PIC16系列单片机与PC机串行通信的软硬件实现

winnie

摘 要介绍一种运用PIC16F84单片机实现与PC机串行通信的方法，并给出其硬件接口电路及通信源程序。

1 前言

美国Microchip公司的PIC16系列单片机是一种新型的CMOS工艺的8位单片机。其中，PIC16FXX单片机的程序存储器为电可擦除闪速存储器（flash），可多次修改程序，甚至可以在线编程。PIC16F83和PIC16F84片内数据存储器除RAM外，还有64字节的EEPROM，可以当作一般的或非易失性的数据存储器使用，简单方便。它还具有片内上电复位、延时电路、看门狗电路等。另外，PIC16系列单片机功耗极低，因而是一种非常适合在各种便携式设备中使用的高性价比的单片机，并已经得到了越来越广泛的应用。
但是在许多需要大量计算的运用中，还必须借助微机的强大数据处理能力。这样必须通过通信电路实现PIC单片机与微机间的可靠数据传输。有的PIC16单片机内并没有提供串行口，所以串行通信必须通过自己设计的硬件电路和通信软件来实现。
下面介绍用查询法实现异步串行通讯的方法。同时给出了用PIC16F84单片机的两个I/O口模拟2线串行口的硬件接口电路、程序流程框图、单片机内通信程序以及微机内的通信程序等。

2 硬件实现方法与电路

PIC16F84单片机的程序存储器由1K×14的闪速（flash）存储器构成，它只有13条I/O口，1个定时器，为了尽量节省单片机的软硬件资源，采用下述异步串行通信的实现方法。
如图1所示，PIC16F84在4MHz时钟下，采用半双工方式，可实现9600波特率的异步串行数据通信，1位停止位，8位数据位，无校验位。接收和发送以低位在先（一般模式），采用软件延时。为节省篇幅，单片机内的通信程序中未提供任何握手协议，用户可根据自己的需要在软件中加入握手方式。

由于PIC16F84单片机本身没有专门的串行口，这里用其I/O口来模拟串行口的功能。
PC机的串行接口是符合EIA RS-232C规范的外部总线标准接口。RS-232C采用的是负逻辑，即逻辑“1”：－5V至－15V；逻辑“0”：+5V至+15V。而CMOS电平为：逻辑“1”：4.99V，逻辑“0”：0.01V；TTL电平的逻辑“1”和“0”则分别为2.4V和0.4V。因此在用RS-232C总线进行串行通信时需外接电路实现电平转换。在发送端用驱动器将TTL或CMOS电平转换为RS-232C电平，在接收端用接收器将RS—232C电平再转换为TTL或CMOS电平。
这里选用了MAXIM公司的MAX202E来作电平转换。MAX202E属于MAXIM公司的通用串行接收/发送驱动器芯片。其外围电路简单，只需外接四个0.1μF的电容即可，如图1所示。



图1 接口原理图

3 PIC16F84单片机内通信程序的设计

　


图2 接收子程序框图 图3发送子程序框图


图2和图3分别是串行发送和接收的子程序流程框图。发送时，通过使数据发送端DX为低电平并保持B秒（9600波特率时为104μs）来发送起始位。随后每B秒钟通过置位或清零DX端把数据发送出去。这里的B是指一位所持续的时间（B=1/波特率）。接收时，数据接收端DR大约要每B/2秒（9600波特率时为52μs）查询一次以检测起始位，如果检测到起始位，则在大约1.5B秒（9600波特率时为156μs）后检测第一位数据位，随后每B秒钟检测一次其它的数据位。
相应的源程序如下：

