1 引言
計算機控制系統(tǒng)中經(jīng)常采用多機系統(tǒng)進(jìn)行通信，在由PC機和單片機構(gòu)成的分布式控制系統(tǒng)中，往往以PC機為上位機完成較為復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和對前沿機的監(jiān)督管理，以及對下位機進(jìn)行多機協(xié)調(diào)，本文介紹一種將 RS232，RS485，及紅外接口集成在一起的PC機--單片機多功能通訊實驗板，用于實現(xiàn)PC機與單片機間的串口通信、紅外通信及PC機與PC機間的通訊實驗。
2 實驗板的組成原理與設(shè)計
2.1 串行通信
串行通信是指通信的發(fā)送方和接收方之間數(shù)據(jù)信息的傳輸是在單根數(shù)據(jù)線，以每次一個二進(jìn)制位移動的，他的優(yōu)點是只需一對傳輸線進(jìn)行傳送信息，因此其成本低，適用于遠(yuǎn)距離通信，他的缺點是傳送速度低，串行通信有異步通行和同步通信兩種基本通信方式，同步通信適用于傳送速度高的情況，其硬件復(fù)雜，而異步通信應(yīng)用于傳送速度在50-19200波特之間，是比較常用的傳送方式，在異步通信中，數(shù)據(jù)是一幀一幀傳送的，每一串行幀的數(shù)據(jù)格式由1位起始位，5-8位的數(shù)據(jù)位，1位的奇偶校驗位(可省略)和1位停止位4部分組成，在串行通信前，發(fā)送方和接收方要約定具體的數(shù)據(jù)格式和波特率(通信協(xié)議)。
2.2 AT89C51微控制器
AT89C51單片機系統(tǒng)具有設(shè)計簡單、性能可靠、功耗低等優(yōu)點，它為用戶預(yù)留下足夠的軟硬件資源，可供用戶進(jìn)行再開發(fā)應(yīng)用，該系統(tǒng)除內(nèi)部已有的 4K FLASH存儲器外，還可以擴(kuò)展選址64K ROM區(qū)和64K RAM區(qū)，供用戶使用，用戶在系統(tǒng)開發(fā)時，可以將自己的數(shù)據(jù)塊和程序段、數(shù)據(jù)表，以若干控制子程序、數(shù)據(jù)塊形式存放于AT89C51單片機的擴(kuò)展ROM或 RAM區(qū)中，以便系統(tǒng)工作時重復(fù)使用和反復(fù)調(diào)用。
2.3 RS232C通信接口
RS232C是一種電壓型總線標(biāo)準(zhǔn)，可用于設(shè)計計算機接口與終端或外設(shè)之間的連接，以不同的極性的電壓表示邏輯值。-3～-25V表示邏輯"1"。+3～+25V表示邏輯"0"。其電平與TTL和CMOS電平是不同的，所以在通信時必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。
2.4 MAX232芯片
MAXIM公司的MAX232/MAX232A接收/發(fā)送器是MAXIM公司特別為滿足EIA/TEA2232E的標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計的，他們在 EIA/TIA2232E標(biāo)準(zhǔn)串行通信接口中日益得到廣泛的應(yīng)用，他們具有功耗低、工作電源為單電源、外接電容僅為0.1μF或1μF，采用雙列直插封裝形式、接收器輸出為三態(tài)TTL/CMOS等優(yōu)越性，為雙組RS 232接收發(fā)送器，工作電源為+5V，波特率高，僅需外接0.1μF或1μF的電容，其價格低，可在一般需要串行通信的系統(tǒng)中使用，MAX232外圍需要 4個電解電容，是內(nèi)部電源轉(zhuǎn)換所需電容，其取值均為1μF/25V宜選用鉭電容并且應(yīng)盡量靠近芯片。如圖1所示。
2.5 紅外發(fā)送、接收電路
紅外通訊以紅外線作為通訊載體，通過紅外光在空中的傳播來傳輸數(shù)據(jù)，他由紅外發(fā)射器和紅外接收器來完成，在發(fā)射端，發(fā)送的數(shù)字信號經(jīng)過適當(dāng)?shù)恼{(diào)制編碼后，送入電光變換電路，經(jīng)紅外發(fā)射管轉(zhuǎn)變?yōu)榧t外脈沖發(fā)射到空中;在接收端，紅外接收器對接收到的紅外光脈沖進(jìn)行光電變換，解調(diào)譯碼后恢復(fù)出原信號。
