单片机与PC机串口通讯设计Word文档格式.docx
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PEV
SP
CHAR
LISTEN
SYNC
MM
SWRST
USART的控制寄存器有8个有效控制位，通过对这些控制位的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的所有操作都是通过操作该寄存器的控制位来完成的[6]。
下面是各个位的简单功能描述,知道这些控制位的功能,有助于我们在后面进行硬件连接和软件设计.
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表示发送的数据为7位，该位为1时表示
发送的数据为8位。
LISTEN：
监听使能位。
该位为0没有反馈；
该位为1，有反馈，发送的数据送到接收器，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。
该位影响着其他控制位和状态位的状态，在串行口的使用过程中，这一位比较重要。
一次正确的USART模块初始化应该是这样的顺序：
先在SWRST=1的情况下设置串口；
然后设置SWRST=0；
最后如果使用中断，则设置相应的中断使能。
该位为0时：
USART模块被允许。
该位为1时：
如果该位置位，则USART状态机和操作运行标志位都被初使化成复位状态（URXIFG=URXIE=UTXIE=0，UTXIFG=1）；
同时所受影响的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的功能才能被重新允许；
但是接收和发送标志URXE和UTXE不受SWRST控制位的影响。
二、通讯方式
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。
这两种协议的选择是通过控制寄存器中的SYNC位来决定的[7]。
本设计中主要是利用MSP430的异步通信（UART）模式原理实现单片机与PC机之间的串口通信的。
MSP430控制寄存器内的信息决定了USART的基本操作，选择异步模式（UART）需要通过设置SYNC=0来实现；
本设计中对于其他控制位的设置还有：
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。
控制位的选择基本上决定了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：
串口0和串口1，实现两个串口通信相当容易，只需要设置适当的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的同步，通信双方只要使用相同的波特率即可。
异步模式的帧格式有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：
线路空闲多机模式和地址位多机模式。
线路空闲模式下，数据块被一段空闲的时间分割。
在字符的第一个停止位之后收到10个以上的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是空闲周期的第一个信号。
在使用地址位多机模式时，字符包含一个附加的位作为地址标识，数据快的第一个字符带有一个置位的地址位，用以表明该字符是一个地址。
由于已经设置了控制寄存器中的MM=1，故在本设计中选择了地址位多机模式。
下面是UART通信的一些特点：
（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机和多台单片机的通讯中，确定一个明确而合理的通讯协议是关键，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的多机通信模式.为了区别不同的分机，必须为每个分机分配一个唯一的地址，此地址唯一区别各单片机。
数据格式采用数据包的形式，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
和校验
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:
数据内容:
n个字节
和检验:
2个字节
结束标志位:
数据格式中的地址位表示与PC机通讯的单片机地址。
操作命令则表示此次通讯要完成的操作。
在单片机发送上位机接收的时候，协议规定命令FFH为上报数据，此时数据包中的数据长度、数据内容、和检验三个域便填充实际发送数据的个数、数据及和校验；
命令F0H-F3H则表示单片机给PC机的反馈信息，此时数据包中的数据长度、数据内容和检验三个域为空，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机发送单片机接收的时候也有相似的协议规定。
第二章硬件电路设计
2.1接口电平电路设计
2.1.1RS-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机进行串口通信的时候需要进行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”的电平是-5V～－15V，逻辑“0”的电平为+5V～+15V,因为其有2V的噪声容限,故最终限制接收器能识别低至+3V的信号作为逻辑“0”，高到-3V的信号作为逻辑“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条备用和未定义线。
其中常用的只有9根，它们是：