；接收子程序
Rcvr
clrwdt
；清片内看门狗
；定时器
btfsc
RA，DR ；检测起始位
goto
Rcvr ；未检测到起始位
movlw
8 ；检测到起始位
movwf
R_CNT ；8位数据位
Rnext
call
Delay ；延时B/2秒
bcf
STATUS,C ；清进位标志
rrf
RevReg ；LSB在先
btfsc
RA,DR ；该位为0
　
；还是为1
bsf
RcvReg，MSB ；为1
call
Delay ；延时B/2秒
decfsz
R_CNT
goto
Rnext
retlw0
；返回
；发送子程序
Xmtr
clrwdt
；清片内看门狗
；定时器
movlw
8 ；发送位数为8
movwf
X_CNT
bcf
RA，DX ；发送起始位
Xnext
call
Delay ；延时B/2秒
call
Delay ；延时B/2秒
rrf
XmtReg ；LSB在先
btfsc
STATUS,C ；检测将要发送
　
；的数据位
bsf
RA,DX ；数据位为1
btfss
STATUS，C
bcf
RA，DX ；数据位为0
decfsz
X_CNT ；位计数为0则
；发停止位
goto
Xnext ；位计数不为0
；则发下一位数据位
Xstop
call
Delay ；延时B/2秒
call
Delay ；延时B/2秒
Bsf
RA,DX ；发送停止位
Retlw
0 ；返回
；延时子程序
Delay
movlw
12 ；52μS延时
movwf
DCNT ；
Dnext
decfsz
DCNT
goto
Dnext ；
retlw 0
；

4 Win95的串行通信机制及串口查询法的原理

常用的DOS系统主要是工作在响应中断方式。PC机串行通信程序大多利用其BIOS块的INT14H中断，以查询串口的方式完成异步串行通信。
Windows系统函数即包含了通信支持中断功能。Win95系统为每个通信设备开辟了用户定义的输入输出缓冲区（即读/写缓冲区），数据进出通信口均由系统后台来完成。应用程序只需完成对输入输出缓冲区操作就可以了。实际过程是每接收一个字符就产生一个低级硬件中断，Win95系统中的串行驱动程序就取得了控制权，并将接收到的字符放入输入数据缓冲区。然后将控制权返还正在运行的应用程序。如果输入缓冲区数据已满，串行驱动程序用当前定义的流控制机制通知发送方停止发送数据。队列中的数据按“先进先出”的次序处理。
(1) 按协议的设置初始化并打开串口，这样做就是通知Windows本应用程序需要这个串口，并封锁其他应用程序使它们不能使用此串口。
(2) 配置这个串口。
(3) 在串口上往返地传输数据，并在传输过程中进行校验。
(4) 不需要此串口时，关闭串口。即释放串口以供其它应用程序使用。
在这四个步骤中，主要的程序代码集中在第（3）步。
串口查询法是一种主要工作在查询方式下的实现方法。当通信程序工作在“查询”方式时，可以不考虑Win95的进程和线程的问题。仅在串口有数据时，去读串口缓冲区就可以了，如图4所示。这种方法下确定串口读取的时机、握手协议及软件纠错的实现是程序员应考虑的主要问题。

　

图4 读取接收缓冲区数据流程图

　


图5 串口初始化流程


由于这种方法主要工作在查询方式。程序员必须完成相当一部分通信状态的检测工作，许多细节（甚至包括通信过程中的字符属性的转换）也必须通过程序代码完成。这种查询方法对通信双方协议的依赖性尤其大。双方通信协议的约定对程序实现的难易程度影响很大。
串口查询法中，一般串口初始化的流程如图5。
值得注意的一点是，此方法下协议的约定必须满足以下条件：即甲方发送时，乙方必须在甲方发送动作之前进入循环接收状态，直到接收到字符后通过对串口读取函数ReadFile返回值的判断跳出循环状态。
同时，一般为了不使系统因循环等待接收而进入“死循环”状态，可以人为设置读取串口的循环次数，一般1000～10000次即可。
本程序的实现平台是VB4，这是一种极为灵活的高级语言，它可以方便地引入汇编语言的思维，利用其GoTo转向语句方便地控制程序的流程，灵活方便。

5 PC机内通信程序的实例

现约定甲方是PC机，乙方是单片机系统（如读卡器）。通信格式设置为2400波特率，8位数据位，1位停止位，无奇偶校验。
下面是一个约定好通讯协议的程序实例，协议流程如图6所示。
以下是甲方（PC机）的几个子函数的程序实例。