紅外發(fā)送電路中采用的紅外發(fā)射器件是塑封的TSAL6200紅外發(fā)射二極管，他將周期的電信號轉(zhuǎn)變成一定頻率的紅外光信號，他是一種時斷時續(xù)的高頻紅外脈沖信號，但脈沖串時間長度是恒定的，根據(jù)脈沖串之間的間隔大小，表示傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)"0"還是 "1"。紅外接收器對接收到的紅外光脈沖進(jìn)行光電變換，解調(diào)譯碼后恢復(fù)出原信號。紅外載波為頻率38KHz的方波，采用脈寬調(diào)制PWM方式發(fā)送，通過待發(fā)送二進(jìn)制數(shù)據(jù)的"0"或"1"控制兩個脈沖串之間的時間間隔，即PWM的占空比。
紅外載波可以使用單片機內(nèi)部的定時器的PWM功能實現(xiàn)，也可以通過外圍硬件電路實現(xiàn)，紅外接收采用HS0038B紅外接收器，當(dāng)接收收到38KHz的載波信號時，HS0038B接收器會輸出低電平，否則輸出高電平，從而可以將"時斷時續(xù)"的紅外光信號解調(diào)成一定周期的連續(xù)方波信號，經(jīng)單片機處理，便可以恢復(fù)出原數(shù)據(jù)信號。
2.6 設(shè)計思路
本實驗板選用的ATMEL公司的AT89C51單片機為核心，RS232C接口選用9芯接頭，電平轉(zhuǎn)換芯片選用MAX232A，用來實現(xiàn)232電平與TTL電平的轉(zhuǎn)換，RS485接口芯片選用65LBC184，他使用單一電源，電壓在+3
～+5.5V范圍內(nèi)都能正常工作，能完成TTL與RS485電平之間的轉(zhuǎn)換，紅外發(fā)送電路中采用的紅外發(fā)射器件是紅外發(fā)射二極管，他將周期的電信號轉(zhuǎn)變成一定頻率的紅外光信號。
紅外接收芯片HS0038B是能夠接收紅外信號的小型化接收器，通過外圍的自激振蕩電路產(chǎn)生38KHz的載波頻率。為了及時顯示各接口發(fā)送、接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)，在實驗板上還設(shè)置了狀態(tài)顯示電路，由接口信號通過放大電路驅(qū)動相應(yīng)發(fā)光二極管，例如，當(dāng)232芯片接收到PC機的數(shù)據(jù)時，232芯片的接收端會使相應(yīng)的二極管閃爍，紅外發(fā)送電路在發(fā)送數(shù)據(jù)時，其相應(yīng)的發(fā)光管也會及時閃爍，而PC機上的串口通信程序使用一個叫做串口助手的程序，他可以設(shè)置串口，波特率，并發(fā)送/接收串口數(shù)據(jù)，故本文只介紹單片機部分的通信程序。
2.7 單片機軟件設(shè)計
在實驗板上還集成了51單片機來組成最小控制系統(tǒng)，所選用的AT51單片機的串口有4種工作方式，用于多機異步通信時選用方式2或方式3，數(shù)據(jù)幀格式為：1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，進(jìn)行串行通信前要對串口進(jìn)行初始化，設(shè)置波特率和串行口工作模式，設(shè)定單片機的地址碼為F1H1，在傳送數(shù)據(jù)前先聯(lián)絡(luò)地址碼，如地址碼正確則傳送數(shù)據(jù)，否則繼續(xù)聯(lián)絡(luò)地址碼，數(shù)據(jù)的通信采用累加和校驗的方法，即每傳送一組數(shù)據(jù)(個數(shù)自定，設(shè)為100個)，校驗一次累加和是否正確，正確則回送00H，否則回送FFH1，通信可以由中斷傳送方式和查詢方式，本文采用查詢方式，選擇波特率為1200b/s，定時器T1作為波特率發(fā)生器，選用晶振為12MHz，定時器T1工作于模式2，定時器初值為0E6H，AT89C51單片機的通信程序框圖如圖2。
2.8 通訊實驗示例
實驗1 利用RS232接口及MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片來實現(xiàn)PC機與單片機的串口通信。
實驗2 首先通過RS232接口將PC機1與實驗板1連接，將232電平轉(zhuǎn)換為TTL電平，然后通過RS485接口把TTL電平轉(zhuǎn)換為485電平并連接到實驗板2上，再通過RS232實現(xiàn)與PC機2的串口通信。
實驗3 通過RS232接口將PC機1與實驗板1連接，將232電平轉(zhuǎn)換為TTL電平，然后通過紅外發(fā)送電路將信號無線傳送到實驗板2上，再通過安裝在實驗板2上的RS232接口與PC機2完成通信。
3 結(jié)語
該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單，功能可靠，硬件與軟件均調(diào)試通過，在實際現(xiàn)場的應(yīng)用中具有一定的實用價值，對于為了解并掌握多機間串行通信，紅外通信的初學(xué)者是一個理想的實驗工具。