??? 摘 要： 介紹了基于單片機C8051F020的通用串口" title="串口">串口適配器的設計與實現(xiàn)方法,。通過用C51語言對單片機進行編程,，控制與RS-232（232電平）、RS-232(TTL電平)、422接口的數(shù)據(jù)通信,；用C++ Builder作為開發(fā)平臺,，通過RS-232接口實現(xiàn)上位機" title="上位機">上位機對適配器各通信端口的控制。
??? 關(guān)鍵詞： 適配器? 串行通信? RS-232? C51
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??? 串行通信的廣泛應用使得各種傳輸設備可以有機地連成一體,，能夠安全可靠地進行數(shù)據(jù)交換和信息的傳遞,。但是由于各設備傳輸信道上的信號不同，所應用的串口也各種各樣,，要完成眾多設備間的通信,，就必然涉及到各設備之間的串口轉(zhuǎn)換問題。
??? 為了使計算機的RS-232口與各種不同的串口進行通信,，從而測試或控制不同設備的工作狀態(tài),，本文設計了一種通用串口適配器。該適配器有4個對外接口,，1口連接控制計算機,，2、3,、4口可以連接不同標準串口的通信設備,。其示意圖如圖1所示。
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1 硬件設計
??? 為了實現(xiàn)對適配器的自動控制以及方便擴展其他接口,，適配器采用了C8051F020單片機系統(tǒng),。適配器所選主要芯片分別是C8051F020微處理芯片、電子模擬開關(guān)" title="模擬開關(guān)">模擬開關(guān)MAX4534芯片,、MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片以及RS-485/RS-422信號的轉(zhuǎn)換芯片MAX491,。
??? 用C8051F020作為系統(tǒng)核心，整個系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示,。通過串口1控制從上位計算機串口發(fā)出的數(shù)據(jù)的接收,、存儲和判別，然后通過串口2控制電子模擬開關(guān),，使其內(nèi)部的模擬開關(guān)接通相應的串口,，最后實現(xiàn)計算機與各個串口的通信。
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1.1 與上位機通信電路
??? C8051F020引腳的信號電平為TTL類型,，而PC機串口的異步串行通信基于RS-232標準,。兩者通信信號的邏輯電平不一致，必須進行信號電平轉(zhuǎn)換,。為此,，在電路中選用MAXIM公司的MAX232芯片，以實現(xiàn)TTL電平與RS-232電平的雙向轉(zhuǎn)換,。
??? MAX232芯片包含兩路接收器和驅(qū)動器,適用于各種EIA-232C和V.28/V.24的通信接口,。MAX232芯片內(nèi)部有一個電源電壓變換器,，可以把5V電壓變換成RS-232C輸出電平所需的±10V電壓。所以,，采用此芯片接口的串行通信系統(tǒng)只需單一的+5V電源即可,。
??? 串口通信的RS-232通信距離一般以不超過12m為宜，接口采用9針串口DB9,，串口傳輸數(shù)據(jù)只要有接收數(shù)據(jù)針腳和發(fā)送針腳就能實現(xiàn),。
1.2 模擬開關(guān)控制電路
??? 該電路主要由芯片MAX4534（一對四）來完成。地址端A0和A1與單片機I/O" title="I/O">I/O端口相連,，開關(guān)1,、2、3,、4分別與各測試設備的串口相連,，其內(nèi)部連接邏輯如圖3所示,。
