PC机与下位单片机异步串行通信

关键词： 分布式控制系统；异步；串行通信；PComm

在由一台ＰＣ机（上位机）和多台单片机（下位机）构成的分布式控制系统中，单片机主要负责实时数据采集，并将初步处理后的数据通过串行口传送给ＰＣ机以便由ＰＣ机串行口的命令对单片机进行控制，同时通过打印机或显示器向用户随时提供各种统计报表和整个控制过程的具体数据。在这样的分布式控制系统中，单片机与微机之间的多路通信是整个系统的关键，本文将介绍在提高通信的准确性、可靠性和效率的前提下，用ＰＣｏｍｍ开发ＰＣ机与单片机的通信程序的解决方案。

１　通信协议

为了保证可靠的通信，必须有一套完善的通信协议。分布式控制系统中的每台单片机均有唯一的番号。通信开始时，先由ＰＣ机呼叫被叫单片机的番号，单片机在接收到微机的呼叫后，首先判断是不是自己的番号，如果是，则发送呼叫应答信号，否则不予理睬。微机在接收到呼叫应答信号之后，将向单片机发出通信命令字符串。以下是上位ＰＣ机协议的格式：

其中，单片机号代表现场第几台单片机，占用１个字节，发送两次的目的是为了防止干扰；命令码则代表上位机向下位机发布的工作命令，它也占用１个字节，发送两次的目的也是为了防止干扰。而停止标志则表明一次命令发送完毕。使用时可依据该标志判断上位机的命令是否发送完毕。

下位机协议格式如下：

该格式中，数据块为下位机上传到上位ＰＣ机的数据。校验位则用于ＰＣ机对收到的数据进行奇偶校验（占１个字节）。校验正确后，可将数据写入内存，否则发出数据传输错误信息，以要求单片机重新传输数据。

另外，作为一个完整的通信协议，只有上述约定还不够，还必须在发送和接收数据的时间间隔上加以限制。否则，很可能由于某些原因而造成无限制的等待对方应答，使整个系统处于工作不正常状态，或者延误其它动作的处理。具体时间限制可根据通信内容、ＣＰＵ处理速度，再加上适当的余量来确定。

２　单片机通信程序设计

设计单片机通信程序时，必须充分发挥单片机的效率。由于单片机多应用于实时性较强的控制场合，因此，应将及时响应和控制对象的动作放在优先考虑的位置，以尽量减少通信等辅助性操作所占用的ＣＰＵ时间。基于上述考虑，笔者在设计单片机通信程序时，将通信程序分为接收中断处理程序、发送中断处理程序和通信处理程序３部分，并将这３部分程序巧妙地进行组合，从而构成整个单片机的通信程序。

２．１ 接收中断处理程序

接收中断处理程序主要负责接收微机发送到单片机接收缓冲区（不对数据进行处理，以减少中断占用的时间）的数据，当接收到规定的字符数或在一定等待时间内无后续数据之后，置接收完毕标志，以表明接收缓冲区中有待处理的数据并请求通信处理程序对其进行处理。其流程图如图１所示。

２．２ 发送中断处理程序

发送中断处理程序主要负责向微机发送数据，发送中断一般处于禁止状态，只有在通信处理程序将需要发送的数据写入单片机的发送缓冲区，并将发送中断置为允许方式后，发送中断才开始工作，并将缓冲区数据逐一发送给微机。当发送完指定长度的数据后（发送缓冲区为空），发送中断处理程序将发送中断置为禁止（关闭）状态，直到通信处理程序将其再一次开放。其流程如图２所示。

２．３ 通信处理程序

考虑到尽量减少通信中断程序所占用的ＣＰＵ时间，通信处理程序被放在普通主循环中调用。只有在接收到上位机送来的一串数据，且接收完毕标志为“ＯＮ”时，才能真正进行处理，否则不进行处理。这样就可利用送信后等待微机回答的时间进行别的处理，从而消除了空等待时间，提高了ＣＰＵ的利用率。通信处理程序可根据通信处理状态的不同来分别执行不同的路径。在进入相应路径后，首先对接收缓冲区的内容进行正确性检查，检查正确后再根据通信要求或协议规定对缓冲区的内容进行处理（包括内存的写入和读出），同时重新组织数据到发送缓冲区以向微机发送数据，最后退出通信处理程序以执行其它的程序。待接收中断程序重新接收到数据并将接收完标志置为“ＯＮ”后，可重新进入通信处理程序进行处理。

３　ＰＣ机通信程序设计

在ＶＣ＋＋６．０环境下，利用ＰＣ机串口进行通信的常用方法有两种第一是调用Ｗｉｎｄｏｗｓ ＡＰＩＡｐｐｌｉ－ ｃａｔｉｏｎ Ｐｒｏｇｒａｍ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ函数；第二是使用ＡｃｔｉｖｅＸ的ＭＳＣｏｍｍ控件。第一种方法需声明及调用许多ＡＰＩ函数，十分烦琐。而第二种方法是将ＡＰＩ函数封装起来，这种方法虽较为简便，但不能满足复杂情况下的通信要求。本文将介绍另外一种用ＰＣｏｍｍ处理ＰＣ机的串口通信方法。

ＰＣｏｍｍ是一种用于处理多进程／多线程的串口通信软件开发工具，它提供了许多基于ＡＰＩ函数的命令集来处理串口通信，可以在Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋、Ｖｉｓｕａｌ Ｂａｓｉｃ、Ｄｅｌｐｈｉ ５．０等多种开发工具下使用，且具有传输速度快、使用灵活方便等特点，能够满足复杂情况下的串口通信要求。

