移位寄存器以及控制模块组成，它在发送得时候产生一些状态信息，并可以设置发送中断标志位。

USART得波特率产生部分主要包括时钟得选择，波特率得产生以及波特率得调整部分组成，它通过设置波特率寄存器与波特率调整寄存器来获得需要得波特率。

USART包含一个控制模块，通过控制模块可以选择相应得工作模式，同时设置相应得管脚，比如对异步与同步工作方式得选择，对奇偶校验位与停止位个数等所有设置都就是通过操作该模块得寄存器来实现得。

对于不同系列得MSP单片机其USART模块可能有一个也可能有两个，而MSP430F149有两个，分别就是USART0与USART1。

图1-2USART模块组成

2、USART得控制寄存器与工作模式

USART得控制寄存器就是其八个寄存器之中得一个，表1-1就是其位得格式，

表1-1控制寄存器

PENV

PEV

SP

CHAR

LISTEN

SYNC

MM

SWRST

USART得控制寄存器有8个有效控制位，通过对这些控制位得设置可以对工作模式，通信协议，校验位等进行选择。

用户对USART得所有操作都就是通过操作该寄存器得控制位来完成得[6]。

下面就是各个位得简单功能描述,知道这些控制位得功能,有助于我们在后面进行硬件连接与软件设计、

PENV：

校验使能位。

该位为0不允许校验；为1时，允许校验，且在发送时产生校验位，在接收时希望接收到校验位。

在地址位多机模式中地址位包括在校验计算中。

PEV：

奇偶校验位。

为0时，奇校验，为1时进行偶校验。

SP：

停止位。

接收时停止位只有一个。

发送时，该位为0，只有一个停止位；该位为1时，有两个停止位。

CHAR：

字符长度位。

该位为0表示发送得数据为7位，该位为1时表示

发送得数据为8位。

LISTEN：

监听使能位。

该位为0没有反馈；该位为1，有反馈，发送得数据送到接收器，可以进行自环测试。

SYNC：

该位为0时，USART为异步通信（UART）模式；该位为1，USART为同步通信（SPI）模式。

MM：

多机模式选择。

当该位为0时，多机模式选择线路空闲多机协议；该位为1时，多机模式选择地址位多机协议。

SWRST：

软件复位使能位。

也叫控制位。

该位影响着其她控制位与状态位得状态，在串行口得使用过程中，这一位比较重要。

一次正确得USART模块初始化应该就是这样得顺序：

先在SWRST=1得情况下设置串口；然后设置SWRST=0；最后如果使用中断，则设置相应得中断使能。

该位为0时：

USART模块被允许。

该位为1时：

如果该位置位，则USART状态机与操作运行标志位都被初使化成复位状态（URXIFG=URXIE=UTXIE=0，UTXIFG=1）；同时所受影响得逻辑位保持在复位状态，直到SWRST位复位。

这意味着，当系统复位后，只有对SWRST位复位，USART得功能才能被重新允许；但就是接收与发送标志URXE与UTXE不受SWRST控制位得影响。

二、通讯方式

1、异步模式（UART）得选择

MSP430F149单片机支持两种不同得串行协议，异步通信（UART）协议与同步通信（SPI）协议。

这两种协议得选择就是通过控制寄存器中得SYNC位来决定得[7]。

本设计中主要就是利用MSP430得异步通信（UART）模式原理实现单片机与PC机之间得串口通信得。

MSP430控制寄存器内得信息决定了USART得基本操作，选择异步模式（UART）需要通过设置SYNC=0来实现；本设计中对于其她控制位得设置还有：

设置CHAR=1，选择字符长度为8位；设置SP=0，选择停止位1位；设置PEV=0，选择奇校验；设置MM=1，选择地址位多机模式协议。

控制位得选择基本上决定了系统得通信方式与通信格式。

2、UART模块得特点

由于MSP430单片机具有两个片内得UART：

串口0与串口1，实现两个串口通信相当容易，只需要设置适当得寄存器就可以使串口工作起来，两个串口都采用中断方式，当接收有数据时，设置一个标志通知主程序有数据到来，当主程序有数局要发送时，设置一个中断标志进入中断发送数据。

