《電子技術應用》
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Linux PC和51系列單片機串行通信的設計
摘要: Linux是遵循GPL協議的免費源代碼開放軟件,任何人都可以自由的從Internet上取得其源程序,也可在GPL的協議下修改其源代碼以適應特定的應用,其運行在普通的PC上,性能穩定,特別適于做工業控制,因此實現Linux和單片機的串行通信非常有意義,他可以是昂貴的UNIX工作站的一種可選的替代方法。
Abstract:
Key words :

單片機性能穩定、價格低廉、功能強大,在智能儀器、工業裝備以及日用電子消費品中得到了越來越廣泛的應用。在單片機的輸入輸出控制中,除直接接上小鍵盤和 LCD顯示屏等方法外,一般都通過串口和上位機PC進行通信,而后一種方法由于能實現遠程控制,并且能夠利用PC機強大的數據處理功能以及友好的控制界面,顯得尤為重要。在一般的利用PC機對單片機進行控制的場合,都是采用Windows作為上位機的平臺,其優點是界面友好,編程和操作都比較容易,缺點是穩定性太差,這對于需要連續數天或數月運行的裝置來說,尤其不合適。在要求比較苛刻的場合,一般都采用UNIX工作站作為主控平臺,如合肥同步輻射加速器的主控平臺采用的是SUN的Solaris工作站系統,然而UNIX工作站昂貴的價格又大大限制了其使用的范圍。近年來,隨著Linux的迅猛發展,使其逐漸從少數人的玩具變成了主流的操作系統。Linux是遵循GPL協議的免費源代碼開放軟件,任何人都可以自由的從Internet上取得其源程序,也可在GPL的協議下修改其源代碼以適應特定的應用,其運行在普通的PC上,性能穩定,特別適于做工業控制,因此實現Linux和單片機的串行通信非常有意義,他可以是昂貴的UNIX工作站的一種可選的替代方法。

1 硬件原理

目前國內使用較多的為MCS-51系列的單片機,因此選用的單片機實驗對象為一片AT89C51,圖1是硬件原理圖,由于要實現符合RS232C的串行通信,還應該用一片ICL232CPE(MAX232)作為串行通信的電平轉換電路。在實驗過程中,為了查看通信是否成功,除了讓單片機對上位機回送數據外,還在單片機外圍擴展了幾片鎖存器,幾個LED發光二極管和幾個小鍵盤。串行通信是采用最簡單的TxD,RxD,GND三線制連接,注意TxD和RxD 兩邊應該交叉連線。

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上位機是一臺普通的PC機,共有2個串行口COM1,COM2,其運行RedHat8.0,實際上,如果不要求運行Gnome或KDE等圖形界面,Linux對系統硬件的要求相當低。

實驗證明,此電路簡單可靠,非常適用于測試串行通信。

2 串行通信程序設計

串行通信程序包括下位機單片機和上位機PC機的程序。單片機接收上位機傳來的數據,放到片內RAM里面,再將RAM內數據同時發送到外部擴展鎖存器和上位機,由此可以判斷通信是否成功。此程序由匯編語言寫成,初始化時波特率設置為4 800 b/s,通信方式為8-N-1。

上位機程序的編寫是關鍵部分,因為要對串口硬件設備進行操作,有2種方法,一是利用Linux內核自帶的串口驅動程序,另外一種方法就是直接讀寫串口硬件端口,下面分別介紹。

2.1 利用串口驅動程序的編程方法

利用Linux自身的串口驅動程序進行編程,實際上就是調用驅動程序的一系列函數,完成串口通信參數的設置,數據的發送和接收。在這種方法中,Linux給每個串口都分配一個文件索引號,有相應的文件名稱,實際上是將硬件設備看成一種特殊的文件,如COM1,COM2對應的文件分別為/dev/ttyS0,/dev/ttyS1,操作這2個串口實際上就是操作這2個文件,而對硬件設備文件的操作與對普通文件的操作并沒有什么不同,都可以使用相同的文件I/O調用函數(open,write,read,close),不同之處在于用系統調用 open()打開串口得到相應設備的文件描述符以后,先要對其進行初始化,設置一些特定的參數,如波特率、數據位、輸入輸出方式等,這些參數存放在 structtermios中,函數tcsetattr()可以設置串口的structtermios,tcgetattr()可以得到串口的 struct termios。設置完通信參數后就可用read和write對串口文件進行讀寫了。運行程序時要注意用戶是否有對要操作的串口文件進行讀寫的權力,可以用chmod命令進行文件權限修改。

初始化函數如下:

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初始化以后就開始發送和接收數據,先將一個字符串發送給單片機,單片機接收到數據后,將數據返回給上位機。但需要注意的是,由于上位機速度比單片機快得多,一次不能發送過多的數據,否則極有可能使發送緩沖區溢出而丟失數據,發送過后,還需等待一段時間,使單片機將數據完全發送到上位機后,再進行讀取。

2.2 直接讀寫串口硬件端口的方法

在使用這個方法的時候,必須對串口通信的硬件原理有一些了解。PC機的串口是由通用異步收發器8250UART(或16550)為核心構成的,寄存器基地址分別是0x3f8(COM1)和0x2f8(COM2),還有其他的一些用于控制的寄存器。有很多寄存器是與Modem相關的,而在使用三線制進行通信時用不到,只用關心與通信相關的寄存器,比起使用為通用功能編寫的串口設備驅動程序來,直接讀寫相關寄存器效率更高。

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初始化后,就可以進行數據的收發了,接受數據之前必須保證接收數據就緒,這可以通過0x2fd的D0來判斷,發送數據之前必須保證發送寄存器為空,這可以通過0x2fd的D5來判斷,代碼如下:

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3 結語

實驗表明,此系統采用的2種方法都完全實現了LinuxPC機與單片機之間點對點的通信,方法簡單可靠,基本上在需要用到PC機與單片機串行通信的場合均可采用此種方法。隨著近年來Linux在國內應用范圍的日益壯大,在工業控制、數據采集等領域也必將越來越多的采用Linux,本文可以算作是一個有益的嘗試。當然在實際應用中還需要考慮一些問題,比如進行出錯處理的問題,可以在一個要發送的字符串后再發送一個校驗和,當收到返回的校驗和與發送的校驗和不一致時再進行重發,再比如所采用的RS232C傳輸距離很短,并且抗干擾能力很差,這時需要將總線轉換成差分傳輸的RS485/RS422。另外,稍加改進,就可實現PC機與多片51單片機的串行通信,這時由于共用一條總線,必須給每個單片機分配一個地址,然后由PC機對總線進行仲裁,只有獲得總線使用權的單片機才能與上位機進行通信,這里不再贅述。

總之,本文只是為Linux PC和單片機串行通信提供了一個典型的范例,要應用到實際的項目中去,還需要根據實際的情況具體考慮,靈活應用,最終才能形成一個可靠的基于Linux平臺的系統。

參考文獻
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