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??? 當上位機與單片機實現(xiàn)握手之后,，若選擇與RS-422口通信，先發(fā)一個檢測信號TEST,，該信號經(jīng)MAX232芯片電平轉(zhuǎn)換后,，送給單片機F020，單片機收到信號后,，通過其I/O端口的P6.0和P6.1的輸出狀態(tài)分別控制開關(guān)MAX4534的地址端A0和A1,。若A0和A1分別為0，則接通開關(guān)NO1,，如表1所示,，使得檢測電路的MAX491接收端處于導通態(tài)，從而形成一個通路,。此時單片機回發(fā)一個通路信號給上位機,，當上位機收到通路信號后，MCU的串口TXD端就可以自由發(fā)送數(shù)據(jù),，從設備發(fā)來的回應信號也可以被MCU正常接收,，從而完成整個通信過程。
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1.3 RS-232(TTL電平)接口電路的設計
??? 因為從單片機引腳出來的信號即為TTL電平,，所以TTL電平的RS-232接口無需進行電平轉(zhuǎn)換,，直接通過模擬開關(guān)MAX4534與串口相連。
??? 對于五線RS-232接口,，由于C8051F020串口只有兩根線接RXD和TXD,，RTS和CTS通過其兩個I/O口來實現(xiàn)。
1.4 422口的轉(zhuǎn)換電路設計
??? RS-232串行接口屬于個人計算機(PC)及電信應用領(lǐng)域中最為成功的串行數(shù)據(jù)標準,；而RS-422串行接口則是工業(yè)應用領(lǐng)域中最為成功的串行數(shù)據(jù)標準,，上述這些數(shù)據(jù)標準并不直接相互兼容。RS-422標準全稱是“平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性”，它定義了接口電路的特性,。與RS-232不同,，RS-422數(shù)據(jù)信號采用差分傳輸方式，也稱作平衡傳輸,，它使用一對雙絞線,，將其中一線定義為A，另一線定義為B,。通常情況下,，發(fā)送驅(qū)動器A、B之間的正電平在+2～+6V,，是一個邏輯狀態(tài),，負電平在-2～-6V。RS-422的最大傳輸距離為4 000英尺（約1219米）,，最大傳輸速率為10Mbps,，最多可接10個節(jié)點，具有單獨的發(fā)送和接收通道,，故無需控制數(shù)據(jù)方向,。
??? RS-232與RS-422之間的電平轉(zhuǎn)換采用MAXIM公司生產(chǎn)的差分平衡型收發(fā)器芯片MAX491實現(xiàn)，它適合于RS－422/RS－485通信標準,，包含1個發(fā)送驅(qū)動器和1個接收器,。RE為接收器輸入允許端，接地,；DE為驅(qū)動器輸出允許端,，接+5V 的電壓。單片機控制信號使MAX491接收端自動禁能,，以免整個有線通信環(huán)路形成正反饋造成自激,，而MAX491發(fā)送端則自由導通，控制信號正常輸出,。
2 軟件編程
??? 軟件程序主要包括：上位機可視化界面程序和單片機與PC串口通信程序,。單片機采用C51語言編程，上位機的操作顯示界面采用C++ Builder進行可視化編程,。
2.1 上位機可視化界面編程
??? 以C++ Builder為開發(fā)工具,，利用串行通信控件MSComm進行編程，實現(xiàn)對單片機的控制,。本通信系統(tǒng)中規(guī)定的字符格式為：每一幀的數(shù)據(jù)占10位,，其中1位起始位，8位數(shù)據(jù)位,，1位停止位,，無奇偶校驗位,。中間的8位數(shù)據(jù)位即為有效的通信傳輸字節(jié)。為了增強通信的可靠性,、減少通信的誤碼率,，雙方的波特率設置為4 800bps，以較低速度進行通信,。軟件握手協(xié)議規(guī)定如下：PC機發(fā)送握手信號0xFF給單片機,，單片機接收到的上位機數(shù)據(jù)若為握手信號0xFF，則回送一個正確信號060606給PC機,，表示握手成功,，PC機即可發(fā)送數(shù)據(jù)包，單片機經(jīng)校驗正確后將該數(shù)據(jù)包直接存儲接收,，并從中分解有效的數(shù)據(jù)信息,；若單片機接收到的上位機數(shù)據(jù)不是握手信號，則回送一個錯誤信號151515,，并繼續(xù)等待,。 人機界面如圖4所示。