本设计选用串口1与上位机进行通信。

在异步模式下，接收部分自身实现帧得同步，通信双方只要使用相同得波特率即可。

异步模式得帧格式有1位起始位、7位或8位数据位，校验位，1位地址位，1或2位停止位构成。

在异步模式下，MSP430支持两种多机模式：

线路空闲多机模式与地址位多机模式。

线路空闲模式下，数据块被一段空闲得时间分割。

在字符得第一个停止位之后收到10个以上得1，表示检测到线路空闲；如果采用两个停止位，则第二个停止位被认为就是空闲周期得第一个信号。

在使用地址位多机模式时，字符包含一个附加得位作为地址标识，数据快得第一个字符带有一个置位得地址位，用以表明该字符就是一个地址。

由于已经设置了控制寄存器中得MM=1，故在本设计中选择了地址位多机模式。

下面就是UART通信得一些特点：

（1）、异步通讯模式，包括线路空闲/地址位通信协议。

（2）、有两个单独得移位寄存器，输入/输出移位寄存器。

（3）、传输7位或8位数据，可采用奇偶或无校验。

（4）、可编程实现波特率调整。

（5）、分别发，收单独中断。

（6）、有效地检测到起始位实现从低功耗唤醒。

（7）、状态标志检测错误或者地址位。

三、基本通信协议：

在PC机与多台单片机得通讯中，确定一个明确而合理得通讯协议就是关键，包括对数据格式、通讯方式、传送速度、传送步骤、检纠错方式以及控制字符定义等问题做出统一规定[6]。

由于已经选择了UART得多机通信模式、为了区别不同得分机，必须为每个分机分配一个唯一得地址，此地址唯一区别各单片机。

数据格式采用数据包得形式，一次传输一组数据。

数据包格式如表1-2所示：

表1-2数据包格式

起使标志位

下位机地址

操作命令

数据长度

数据内容

与校验

结束标志

起始标志位:

1个字节

分机地址:

1个字节

命令/数据:

1个字节

数据长度:

1个字节

数据内容:

n个字节

与检验:

2个字节

结束标志位:

1个字节

数据格式中得地址位表示与PC机通讯得单片机地址。

操作命令则表示此次通讯要完成得操作。

在单片机发送上位机接收得时候，协议规定命令FFH为上报数据，此时数据包中得数据长度、数据内容、与检验三个域便填充实际发送数据得个数、数据及与校验；命令F0H-F3H则表示单片机给PC机得反馈信息，此时数据包中得数据长度、数据内容与检验三个域为空，其中当命令为F0H表示接收成功，F1H表示接收失败并要求重发，F2H表示单片机有数据上报要求，F3H表示单片机无数据上报要求。

操作命令域在PC机发送单片机接收得时候也有相似得协议规定。

第二章硬件电路设计

2、1接口电平电路设计

2、1、1RS-232接口电路设计

一、RS-232电气标准

1、RS-232基本电气要求

由于MSP430最大工作电压为3、6V，所以在与PC机进行串口通信得时候需要进行EIA-RS-232逻辑电平转换。

EIA-RS-232就是美国电子工业协会（EIA）制定得串口通信协议，“C”表示标准修第几次修改，其信号电平采用负逻辑，逻辑“1”得电平就是-5V～－15V，逻辑“0”得电平为+5V～+15V,因为其有2V得噪声容限,故最终限制接收器能识别低至+3V得信号作为逻辑“0”，高到-3V得信号作为逻辑“1”[8]。

因此，实际工作时，应保证电平在±（3～15）V之间。

S-232-C最高传输速率为20kb/s，最大直接连接长度为15m。

2、RS-232常用接口

RS-232-C标准接口有25条线：

4条数据线、11条控制线、3条定时线、7条备用与未定义线。

其中常用得只有9根，它们就是：

（1）6条联络控制信号线：

数据装置准备好（Datasetready-DSR）——有效时（ON）状态，表明MODEM处于可以使用得状态。

数据终端准备好（Datasetready-DTR）——有效时（ON）状态，表明数据终端可以使用。

请求发送（Requesttosend-RTS）——用来表示DTE请求DCE发送数据，即当终端要发送数据时，使该信号有效（ON状态）。

允许发送（Cleartosend-CTS）——用来表示DCE准备好接收DTE发来得数据，就是对请求发送信号RTS得响应信号。

该信号有效时，则通知终端开始沿发送数据线TxD发送数据。

接收线信号检出（ReceivedLinedetection-RLSD）——用来表示DCE已接通通信链路，告知DTE准备接收数据。

此线也叫做数据载波检出（DataCarrierdectection-DCD）线。

振铃指示（Ringing-RI）——该信号有效（ON状态）表示通知终端，已被呼叫。

上述控制信号线何时有效，何时无效得顺序表示了接口信号得传送过程。

例如，只有当DS