摘 要： 討論了基于80C196KC微處理器串行通訊口的硬件設計、波特率設置和軟件開發(fā)的技術途徑，并簡要介紹了串行通訊在某型雷達仿真平臺中的應用，其主要性能和可靠性達到了系統(tǒng)的設計要求。
關鍵詞： 微處理器 串行通訊 波特率設置
Intel公司的MCS－96系列微處理器是目前性能最強、應用最廣泛的16位微處理器。近年來，在國內(nèi)各個領域中，特別是航天、航空等工業(yè)領域應用相當廣泛。80C196KC是Intel公司九十年代初期推出的性能較強的第三代CMOS芯片，其數(shù)據(jù)/地址線均為16位，使用MCS－96家族共享的指令系統(tǒng)，除了8X96已包括的一些外設(如時鐘發(fā)生器、I/O端口、A/D轉換、PWM輸出、串行口、定時/計數(shù)器、監(jiān)視定時器WATCHDOG、高速輸入/輸出器等)外，還集成了先進的外設事務服務器(PTS)和事件處理器陣列(EPA)。80C196KC在串行口功能上除了支持異步串行口之外，還增加了同步串行口，可以支持多種標準同步串行傳輸協(xié)議。
圖1是80C196KC串行通訊接口的具體結構。該電路使用了符合RS232通信標準的驅動電路MAX232芯片，進行串行通訊。MAX232功耗低，集成度高，只用單一5V電源，芯片內(nèi)部有電泵，不需外接正負12V電源，具有兩個接收和發(fā)送的通道。整個接口電路簡單，可靠性高。
1 80C196KC串行通信口工作原理
1.1 串行口的通信模式
80C196KC具有4種通信模式：三種異步模式，一種同步模式。
模式0：稱為同步模式，常用于I/O擴展，實現(xiàn)并－串輸入或者串－并輸出，它不能直接同時發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，需要外接雙向緩沖器。
模式1：稱為標準異步通信模式，是最常用的模式。在這種模式下，串行通信的每幀數(shù)據(jù)是由10位組成的，即1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位。該模式下,TXD用來發(fā)送數(shù)據(jù)，RXD用來接收數(shù)據(jù)，可用中斷和查詢兩種方式進行控制：當一個數(shù)據(jù)幀最后一個數(shù)據(jù)位發(fā)送完畢后，發(fā)送中斷的標志TI置位；而一個數(shù)據(jù)幀的最后一個數(shù)據(jù)位被接收后，接收中斷的標志RI置位。
模式2：稱為異步第9位辯識通信模式。在這種模式下，每幀數(shù)據(jù)由11位構成：1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位可編程數(shù)據(jù)位，1位停止位。
模式3：稱為帶校驗位的通信模式。該模式的幀格式與模式2相同，只是在串行口控制寄存器(SP_CON)的PEN位被置位時，可編程數(shù)據(jù)位作為奇偶校驗位。模式2和模式3通常互相配合，用于多機通信。
1.2 串行口控制
80C196KC串行口的控制由串行口控制/狀態(tài)寄存器(SP－CON/SP－STAT)實現(xiàn)，其定義見圖2。數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收都通過訪問串行口數(shù)據(jù)緩沖器SBUF，這里需要指出的是80C196KC的發(fā)送寄存器SBUF(TR)和接收寄存器SBUF(RX)在物理上是分開的兩個寄存器，因此串行口在異步模式下是全雙工工作的。由圖2可見，讀或寫串行口控制/狀態(tài)寄存器時，都是訪問其中的某些位：低5位只寫，屬于SP_CON；高3位只讀，屬于SP_STAT。當發(fā)送或接收操作完成后，相應的中斷標志TI或者RI將置位，以通知CPU繼續(xù)發(fā)送或者準備接收下一幀數(shù)據(jù)，或做其它處理；讀SP_STAT后，TI和RI也被清除。
在所有異步模式下(模式1～3)下，向SBUF寫入數(shù)據(jù)就會自動啟動一次發(fā)送過程。在發(fā)送停止位之前，保持在SBUF中的新數(shù)據(jù)應保持不變。若接收允許位(REN)已經(jīng)被置1，則RXD腳上出現(xiàn)的下降沿就會啟動一次接收過程。
在80C196KC中，TXD和P2.0是共用一個引腳的，對I/O控制器1的位5置1才能選通TXD功能。RXD和P2.1也是共用引腳，但不受IOC影響，而是受SP_CON的REN位控制。
