河南中光學(xué)集團研發(fā)中心 呂瑞云

1.串行通信簡介

所謂串行通信，就是將數(shù)據(jù)和控制信息分成一個個的二進制位(bit)，然后通過一個通信信道逐位按順序傳輸，實現(xiàn)計算機與外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。串行通信和并口相比，速度慢，但傳送數(shù)據(jù)距離遠，因此，常應(yīng)用于需要長距離通信而對速度要求不太高的場合。串行通信因其占用硬件資源少、可有效降低成本、簡化通信設(shè)備，在電力通信、自動化控制等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

串行通信的通信方式有以下三種：單工、半雙工和全雙工。由于單工只能單向傳送數(shù)據(jù)，不能反方向傳送數(shù)據(jù)，所以應(yīng)用比較廣泛的通信方式是半雙工及全雙工。

目前，比較常用的全雙工通信模式有RS232、RS422等，比較常用的半雙工通信模式有RS485。

RS232由于推出時間早，傳送距離短、傳輸速度慢，而RS422采用非平衡發(fā)送器和差分接收器，所以允許比RS232使用更高的波特率，而且傳輸距離更遠。RS232的通信距離在15m左右，而RS422的通信距離可達1200m（波特率為90000bps時）。

RS485是RS422的變型。RS485是半雙工工作方式，不能同時發(fā)送或者接收。

2.串行通信原理

串行通訊不但可以實現(xiàn)將單片機的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C端，而且也能實現(xiàn)計算機對單片機的遠程控制。由于串行通信接線簡單，所以在遠距離傳輸中得到了廣泛的運用。

2.1 波特率選擇

計算通信速度的單位稱為波特率(Baud Rate)，波特率是指單位時間內(nèi)傳送的信息量，其單位為bps(bit/s)。51單片機串行端口一般有四種工作方式：方式0、方式1、方式2和方式3，方式0和方式2的波特率是固定的，方式1和方式3的波特率是可變的，由定時器T1的溢出率來控制。

表2

圖2 串行通信程序框圖

在選擇波特率時，首先要考慮系統(tǒng)的通信速率，然后考慮時鐘頻率及誤差。為了通信的穩(wěn)定，應(yīng)該選擇頻率誤差較小的時鐘。

2.2 通信協(xié)議的使用

在串行通信技術(shù)中，若要進行正常的通信，需共同遵守一個通信規(guī)則的約定，即通信協(xié)議，這個協(xié)議通常搭建在RS232、RS422等硬件線路基礎(chǔ)上。

通訊協(xié)議一般包含以下功能：信號的傳送與接收、差錯控制、順序控制等。

單片機、計算機之間有了協(xié)議約定，通信雙方才能明白彼此的意圖，以便進行下一步動作。在系統(tǒng)工作過程中，當單片機接收到計算機機數(shù)據(jù)信息后，便根據(jù)約定的協(xié)議，完成相應(yīng)的操作。

3.串行通信協(xié)議的設(shè)計

3.1 協(xié)議幀格式

本協(xié)議的通訊格式見表1。

一幀協(xié)議的格式及示例見表2。

3.2 協(xié)議幀解釋

示例協(xié)議每幀共9個字節(jié)，協(xié)議以十六進制表示。

STX：幀首，一幀協(xié)議的開始標志，串口接收數(shù)據(jù)時，總是先尋找?guī)?。幀首的排他性將有利于提高各通信?jié)點的接收效率；

ADDR：地址，多機通信時使用，可同時控制多臺設(shè)備，地址范圍為00-FF，對應(yīng)十進制為0-255。

SIZE：幀長，從幀首到幀尾一幀數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)；

COMMAND：指令碼，根據(jù)實際通信應(yīng)用需求，應(yīng)用I～2字節(jié)的通信指令碼；本例子的協(xié)議為溫度查詢協(xié)議，指令碼為“T”“A”，十六進制為54、41。

DATA：數(shù)據(jù)碼，跟在指令碼之后的信息場，是要傳送的數(shù)據(jù)，并不是每一幀都有數(shù)據(jù)碼；

CHK：校驗，可根據(jù)應(yīng)用需求選擇不同的校驗方式，示例的校驗為前七個字節(jié)的異或值。

ETX：幀尾，一幀協(xié)議的結(jié)束標志。

4.串行通信硬件電路設(shè)計

51單片機有一個全雙工的串行通訊口，因此計算機和單片機之間可以方便地進行串口通訊。

當使用設(shè)備距離計算機超過15m時，需使用RS422或RS485的通信模式。

串口收發(fā)器采用TI公司的低功耗全雙工RS-422收發(fā)器芯片SN65HVD53，該收發(fā)器可在多種工作速率下實現(xiàn)交流性能，在RS-422總線上可支持256個器件。并具有15KV以上的ESD保護功能，能夠為RS-485及RS-422應(yīng)用提供強大可靠的接口。

計算機的串口通過RS232/RS422轉(zhuǎn)換器后，連接到SN65HVD53的TX、RX、DE、RE上，即可進行通信。串行通信硬件電路見圖1。

5.串行通信軟件設(shè)計

5.1 串行通信程序框圖

串行通信程序框圖見圖2。

5.2 串行通信程序示例

6.結(jié)束語

本文對單片機的串行通信原理作了介紹，并設(shè)計了一套完整的通信協(xié)議、硬件電路、軟件程序示例等。本系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于邊海防視頻監(jiān)控系統(tǒng)、機場防衛(wèi)系統(tǒng)、車載轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)等200余套產(chǎn)品中。實踐表明，按照此協(xié)議進行的通信數(shù)據(jù)準確，自適應(yīng)能力強，通信可靠，具有在相關(guān)領(lǐng)域推廣的價值。

[1]單片機通信技術(shù)與工程實踐[A].求是科技[C].北京:人民郵電出版社,2005,1.