北京交通大學(xué)海濱學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 沈 敏 張 靜 王東振 金 鈺

串口是單片機(jī)與其他單片機(jī)或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行異步串行通信的標(biāo)準(zhǔn)I/O接口，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)用非常廣泛。以教學(xué)中使用的CPU字長(zhǎng)是8位的51單片機(jī)為例，實(shí)現(xiàn)雙機(jī)間多數(shù)據(jù)串行傳輸，在多數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)為每個(gè)數(shù)據(jù)增加特征值，接收的時(shí)候通過特征值判斷接收的數(shù)據(jù)，此方法最多可以實(shí)現(xiàn)雙機(jī)間16個(gè)數(shù)據(jù)的傳送，適用于5-8個(gè)通道的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。將此設(shè)計(jì)思想應(yīng)用在0-999s的秒表系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)預(yù)期效果。

單片機(jī)串口是異步串行通信，發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)并不考慮接收方什么時(shí)候接收，如果是傳送1個(gè)數(shù)據(jù)比較好處理，串口無論工作在查詢方式下還是中斷方式下，接收方的CPU只要檢測(cè)RI=1，就可以接收數(shù)據(jù)。

如果發(fā)送方發(fā)送的是多個(gè)數(shù)據(jù)，接收方接收的是發(fā)送方發(fā)送的多個(gè)數(shù)據(jù)的哪一個(gè)?發(fā)送方發(fā)送的多個(gè)數(shù)據(jù)是動(dòng)態(tài)變化的，盡管發(fā)送方發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)的順序在編程中是固定不變的，但是串口通信是異步的，接收方接收時(shí)，無法知道此次接收的數(shù)據(jù)是發(fā)送方發(fā)送的哪一個(gè)數(shù)據(jù)，所以接收方必須有能力判斷接收到的是哪一個(gè)數(shù)據(jù)才能真正實(shí)現(xiàn)異步串行通信多數(shù)據(jù)的正確傳送。

1 發(fā)送數(shù)據(jù)的加密原理及編程實(shí)現(xiàn)

要想讓接收方有能力判斷接收的數(shù)據(jù)是哪一個(gè)數(shù)據(jù)，可以對(duì)要發(fā)送的數(shù)據(jù)做加密處理，數(shù)據(jù)加密技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)中最基本的安全技術(shù)，主要是通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行數(shù)據(jù)加密來保障其安全性。本設(shè)計(jì)借用數(shù)據(jù)加密的思想，對(duì)要發(fā)送的數(shù)據(jù)采用增加特征值的加密處理方法，乙機(jī)接收數(shù)據(jù)后，通過解密獲取特征值，就可以知道接收的是哪一個(gè)數(shù)據(jù)了。特征值的選取要視發(fā)送數(shù)據(jù)的范圍，本文以發(fā)送壓縮BCD碼說明數(shù)據(jù)加密的原理及編程實(shí)現(xiàn)。

1.1 發(fā)送數(shù)據(jù)的加密原理

壓縮BCD碼是用4位二進(jìn)制表示1位十進(jìn)制，由于設(shè)計(jì)中使用的單片機(jī)CPU的字長(zhǎng)是8位的，所以一次可以處理1個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，用字節(jié)表示1位BCD碼的時(shí)候，高4位一定是“0”，低4位是”0-9”中的1個(gè)數(shù)字，這樣用高4位的“0”就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)加密處理。使用邏輯或指令，對(duì)傳送數(shù)據(jù)的高4位用1-4個(gè)“1”做邏輯或的運(yùn)算，增加一個(gè)特征值。從0001一直到1111，一共可以加密15個(gè)數(shù)據(jù)，如果加上0000，則可以實(shí)現(xiàn)對(duì)16個(gè)BCD碼數(shù)據(jù)的高4位做加密處理。在實(shí)際雙機(jī)通信系統(tǒng)中，下位機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)，并把檢測(cè)的數(shù)據(jù)做二進(jìn)制到十進(jìn)制的轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換的結(jié)果通過串口發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行顯示，如果檢測(cè)數(shù)據(jù)范圍在0-999的范圍，則上述加密方法可以對(duì)5個(gè)數(shù)據(jù)采集通道的數(shù)據(jù)做加密處理；如果檢測(cè)數(shù)據(jù)范圍在0-99的范圍，則可以對(duì)8個(gè)數(shù)據(jù)采集通道的數(shù)據(jù)加密，該加密方法可以滿足大部分雙機(jī)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。

圖1 數(shù)據(jù)加密及發(fā)送流程圖

1.2 數(shù)據(jù)加密的匯編編程實(shí)現(xiàn)

本文以0-999秒的秒表作為應(yīng)用背景，發(fā)送方相當(dāng)于下位機(jī)檢測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)送方使用51單片機(jī)的定時(shí)器0工作在方式1、12MHZ晶振下，再利用“軟計(jì)數(shù)”做1S定時(shí)，定時(shí)秒數(shù)的個(gè)位、十位和百位分別用R1、R2、R3分別存放，數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)串口工作方式2下，以查詢的方式發(fā)送數(shù)據(jù)，對(duì)這3個(gè)數(shù)據(jù)做加密和發(fā)送的流程圖如圖1所示。