（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处于可以使用的状态。
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发来的数据，是对请求发送信号RTS的响应信号。
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，何时无效的顺序表示了接口信号的传送过程。
例如，只有当DSR和DTR都处于有效（ON）状态时，才能在DTE和DCE之间进行传送操作。
若DTE要发送数据，则预先将DTR线置成有效（ON）状态，等CTS线上收到有效（ON）状态的回答后，才能在TxD线上发送串行数据。
这种顺序的规定对半双工的通信线路特别有用，因为半双工的通信才能确定DCE已由接收方向改为发送方向，这时线路才能开始发送
（2）2条数据发送与接收线：
发送数据（Transmitteddata-TxD）——通过TxD终端将串行数据发送已经发送。
接收数据（Receiveddata-RxD）——通过RxD线终端接收从PC发来的串行数据，（DCE→DTE）。
（3）一条地线
信号地——SG，无方向。
二、接口电路设计
RS-232接口电路连接方式根据需要有三线、六线、八线、两线多种。
当通讯速率较低时可以采用三线对接法，按图2-2所示。
图2-1RS-232电缆连接图
在本设计中采用一块MAX3221芯片把从MSP430中USART过来的信号进行电平转换后输出到PC，把从PC发过来的信号发送给USART，设计中的RS-232接口电路如图2-2所示：
图2-2RS-232接口电路图
图2-2中DB9为即为我们选用的RS-232连接器——9针串行口，其插针分别对应RS-232-C标准接口9根常用线。
其对应关系如表2-1所示[9]。
表2-19针串行口插针对应关系表
DB9管脚号
插针功能说明
标记
1
接收线信号检出
DCD
2
接收数据
RD
3
发送数据
TD
4
数据终端就绪
DTR
5
信号地
SG
6
数据传输设备就绪
DSR
7
请求发送
RTS
8
允许发送
CTS
9
振铃指示
RI
由图2-2以及表2-1可以知道，接收使能EN接地，时钟有效；
掉电模式控制脚FORCEOFF始终拉高，即MAX3221始终处在工作状态。
USART（本设计中选择UART1）的TXD脚与MAX3221的11脚（DIN）相连，USART的RXD脚与MAX3221的9脚（ROUT）相连；
输入DIN的信号转换为RS-232电平后，经MAX3221的13脚（DOUT）输出到J5（DB9）的2脚（DB9的2脚为串口的RXD脚），接口J5（DB9）的3脚（串口的TXD脚）与MAX3221的8脚（RIN）相连，这样的连接方式已将USART的输出脚TXD（本设计中UART1的P3.6管脚）和输入脚RXD（本设计中UART1的P3.7管脚）连接对调，可以直接通过延长线与PC机相连。
2.2单片机电路设计
2.2.1单片机电路设计图
单片机电路比较简单，在与接口电路连接的的基础上，分别采用单片机的一般I/O接口实现与其他电路的连接。
由于是多路通信，所以每一路的硬件设计基本相同，下面为单片机部分电路图。
图2-3单片机部分电路图
由图2-3可以看出，在单片机的时钟设计上与其他的单片机有一定区别,MSP430F149单片机采用两个时钟输入,一个32KHZ的时钟信号,一个8MHZ的时钟信号,该系统的时钟信号都是采用晶体振荡器实现的.考虑到电源的输入波纹对单片机的影响,在电源的管脚增加一个0.1µ
F的电容来实现滤波,以减小输入端受到的干扰。
另外单片机还有模拟电源的输入端,所以这里需要考虑干扰问题,在该系统中的干扰比较小,因此模拟地和数字地共地，模拟电源输入端增加一个滤波电容以减小干扰[10]。
第三章软件设计
3.1功能描述
3.1.1上位机和下位机实现的功能
一、功能描述：
1、上位机功能
（1）向下位机进行呼叫，接着发送字符串，最后发送结束标志
（2）按照一定的时间间隔对串口进行读操作,如果有数据需要接收,则进行数据接收.
2、下位机功能
（1）接收功能：
识别上位机发送的地址，如果地址匹配则接收数据,直到结束标志到来,则停止接收。
（2）发送功能：
下位机有数据需要发送时，首先向上位机发送本机地址，然后发送数据，最后发送结束标志。
3.2程序设计
3.2.1下位机程序设计
一、下位机通讯协议
分布式控制系统中的下位机的每台单片机均有唯一的地址。
通信开始时，先由PC机呼叫被叫单片机的地址，单片机在接收到PC机的呼叫后，首先判断是不是自己的地址，如果不是就不予理睬。
如果是，则发送呼叫应答信号，并根据上位机的命令进行相应的接收或发送。
根据以上要求以及UART通信协议基本内容，可以将下位机通信协议设置如下表：
表3-1下位机通讯协议格式
地址
数据
结束
地址：
取值1—8，即上位机可以呼叫的8个下位机之一，发送时地址位有效。
数据：
取值9—127，为ASCⅡ可显示字符。
结束：
0。
二、下位机程序流程图
下位机（单片机）程序设计包括初始化设计、串口中断服务设计和主处理程序设计。
本例虽然有多个下位机，但他们除了本机地址的设置不同外，其他硬件电路都是相同的，所以各下位机的软件设计也是相同的。
按照通信协议的要求可以设计出如图3-1的下位机程序流程。
图3-1下位机（单片机）主程序流程图
三、初始化设置
初始化设置包括时钟初始化，端口初始化和串口初始化。
1、时钟初始化程序及说明：
#include<
MSP430X14X.h>
#include"
UART.h"
voidInit_CLK（void）
{
unsignedinti;
