RS 232串口通信在PC機與單片機通信中的應用

　　隨著信息技術的飛速發展和科技進步，在許多現代化集中管理的控制系統中，需要對現場數據進行統計、分析、打印、報警等，同時又要對現場設備進行實時控制，完成各種操作。單片機作為控制系統中必不可少的部分，在各個領域得到了廣泛的應用。

　　由于單片機具有體積小、價格低廉、適應性強的特點，一般在工業控制系統中，各種數據的采集和執行機構的控制都是由單片機來完成。而單片機的計算能力有限，難以進行復雜的數據處理。在功能比較復雜的自動控制系統中，通常以工控機為上位機，單片機為下位機，由單片機完成數據的采集及對設備的控制，而由上位機完成各種復雜的數據處理及對單片機的控制。在分布式控制系統中大多采用單片機作為下位機來進行數據采集和現場控制，在這些應用中，單片機只是直接面對被控對象底層，而對采集到的數據進行進一步的分析和處理工作，則是由功能強大的PC機來完成的。

　　因此，PC機和單片機之間就有著大量的數據交換。在絕大多數PC機的標準配置中，都有一個到多個RS 232串口，因為RS 232串口擔負著PC機和單片機之間大量的數據交換的重任。單片機89C52用于自動控制及數據傳輸，并通過RS 232接口向上位機進行數據通信。

　　1 RS 232串口通信

　　1．1 RS 232C標準

　　RS 232C標準（協議）的全稱是EIA-RS-232C標準，其中EIA（Electronic Industry Association）代表美國電子工業協會，RS（ecommeded standard）代表推薦標準，232是標識號，C代表RS 232的最新一次修改。在這之前，有RS 232B，RS 232A，它規定連接電纜和機械、電氣特性、信號功能及傳送過程。

　　1．2 RS 232的接口引腳定義

　　由于RS 232C并未定義連接器的物理特性，因此，出現了DB-25，DB-15和DB-9各種類型的連接器，其引腳定義也各不相同。常用的連接器接口圖如圖1所示，DB9的引腳功能見表1。

　　圖1 DB9的引腳圖

　　RS 232C標準接口有25條線，分別為4條數據線、11條控制線、3條定時線、7條備用和未定義線，常用的只有9根，它們是：

　　（1）狀態線

　　數據準備就緒（Data Set Ready，DSR）：有效時（ON）狀態，表明數據通信設備可以使用。

　　數據終端就緒（Data Terminal Ready，DTR）：有效時（ON）狀態，表明數據終端設備可以使用。

　　這兩個信號有時連到電源上，上電就立即有效。

　　這兩個設備狀態信號有效，只表示設備本身可用，并不說明通信鏈路可以開始進行通信了，能否開始進行通信由下面的控制信號決定。

　　（2）聯絡線

　　請求發送（Request to Send，RTS）：DTE準備向DCE發送數據，DTE使該信號有效（ON狀態），通知DCE要發送數據給DCE了。

　　允許發送（Clear to Send，CTS）：對RTS的響應信號。當DCE已準備好接收DTE傳來的數據時，使該信號有效，通知DTE開始發送數據。

　　RTS/CTS請求應答聯絡信號是用于半雙工MODEM系統中發送方式和接收方式之間的切換。在全雙工系統中，因配置雙向通道，故不需要RTS/CTS聯絡信號，使其變高。

　　（3）數據線

　　發送數據（Transmitted Data，TXD）：DTE發送數據到DCE。

　　接收數據（Received Data，RXD）：DCE發送數據到DTE。

　　（4）地線

　　有兩根線SG，PG：信號地和保護地信號線。

　　（5）其余

　　載波檢測（Carrier Detection，CD）：用來表示DCE已接通通信鏈路，告知DTE準備接收數據。

　　振鈴指示（Ringlng，RI）：當DCE收到交換臺送來的振鈴呼叫信號時，使該信號有效（ON狀態），通知DTE，已被呼叫。

　　通常的應用系統中，往往是在CPU和I/O設備之間傳送信息，兩者都是DTE，上位機和單片機89C52之間的通信，雙方都能發送和接收，他們的連接只需要使用三根線即可，即RXD，TXD和GND，這種連接方式，即兩個串口連接時，接收數據針腳與發送數據針腳相連，彼此交叉，信號地對應接地即可。連接方式如圖2所示。