图6 通信协议流程


Private Function OpenThePort（cPort as String，cBaud as String，cParity

as String，cData as String，tStops asString）As Boolean ’ 打开串口的子过程

Dim lResult as Long

Dim lHandle as Long

Dim DCB_COMM as DCB

Dim cDCBConfig as String

lHandle = CreateFile（cPort，GENERIC_READ Or GENERIC_WRITE，

0&，0&，OPEN_EXISTING，0&，0&）

If lHandle = -1 Then ’打开串口失败

OpenThePort = False

MsgBox “串口可能正被其他应用程序占用！”

lResult = CloseHandle（lHandle） ’先关闭串口后再打开

If lResult = 0 Then

OpenThePort

Exit Function

End If

End If

cDCBConfig.band = 2400 ’设置DCB

cDCBConfig.parity = None

cDCBConfig.data = 8

cDCBConfig.stop = 1

lResult = BuildCommDCB（cDCBConfig，DCB_COMM） ’按用户设定配置一个DCB结构

If lResult = 0 Then

OpenThePort = False

MsgBox “无法建立DCB设备控制块”

Exit Function

End If

lResult = SetCommState（lHandle，DCB_Comm） ’实际设置一个串口的DCB

If lResult = 0 Then

OpenThePort = False

MsgBox “无法建立DCB设备控制块”

Exit Function

End If

OpenThePort = True

End Function

Private Sub SendHand ( ) ’发送握手信号的子过程

Dim Nchars As Long

Static Readbuff As String * 1

Static Writebuff As String * 1

Dim lpDCB As DCB

Dim lRet As Long

Dim lHandle As Long

Dim lpOverlapped As OVERLAPPED

Dim RNum As Integer

MsgBox “请把读卡器插在串口2上！”，

48，“提示窗口”

lHandle = OpenThePort（COMM1,2400,None,8,1）

lRet = PurgeComm( lHandle，1 ) ’清输出缓冲区

lRet = PurgeComm( lHandle，0 ) ’清输入缓冲区

lRet = GetCommState ( lHandle，lpDCB ) ’获得通讯口的状态

Shand：

Writebuff＄= Chr＄(&H8F)

lRet = WriteFile (lHandle,Writebuff＄,1,Nchars,lpOverlapped )

’送握手信号入串口缓冲区

If lRet <= 0 Then

MsgBox “发送操作出错，卡握手信号未发送成功”， 16

GoTo Shand ’不成功则重发

Else

GoTo Qtest

End If

GoTo Shand

Qtest：

Readbuff$ =“ ” ’清除缓冲区为空

Do While lHandle ’循环查询串口

RNum = 0 ’设置读串口次数的指针为0

ReadAgain：

lRet = ReadFile( lHandle， Readbuff＄，1，Nchars，lpOverlapped )

If lRet < 0 Then

MsgBox “读取应答信号时出错”， 16

End If

If lRet = 0 Then

If RNum > 1000 Then ’只读1000次串口，以免陷入死循环

MsgBox

"卡没有插接好或卡没有接在串口上!"

GoTo CloseP

End If

RNum = RNum + 1

GoTo ReadAgain

End If

If Hex＄(Asc(Readbuff)) <> Hex＄(&HFF) Then GoTo Shand

’回送码不正确则返回继续发送握手信号

Else

Label1.Caption = “握手信号是：”

＋Hex＄(Asc(Readbuff＄))

Msgbox “握手信号正确，已正确联机”

GoTo CloseP

End If

Loop

CloseP：lRet = CloseHandle( lHandle )

If lRet = 0 Then

MsgBox “串行通讯口关闭成功”，

48，“提示窗口”

End If

End Sub

这里要注意的是：当PC机与单片机系统通信时，单片机数据存储区( RAM )内的数据是十六进制，在信号线上传输的是十六进制数的ASCII码的二进制形式；而Windows系统下使用的是ANSI码，ANSI码仅在前126个与ASCII码相同。即在Win95下接收到的是十六进制数的ASCII码的字符串，可先转换为ANSI码后再在Win95下还原为十六进制数。
具体为：Code$=Hex＄(Asc ( Readbuff$ ) )
另外，由于32位API函数参数的数据类型的变化，所有整形参数都被换为长整型（Long）以支持32位的处理，这一点在设置返回值时尤其如此。

6 结束语

以上的软硬件在我们的实践中达到了较为理想的效果。通过软件节省了硬件的开销，并通过在PIC16F84单片机系统和PC机双方的通信软件内增加握手信号，达到了软件数据校验的目的，获得了较高的通信可靠性。