1.3 串行通信波特率的計算
在80C196KC中波特率寄存器的內(nèi)容決定了串行口通信的波特率，向該寄存器寫入數(shù)據(jù)時必須用連續(xù)寫入兩個字節(jié)的方式，低位字節(jié)在前。寄存器的最高位用于選擇波特率發(fā)生器的輸入頻率源。當選用晶振XTAL1為時鐘源時，80C196KC內(nèi)部時鐘信號是由振蕩器二分頻后得到的，因此可以用以下公式計算波特率寄存器(BAUD_REG)的寫入值：
同步模式0：BAUD_REG＝XTAL1/(BAUD_RATE*2)－1 或者T2CLK/BAUD_RATE
異步模式1、2和3：BAUD_REG＝XTAL1/(BAUD_RATE*16)－1 或者T2CLK/(BAUD_RATE*8)
表1列出的是XTAL作為時鐘源時異步模式常用波特率對應的波特率寄存器的值。
當采用12MHz頻率時，異步模式的最大波特率為750kbps，同步模式為3Mbps。
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2 串行通訊的軟件設計
80C196KC串行通訊的軟件設計可以采用查詢和中斷兩種不同的方式。查詢方式通過訪問串行口控制/狀態(tài)寄存器的標志位TI和RI，檢查發(fā)送寄存器SBUF(TR)是否空或者接收寄存器SBUF(RX)已經(jīng)接收了一幀數(shù)據(jù)。
下面的程序采用查詢方式接收和發(fā)送N個字節(jié)數(shù)據(jù)，其中串行口設置為工作模式1，波特率57600，不設奇偶校驗，12MHz晶振。
初始化程序：
ldb sp，#0fff0h ；設置堆棧指針
ldb r_buf,#0e000h ；設置接收數(shù)據(jù)區(qū)地址指針 ldb t_buf,#2300h ；設置發(fā)送數(shù)據(jù)區(qū)地址指針
orb ioc1,#20h ；選通TXD引腳功能
ldb temp,#20h ；設置臨時寄存器
ldb baud_rate,#0ch ；設置波特率57600
ldb baud_rate,#80h
ldb sp_con,#19h ；設置串行通訊方式1，不設奇偶校驗
ldb count，#N ；設置通訊數(shù)據(jù)塊大小
………
接收程序：
read: ldb temp,sp_stat ；查詢狀態(tài)寄存器RI標志
jbs temp,6,read
ldb dl,sbuf ；接收并保存數(shù)據(jù)
stb dl,[r_buf]+ ；將數(shù)據(jù)存入接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)
djnz count,read ；未接收完數(shù)據(jù)，繼續(xù)跳轉查詢狀態(tài)寄存器RI
………
發(fā)送程序：
send: ldb temp,sp_stat ；檢查狀態(tài)寄存器TI標志
jbc temp,5,send
ldb dl,[t_buf]+ ；發(fā)送寄存器空，取數(shù)據(jù)
ldb sbuf,dl ；發(fā)送數(shù)據(jù)
djnz count,read ；未發(fā)完數(shù)據(jù)，繼續(xù)跳轉查詢狀態(tài)寄存器TI
………
查詢方式設計程序簡單，但由于CPU不斷查詢標志位，不能做其它工作，因此，程序效率不高，不能用于對實時性要求高的場合，利用串行中斷設計程序可以有效克服這些缺點。在96系列微處理器中，8098和8096只有一種中斷方式，而80C196KB以后的產(chǎn)品又增設了發(fā)送中斷和接收中斷，分別設置了獨立的中斷向量。下面的程序采用中斷方式接收和發(fā)送N個字節(jié)數(shù)據(jù)，其中串行口設置為工作模式1，波特率57600，不設奇偶校驗，12MHz晶振。
初始化程序：
ldb sp，#0fff0h ；設置堆棧指針
ld bx,#2200h ；設置接收中斷向量地址
ld ax,#2032h
st bx,[ax]
ld bx,#2250h ；設置發(fā)送中斷向量地址
ld ax,#2030h
st bx,[ax]
orb ioc1,#20h ；選通TXD引腳功能
ldb temp,#20h ；設置臨時寄存器
ldb baud_rate,#0ch ；設置串行通訊波特率57600
ldb baud_rate,#80h