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??? 進入控制界面后,，首先根據(jù)上位機與單片機的通信協(xié)議,，選擇串口號,、通信波特率,、奇偶校驗位、數(shù)據(jù)位以及停止位,。當上位機在界面的接口選項中點擊要通信的串口時,，就會觸發(fā)一個傳輸信號給單片機，單片機根據(jù)協(xié)議控制電子模擬開關(guān)接通相應的串口電路,，同時回發(fā)一個通路信號給上位機,，從而使界面上的串口指示呈現(xiàn)綠色狀態(tài)，表明通信電路已接通,，可以開始發(fā)送和接收數(shù)據(jù)了,。上位機通信流程如圖5所示。
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2.2 單片機與PC串口通信編程
??? 在本設計中主要用到了單片機的定時器,，I/O端口,、UART、優(yōu)先權(quán)交叉開關(guān)" title="交叉開關(guān)">交叉開關(guān),、中斷設置,、時鐘信號、寄存器,、D/A和A/D等,。定義F020的UART0與計算機連接,，UART1與各串口相連。首先優(yōu)先權(quán)交叉開關(guān)譯碼器將交叉開關(guān)端口P0～3的引腳分配給UART0,、UART1,、/INT0 和/INT1。設置XBARE=1以使能交叉開關(guān),。UART0 有最高優(yōu)先權(quán),，所以P0.0 被分配給TX0，P0.1 被分配給RX0,；其次是UART1,，P0.2 被分配給TX1，P0.3 被分配給RX1,；P0.4 被分配給/INT0,。由于外部存儲器接口選在低端口（EMIFLE=1），所以交叉開關(guān)跳過P0.6(/RD)和P0.7(/WR),。又因為外部存儲器接口被配置為復用方式,，所以交叉開關(guān)也跳過P0.5(ALE)。下一個未被跳過的引腳P1.0 被分配給/INT1,。將外部存儲器接口配置為復用方式并使用低端口,，將P1.2、P1.3 和P1.4 配置為模擬輸入,，以便用ADC1 測量加在這些引腳上的電壓,。
??? 當交叉開關(guān)配置寄存器XBR0、XBR1 和XBR2 中外設的對應使能位被設置為邏輯‘1’時,，交叉開關(guān)將端口引腳分配給外設,。將UART0 的TX 引腳（TX0，P0.0）,、UART1 的TX 引腳（TX1,，P0.2）、ALE,、/RD,、/WR（P0.[7:3]）的輸出設置為推挽方式，通過設置P0MDOUT=0xE5 來實現(xiàn),。通過設置P2MDOUT=0xFF,、P3MDOUT=0xFF和P6MDOUT=0xFF 將EMIF 端口（P2、P3,、P6）的輸出方式配置為推挽方式,。單片機通信主程序流程如圖6所示。
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??? 本設計在對其核心器件C8051F020編程和對硬件板調(diào)試時用到了Cygnal IDE Cygnal集成開發(fā)環(huán)境軟件,。Cygnal集成開發(fā)環(huán)境使用標準的Windows95/98/NT/2000作為界面,，利用PC機的串行口和目標板的JTAG接口實現(xiàn)IDE與目標系統(tǒng)中的單片機通信（每套開發(fā)系統(tǒng)都有RS-232至JTAG協(xié)議轉(zhuǎn)換所需的串行適配器）,，與目標系統(tǒng)連接后可進行非插入式、全速的在線調(diào)試并在系統(tǒng)內(nèi)編程,。在整個程序中,，單片機的編程操作要完全符合時序規(guī)范要求，在實踐中很好地實現(xiàn)了單片機控制PC與各串口的通信功能,，各項指標達到了預先的設計要求,。
??? 此外，該串口適配器可以很容易擴展其他接口的接入,，可以用I/O口接數(shù)字接口,，也可以通過單片機的A/D和D/A接模擬信號接口。若外圍接口過多,，則可以合并為一個或幾個接口,，只需在電路中加繼電器（繼電器受單片機的I/O控制）進行輸出切換即可。
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