如果要發(fā)送的數(shù)據(jù)比較多，可以使用單片機(jī)集成的片內(nèi)RAM來存放要發(fā)送的數(shù)據(jù)，具體的處理過程是一樣的，只是可以使用寄存器間接尋址，通過循環(huán)的方式來加密、發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)。

對(duì)圖1流程圖的匯編語言編程實(shí)現(xiàn)如下：

圖2 數(shù)據(jù)接收算法流程圖

MOV A,R1；取要發(fā)送的第1個(gè)數(shù)據(jù)

ORL A,#80H；加密，特征值是80H

MOV SBUF,A；發(fā)送

JNB TI,$；等待發(fā)送完成

CLR TI；清發(fā)送標(biāo)志位，準(zhǔn)備發(fā)送第2個(gè)數(shù)據(jù)

MOV A,R2；取要發(fā)送的第2個(gè)數(shù)

ORL A,#40H；加密，特征值是40H

MOV SBUF,A；發(fā)送

JNB TI,$；等待發(fā)送完成

CLR TI；清發(fā)送標(biāo)志位，準(zhǔn)備發(fā)送第3個(gè)數(shù)據(jù)

MOV A,R3；取第3個(gè)數(shù)據(jù)

ORL A,#20H；加密，特征值是20H

MOV SBUF,A；發(fā)送

JNB TI,$；等待發(fā)送完成

CLR TI；清發(fā)送標(biāo)志位

2 接收數(shù)據(jù)的解密及編程實(shí)現(xiàn)

51單片機(jī)的串口是異步通信，發(fā)送方與接收方工作時(shí)序不同步，所以當(dāng)發(fā)送方發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，接收方需要能判斷接收的是哪一個(gè)數(shù)據(jù)，后續(xù)才能做出正確的處理。

2.1 接收數(shù)據(jù)的解密

接收數(shù)據(jù)的解密要根據(jù)發(fā)送方加密數(shù)據(jù)的方法進(jìn)行，由于數(shù)據(jù)加密是利用壓縮BCD碼的高4位全是“0”，通過給高4位補(bǔ)充0-4個(gè)“1”的特征值的方法進(jìn)行的，接收方接收的數(shù)據(jù)通過提取特征值的方法，就可以判斷當(dāng)前接收的數(shù)據(jù)是哪一個(gè)數(shù)據(jù)，接收方接收數(shù)據(jù)也是工作在查詢方式下，具體的算法流程圖如圖2所示。

2.2 接收數(shù)據(jù)的編程實(shí)現(xiàn)

LP:JNB RI,$；等待接收完成

CLR RI；接收完成，清接收標(biāo)志位，準(zhǔn)備接收下一個(gè)數(shù)據(jù)

MOV A,SBUF；接收數(shù)據(jù)

MOV 30H,A；保存

ANL A,#0F0H；提取特征值

CJNE A,#80H,NEXT；與特征值80H比較，不相等繼續(xù)比較，否則是第1個(gè)數(shù)據(jù)

MOV A,30H；取回保存在30H中的數(shù)據(jù)

ANL A,#0FH；提取第1個(gè)數(shù)據(jù)

MOV R1,A；保存第1個(gè)數(shù)據(jù)

SJMP XIAN

NEXT:CJNE A,#40H,NEXT1；與特征值40H比較，不相等繼續(xù)比較，否則是第2個(gè)數(shù)據(jù)

MOV A,30H；取回保存在30H中的數(shù)據(jù)

ANL A,#0FH；提取第2個(gè)數(shù)據(jù)

MOV R2,A；保存第2個(gè)數(shù)據(jù)

SJMP XIAN

NEXT1:CJNE A,#20H,AGAIN；與特征值20H比較，不相等等待接收數(shù)據(jù)，否則是第3個(gè)數(shù)據(jù)

MOV A,30H；取回保存在30H中的數(shù)據(jù)

ANL A,#0FH；提取第3個(gè)數(shù)據(jù)

MOV R3,A；保存第3個(gè)數(shù)據(jù)

XIAN:ACALL DISP

AGAIN:SJMP LP

接收方在識(shí)別出接收的是哪一個(gè)數(shù)據(jù)后，通過調(diào)用顯示子程序可以把識(shí)別的數(shù)據(jù)送到乙機(jī)數(shù)碼管上顯示，這樣乙機(jī)上0-999s的秒數(shù)可以穩(wěn)定的顯示。

總結(jié)：保證雙機(jī)通信多數(shù)據(jù)正確傳輸?shù)年P(guān)鍵是對(duì)發(fā)送的多個(gè)數(shù)據(jù)“加密”，具體的處理方法可以是對(duì)每個(gè)發(fā)送數(shù)據(jù)分別“加密”，然后接收方對(duì)接收的數(shù)據(jù)解密后根據(jù)加密特征值逐一對(duì)比，也可以只對(duì)發(fā)送一組數(shù)據(jù)的首個(gè)數(shù)據(jù)做特征值的“加密”處理，接收時(shí)只在接收到包含特征值的數(shù)據(jù)后才開始逐一接收，這樣對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)就沒有限制了。