BCSCTL1=0X00;
//将寄存器的内容清零
//XT2震荡器开启
//LFTX1工作在低频模式
//ACLK的分频因子为1
do
{
IFG1&
=～OFIFG;
//清除OSCFault标志
for（i=0x20;
i>
0;
i--）;
}
while（（IFG1&
OFIFG）==OFIFG）;
//如果OSCFault=1BCSCTL2=0x00;
//将寄存器的内容清零
BCSCTL2+=SELM1;
//MCLK的时钟源为TX2CLK，分频因子为1
BCSCTL2+=SELS;
//SMCLK的时钟源为TX2CLK，分频因子为1
}
由上面的程序可以知道，只要设置BCSCTL1和BCSCTL2寄存器的相应位就可以获得需要的MCLK、SMCLK、和ACLK的时钟信号。
2、端口初始化
voidInit_Port（void）
//将所有的管脚在初始化的时候设置为输入方式
P3DIR=0;
//将所有的管脚设置为一般I/O口
P3SEL=0;
return;
}
上面的初始化程序将P3口初始化为一般的I/O接口。
3、串口初始化
由于串口1（UART1）的管脚号为P3.6和P3.7，端口初始化只是将端口设置为一般的I/O接口。
而本设计里需要将P3.6和P3.7作为UART的输出和输入管脚，所以这里需要对其另外初始化。
UART1的初始化程序代码为：
、
voidInit_UART1（void）
U1CTL=0X00;
UCTL1&
=～SWRST;
//SWRDT复位，UART允许
UCTL1=CHAR+MM;
//8位数据位，1位停止位，地址位模式
URCTL1|=URXWIE；
//只有地址字符使URXIFG置位
UBR0_1=0X03;
UBR1_1=0X00;
UMCTL_1=0X4A;
//使用32KHz晶振时，波特率为9600bps
U1TCTL=0x10;
//选定ACLK（32KHz晶振）为时钟源
ME2|=UTXE1+URXE1;
//使能UART1的TXD和RXD
IE2|=URXIE1;
//使能UART1的RX中断
IE2|=UTXIE1;
//使能UART1的TX中断
P3SEL|=BIT6;
//设置P3.6为UART1的TXD
P3SEL|=BIT7;
//设置P3.7为UART1的RXD
P3DIR|=BIT6;
//P3.6为输出管脚
return;
根据硬件设置的要求，上面的程序设置了串口1的参数，比如8位数据位，1位停止位，地址位多机模式波特率发生器选择ACLK，波特率为9600波特/秒等，将P3.6和P3.7设置为串口1的I/O管脚。
四、串口中断服务程序
串口接收和发送都采用中断方式，设计单片机通信程序时，必须充分发挥单片机的效率，由于单片机多应用于实时性较强的控制场合，因此，应将及时响应和控制对象的动作放在优先考虑的位置，以尽量减少通信等辅助性操作所占用的CPU时间[11]。
基于上述考虑，在设计单片机通信程序时，将中断程序分为接收中断服务程序和发送中断服务程序2部分。
下面为串口通信程序流程图：
图3-2串口通信模块程序流程图
1、接收中断服务程序
当有数据收到时，设置一个标志通知主程序有数据到来，当地址位验证无误后，则开始接收数据。
下面为接收中断处理程序代码：
interrupt[UART1RX_VECTOR]voidUART1_RX_ISR（void）
if（URCTL1&
URXWIE）//接收为地址方式时等待正确的地址出现
if（URBUF_1==ADDRESS）//地址正确，改变接收为数据方式，准备接收
{
URCTL1&
=～URXWIE；
nRX1_Len_temp=0;
else//接收为数据时
UART1_RX_BUF[nRX1_Len_temp]=RXBUF1;
//数据存入UART1_RX_BUF里
nRX1_Len_temp+=1;
if（UART1_RX_BUF[nRX1_Len_temp++]==0）//是否到达停止位
{
nRX1_Len=nRX1_Len_temp;
nRev_UART1=1;
//设置标志来通知主程序
URCTL1|=URXWIE；
//数据收完改变为地址方式
}
对于接收中断，程序处于等待状态，当外面有数据到来时则触发接收，进入接收中断服务程序，当地址验证正确开始后面的数据，中断从“RxBUF1”寄存器里读取数据，将读到的数据放到“UART1_RX_BUF[]”全局缓冲区里,在接收数据之后设置一个标志“nRev_UART1”来通知主程序，完成后等待下一中断的到来。
接收中断服务程序包含了对地址位是否匹配的验证。
2、发送中断服务程序
当主程序有数据要发送时，设置一个中断标志进入中断并发送数据。
下面为程序代码：
interrupt[UART1TX_VECTOR]voidUART1_TX_ISR（void）
if（nTX1_Len!
=0）
nTX1_Flag=0;
//表示缓冲区里的数据没有发送完
TXBUF1==0x01;
//先写入地址字符
TXBUF1=UART1_TX_BUF[nSend_TX1];
//开始传输数据
nSend_TX1+=1;
if（nSend_TX1>
=nTX1_Len）//数据是否发送完
{
nSend_TX1=0;
nTX1_Len=0;
nTX1_Flag=1;
//缓冲区里没有数据要发送了
}
对于发送中断，程序一般处于禁止等待状态。
只有当单片机的发送缓冲区历由数据需要发送，并将发送中断置为允许方式后，发送中断才开始工作。
发送时从缓冲区里发送数据，遵守通讯协议：
首先发送地址位，然后发送
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