３．１ Ｐｃｏｍｍ的主要命令码

ＰＣｏｍｍ的主要命令码有以下几种：

● ｓｉｏ ｏｐｅｎ(ｐｏｒｔ)；

用于设置并打开串口，其中ｐｏｒｔ的１、２、３、４分别代表ＣＯＭ１、ＣＯＭ２、ＣＯＭ３、ＣＯＭ４。当返回值为０时，表示串口已经打开，否则为串口打开出错。

● ｓｉｏ ｃｌｏｓｅ(ｐｏｒｔ)；

关闭串口，当返回值为０时,表示串口已经关闭，否则为串口关闭出错。

● ｓｉｏ ｉｏｃｔｌ(ｐｏｒｔｂａｕｄｍｏｄｅ)；

用于设置串口波特率、校验位、数据位、停止位等参数。

● ｓｉｏ ｇｅｔｃｈ()；

从串口输入缓冲区读出一个字符，返回值为０表示已收到数据。

● ｓｉｏ-ｒｅａｄ(ｐｏｒｔｂｕｆｌｅｎ)；

用于从串口输入缓冲区读出一串字符，ｂｕｆ代表字符串数组ｌｅｎ代表数组长度，返回值为０表示未收到字符，大于０代表收到字符的个数。

● ｓｉｏ-ＳｅｔＲｅａｄＴｉｍｅｏｕｔｓｐｏｒｔＴｏｔａｌＴｉｍｅｏｕｔｓ(Ｉｎｔｅｒ-ｖａｌＴｉｍｅｏｕｔｓ)；

在设定的等待时间内连续读串口输入缓冲区，ＴｏｔａｌＴｉｍｅｏｕｔｓ代表设定的等待时间，ＩｎｔｅｒｖａｌＴｉｍｅｏｕｔｓ代表每次读出的间隔时间。

● ｓｉｏ-ｆｌｕｓｈ(ｐｏｒｔｆｕｎｃ)；

用于清空缓冲区。当ｆｕｎｃ为０时清空输入缓冲区，为１时清空输出缓冲区，为２时清空输入输出缓冲区。

● ｓｉｏ-ｐｕｔｃｈ(ｐｏｒｔｔｅｒｍ)；

用于向串口缓冲区发送一个字符，返回值为０时表示发送正确，否则表示发送错误。

● ｓｉｏ-ｗｒｉｔｅ(ｐｏｒｔｂｕｆｌｅｎ)；

用于从串口缓冲区发送一串字符，ｂｕｆ代表字符串数组,ｌｅｎ代表数组长度。

３．２ 实现过程

在用Ｐｃｏｍｍ处理ＰＣ机的串口通信时，其实现过程如下：

（１）启动ＶＣ＋＋ ６．０，新建一个基于对话框的应用程序ＴｘＲｘ。同时增加静态文本、编辑框和按钮控件，并为它们添加相应的变量。其属性见表１。

表1 TxRx应用程序的属性

（２） 将Ｐｃｏｍｍ．ｈ和Ｐｃｏｍｍ．ｌｉｂ加入到工程中，并在ＴｘＲｘＤｌｇ．ｃｐｐ文件中加入＃ｉｎｃｌｕｄｅ “Ｐｃｏｍｍ．ｈ”头文件，此后便可调用其提供的通信命令集。

（３）在ＴｘＲｘＤｌｇ．ｃｐｐ文件中添加有关程序代码，也就是在ＯｎＩｎｉｔｉＤｉａｌｏｇ函数中的ＴＯＤＯ语句后加入以下代码：

／／ＴＯＤＯ Ａｄｄ ｅｘｔｒａ ｉｎｉｔｉａｌｉｚａｔｉｏｎ ｈｅｒｅ

ｉｎｔ ｒｅｔｐｏｒｔ＝１

ｒｅｔ＝ｓｉｏ ｏｐｅｎｐｏｒｔ ／／打开串口１

ｓｉｏ ＤＴＲｐｏｒｔ０ ／／置ＤＴＲ为低电平

ｓｉｏ ｉｏｃｔｌｐｏｒｔＢ１９２００Ｐ ＮＯＮＥ｜ＢＩＴ ８｜ ＳＴＯＰ １ ／／设置波特率为１９２００，８位数据位，

１位停止位，无校验位。

３．３ 数据通信

下面举例说明ＰＣ机如何通过串口向单片机发送并接收数据。

ｖｏｉｄ ＣＴＸＲＸＤｌｇＳｅｎｄＲｅｃｖ／／收发数据子函数

{

ｗｈｉｌｅ１

{

ｉｎｔ ｒｅｔ１

ｓｉｏ ｆｌｕｓｈｐｏｒｔ２;／／清空串口输入输出缓冲区

ｓｉｏ- ｗｒｉｔｅ(ｐｏｒｔ,１,５);

向串口缓冲区发送５个字符

ｓｉｏ- ＳｅｔＲｅａｄＴｉｍｅｏｕｔｓ(ｐｏｒｔ,４０,１);

／／在４０ｍｓ内每隔１ｍｓ读一次串口

ｒｅｔ１＝ｓｉｏ-ｒｅａｄ(ｐｏｒｔ,ＲｅｃｖＢｕｆ,１);

ｉｆ (ｒｅｔ１＞０)

{

ｓｉｏ- ｃｌｏｓｅ(ｐｏｒｔ);

ｂｒｅａｋ;

}

／／若收到数据，关闭串口，跳出循环

ｅｌｓｅ;

／／若未收到数据，对串口再一次发数据并再次查询接收。

}

}

４　结束语

本文给出了分布式控制系统中上位ＰＣ机与下位单片机之间进行异步串行通信的解决方案。此方案在实际运行过程中，运行稳定，通信性能良好，从而较好地解决了上位机与下位机之间的通信问题。