　　圖2 上位機和單片機之間串口連接圖

　　1．3 波特率的概念

　　串行通信中，每秒傳送的數據位稱為波特率。如數據傳送的波持率為1200波特，采用N．8．1幀格式（10位），則每秒傳送字節為120個，而字節中每一位傳送時間即為波特率的倒數：T=1/1 200=0．833 ms。同樣，如數據傳送的波特率為1 9 200波特，則字節中每一位傳送時間T=1/19 200=0．052 ms。根據數據傳送的波特率即字節中每一位的傳送時間，便可用普通I/O口來模擬實現串行通信的時序。

　　1．4 RS 232C的電氣特性

　?。?）邏輯電平

　　在TXD和RXD上：

　　邏輯1（MARK）：-3～-15 V；

　　邏輯0（SPACE）：+3～+15 V。

　　在RTS，CTS，DSR，DTR和DCD等控制線上：

　　信號有效（接通，ON狀態，正電壓）：+3～+15 V；

　　信號無效（斷開，OFF狀態，負電壓）：-3～-15 V。

　　由以上定義可以看出，信號無效的電平低于-3 V，也就是當傳輸電平的絕對值大于3 V時，電路可以有效地檢查出來，介于-3～+3 V之間的電壓無意義，低于-1 5 V或高于+15 V的電壓也認為無意義，因此，實際工作時，應保證電平的絕對值在3～15 V之間。當計算機和TTL電平的設備通信時，如上位機和單片機通信時，需要使用RS 232/TTL電平轉換器件，常用的有MAX232。

　　1．5 RS 232與單片機之間的接口電路MAX232

　　由于RS 232信號的電平和單片機串口信號的電平不一致，必須進行二者之間的電平轉換。MAX232由單一的+5 V電源供電，只需配5個高精度10μF/50 V的鉭電容即可完成電平轉換，轉換后的串行信號TXD，RXD直接與上位機的串口連接。MAX232芯片的內部結構基本可分三個部分：

　　第一部分是電荷泵電路。由1，2，3，4，5，6腳和4只電容構成。功能是產生+12 V和-1 2 V兩個電源，提供給RS 232串口電平的需要。

　　第二部分是數據轉換通道。由7，8，9，10，11，12，13，14腳構成兩個數據通道。其中13腳（R1in）、12腳（R1out）、11腳 （T1in）、14腳（T1out）為第一數據通道。8腳（R2in）、9腳（R2out）、10腳（T2in）、7腳（T2out）為第二數據通道。 TTL/COMS數據從T1in，T2in輸入轉換成RS 232數據從T1out，T2out送到電腦DB9插頭；DB9插頭的RS 232數據從R1in，R2in輸入轉換成TTL/COMS數據后從R1out，R2out輸出。

　　第三部分是供電。1 5腳GND、16腳VCC（+5 V）。

　　圖3 RS 232與MAX232的連接圖

　　1．6 RS 232的不足之處

　?。?）傳輸距離有限，實際最大傳輸距離只有50 m。

　?。?）傳輸速率較低，在異步傳輸時，速率最大為19 200 b。

　?。?）接口使用一根信號線和一根信號返回線而構成共地的傳輸形式，這種共地傳輸容易產生共模干擾，所以抗噪聲干擾性弱。

　　1．7 消除干擾噪聲的主要方法

　　針對以上所述RS 232易產生共模干擾的問題，常用的解決方法主要是采用光隔離器，光隔離器穿過一個隔離的屏障來傳輸信號。一個光隔離器由一個光敏電阻耦合的發光二極管構成。流過發光二極管的電流使得它以可見光或者紅外線的方式釋放能量。這些能量將這個光敏電阻打開，導致在這個電阻的發射極和集電極之間的低阻抗。這個發光二極管的基極可以留著沒有連接。從基極到發射極加入一個電阻可以導致更快的開關速度，但是輸出電流更低。

　　2 結語

　　RS 232串口通信是PC機和單片機之間信息傳遞的樞紐，一切數據和指令的傳輸必須由RS 232串口來完成。針對RS 232存在的不足之處加以改進之后，RS 232使得PC機和單片機之間能高效地通信，采用電平轉換芯片MAX232實現TTL邏輯電平和RS 232電平之間的相互轉換，轉換之后的串行信號TXD，RXD直接與PC機的串口連接，如此連接，既可體現出單片機的靈活控制功能，又可發揮出PC機強大的計算和顯示功能，有利于對現場信號的實時采集、處理和監控，確保了良好的人機界面的交互性。