ldb sp_con,#19h ；設置串行通訊方式1，不設奇偶校驗
clrb int_mask ；清除中斷屏蔽寄存器和中斷懸掛寄存器
clrb int_pend
clrb int_mask1
clrb int_pend1
orb int_mask1,#03h ；置中斷屏蔽寄存器1，容許發(fā)送和接收中斷
ld count,#N ；設置通訊數(shù)據(jù)塊大小
ei ；開中斷
………
ldb dl,[t_buf]+
ldb sbuf,dl
………
接收中斷子程序 ：org 2200h
pushf ；保護現(xiàn)場
ldb dl,sbuf ；接收并保存數(shù)據(jù)
stb dl,[r_buf]+
djnz count,exit1 ；未接收完數(shù)據(jù)，退出等待下一次接收中斷
………
exit1: popf ；出棧
ret
發(fā)送中斷子程序：org 2250h
pushf ；保護現(xiàn)場
orb int_mask1,#01h ；置中斷屏蔽寄存器1，容許發(fā)送中斷
ldb dl,[t_buf]+ ；發(fā)送數(shù)據(jù)
ldb sbuf,dl
djnz count,exit2
………
exit2: pop ；恢復現(xiàn)場,出棧
ret
3 串行通訊應注意的幾個問題
用戶在串行通訊設計時應注意，串行口中斷不要與接收中斷、發(fā)送中斷同時打開，只能開放二者中的一個，設計中通常采用接收中斷和發(fā)送中斷，實現(xiàn)全雙工串行口的功能；由于訪問狀態(tài)寄存器SP_STAT后，其中內(nèi)容即被清除，因此，必須用其它寄存器保存SP_STAT的內(nèi)容；另外，當利用發(fā)送器的雙緩沖器特點發(fā)送數(shù)據(jù)時，不應把串行口中斷屏蔽掉，否則可能會漏記被發(fā)送的字節(jié)數(shù)；此外，當串行口兩端采用不同的晶振頻率或鏈路的一端是80C196KC串行口，另一端為其他系統(tǒng)時，應認真考慮兩者的匹配問題，若發(fā)送端和接收端的波特率完全一致，則接收端對每一數(shù)據(jù)位的采樣都發(fā)生在位周期的中點，能夠可靠通訊；若發(fā)送端和接收端的波特率不一致，則在數(shù)據(jù)的連續(xù)傳輸過程中，接收端對數(shù)據(jù)位的采樣點將愈來愈偏離位周期的中點，產(chǎn)生累積誤差，最終導致通訊紊亂。所以，用戶在串行口設計中，必須考慮波特率誤差帶來的影響。通訊方式，通訊數(shù)據(jù)量，握手方式等通訊協(xié)議的內(nèi)容，必須通過實驗測試加以驗證。
4 80C196KC串行通訊的應用
某雷達仿真平臺的控制電路中采用了80C196KC微處理器作為核心芯片，利用串行口完成目標坐標諸元數(shù)據(jù)和命令的交換。其中，80C196KC微處理器的串行口采用通訊模式1，波特率為57600，接收采用中斷方式，發(fā)送采用查詢方式。串行通訊內(nèi)容分為數(shù)據(jù)和命令兩類，各由HEAD和BODY兩部分組成，80C196KC每次接收到串行口上的信息時，產(chǎn)生接收中斷。在中斷服務程序中，完成對接收到的信息的識別和處理，檢查標志并提取其中的有效部分，若為指令，則執(zhí)行；若為數(shù)據(jù)，則存入接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。若從串口發(fā)送數(shù)據(jù)時，按照通信協(xié)議的格式，將發(fā)送數(shù)據(jù)送入發(fā)送緩沖區(qū)，以查詢方式將數(shù)據(jù)寫入SBUF，直至發(fā)完全部數(shù)據(jù)。 目前，該串行口運行良好，實現(xiàn)了計算機同微處理器之間的高速(57600和115200兩種波特率)通訊，達到了系統(tǒng)的設計要求。
參考文獻
1 涂時亮,姚志石.單片微機MCS—96/98實用子程序.上海:復旦大學出版社,1991年9月
2 張幽彤,陳寶江.MCS8098系統(tǒng)實用大全.北京：清華大學出版社,1993年9月
3朱曉強,姚志石 .8096/8098單片機原理及應用.上海：復旦大學出版社 .1993年5月
4孫涵芳 .Intel16位單片機.北京：北京航空航天大學出版社,1995年11月
5 鮑可進.一種實用的單片機系統(tǒng)的RS—232接口.實驗室研究與探索.1997；(5):75～78