单片机与PC机串口通讯设计

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1、第一章 串口通讯的系统组成与原理1.1 系统组成及通讯原理 1.1.1 系统构成一、 MSP430F149功能简介： 本设计选用的主要芯片为MSP430F149，该单片机属于德州仪器公司MSP430F14X/16X FLASH 系列。该系列是一组工业级超低功耗的微控制器，运行环境温度为 -40+85 摄氏度工作电压范围1.83.6V， MSP430 单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压及灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。由于具有16位RISC（精简指令集）结构，16位寄存器和常数寄存器，MSP430 达到了最大的代码效率。数字控制的振荡器提供快速从所有低功耗模式苏醒到活

2、动模式的能力时间少于6ms。MSP430F149有较高的处理速度，在 8MHz 晶体驱动下指令周期为 125 ns。 另外它带有两个16 位定时器（带看门狗功能）、速度极快的8 通道12 位A/D 转换器(ADC)(带内部参考电压、采样保持和自动扫描功能）、一个内部比较器和两个通用同步/异步发射接收器、48个I/O口(均可独立控制)的微处理器结构。硬件乘法器提高了单片机的性能并使单片机在编码和硬件上可兼容3。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。二、系统构成1、系统框图系统构成如图1-1所示，由上位机(即工业控制计算机)、通讯接口和下位机3部分组成。上位机选用的是工控机 ，智能终端由单片机MS

3、P430F149和外围传感器放大电路等构成（本设计部涉及该部分的设计）。单片机与PC机之间通信方式为串行异步方式（UART），下位机采用中断方式进行与上位机的数据交换，上位机采用按时查询方式对各串口进行读写操作。单片机MSP430要想与PC 串口连接或者其它带有串口的终端设备连接，接口电路部分必须要进行EIA-RS-232-C 与MSP430 电平和逻辑关系的转换4。本设计将采用MAX3221芯片， 完成3V5V 电平与串口电平的双向转换。推荐精选图1-1 系统框图 1.1.2 通信原理及协议一、MSP430的串口通讯模块（USART）由于本设计解决的是串口通讯问题，所以通信的基本原理是利用M

4、SP430的串口通讯模块（USART）来实现单片机和PC机之间的串口通信。1、USART的硬件构成：SP430F169的串行通讯模块（USART）的作用主要是实现对外通信，它可以实现异步通信（UART）和同步通信（SPI）两中通讯功能5。图1-2是USART的通讯模块。由图1-2可以看出USART模块分别由波特率部分，接收部分，发送部分，端口IO部分组成。USART接收部分包括接收寄存器，接收移位寄存器以及控制模块组成，它在接收信息的时候产生一些状态信息，并设置相应的中断标志位。USART的发送部分包括发送寄存器，发送移位寄存器以及控制模块组成，它在发送的时候产生一些状态信息，并可以设置发送中

5、断标志位。USART的波特率产生部分主要包括时钟的选择，波特率的产生以及波特率的调整部分组成，它通过设置波特率寄存器和波特率调整寄存器来获得需要的波特率。USART包含一个控制模块，通过控制模块可以选择相应的工作模式，同时设置相应的管脚，比如对异步和同步工作方式的选择，对奇偶校验位和停止位个数等所有设置都是通过操作该模块的寄存器来实现的。对于不同系列的MSP单片机其USART模块可能有一个也可能有两个，而MSP430F149有两个，分别是USART0和USART1。推荐精选图1-2 USART模块组成2、USART的控制寄存器和工作模式USART的控制寄存器是其八个寄存器之中的一个，表1-1是

6、其位的格式， 表1-1 控制寄存器PENVPEVSPCHARLISTENSYNCMMSWRSTUSART的控制寄存器有8个有效控制位，通过对这些控制位的设置可以对工作模式，通信协议，校验位等进行选择。用户对USART的所有操作都是通过操作该寄存器的控制位来完成的6。下面是各个位的简单功能描述,知道这些控制位的功能,有助于我们在后面进行硬件连接和软件设计.推荐精选PENV：校验使能位。该位为0不允许校验；为1时，允许校验，且在发送时产生校验位，在接收时希望接收到校验位。在地址位多机模式中地址位包括在校验计算中。PEV：奇偶校验位。为0时，奇校验，为1时进行偶校验。SP：停止位。接收时停止位只有一

7、个。发送时，该位为0，只有一个停止位；该位为1时，有两个停止位。CHAR：字符长度位。该位为0表示发送的数据为7位，该位为1时表示发送的数据为8位。LISTEN：监听使能位。该位为0没有反馈；该位为1，有反馈，发送的数据送到接收器，可以进行自环测试。SYNC：该位为0时，USART为异步通信（UART）模式；该位为1，USART为同步通信（SPI）模式。MM：多机模式选择。当该位为0时，多机模式选择线路空闲多机协议；该位为1时，多机模式选择地址位多机协议。SWRST：软件复位使能位。也叫控制位。该位影响着其他控制位和状态位的状态，在串行口的使用过程中，这一位比较重要。一次正确的USART模块初

8、始化应该是这样的顺序：先在SWRST=1的情况下设置串口；然后设置SWRST=0；最后如果使用中断，则设置相应的中断使能。该位为0时：USART模块被允许。该位为1时：如果该位置位，则USART状态机和操作运行标志位都被初使化成复位状态（URXIFG=URXIE=UTXIE=0，UTXIFG=1）；同时所受影响的逻辑位保持在复位状态，直到SWRST位复位。这意味着，当系统复位后，只有对SWRST位复位，USART的功能才能被重新允许；但是接收和发送标志URXE和UTXE不受SWRST控制位的影响。二、通讯方式1、异步模式（UART）的选择MSP430F149单片机支持两种不同的串行协议，异步通

9、信（UART）协议和同步通信（SPI）协议。这两种协议的选择是通过控制寄存器中的SYNC位来决定的7。本设计中主要是利用MSP430的异步通信（UART）模式原理实现单片机与PC机之间的串口通信的。推荐精选MSP430控制寄存器内的信息决定了USART的基本操作，选择异步模式（UART）需要通过设置SYNC=0来实现；本设计中对于其他控制位的设置还有：设置CHAR=1，选择字符长度为8位；设置SP=0，选择停止位1位；设置PEV=0，选择奇校验；设置MM=1，选择地址位多机模式协议。控制位的选择基本上决定了系统的通信方式和通信格式。2、UART模块的特点由于MSP430单片机具有两个片内的UA

10、RT：串口0和串口1，实现两个串口通信相当容易，只需要设置适当的寄存器就可以使串口工作起来，两个串口都采用中断方式，当接收有数据时，设置一个标志通知主程序有数据到来，当主程序有数局要发送时，设置一个中断标志进入中断发送数据。本设计选用串口1与上位机进行通信。在异步模式下，接收部分自身实现帧的同步，通信双方只要使用相同的波特率即可。异步模式的帧格式有1位起始位、7位或8位数据位，校验位，1位地址位，1或2位停止位构成。在异步模式下，MSP430支持两种多机模式：线路空闲多机模式和地址位多机模式。线路空闲模式下，数据块被一段空闲的时间分割。在字符的第一个停止位之后收到10个以上的1，表示检测到线路

11、空闲；如果采用两个停止位，则第二个停止位被认为是空闲周期的第一个信号。在使用地址位多机模式时，字符包含一个附加的位作为地址标识，数据快的第一个字符带有一个置位的地址位，用以表明该字符是一个地址。由于已经设置了控制寄存器中的MM=1，故在本设计中选择了地址位多机模式。下面是UART通信的一些特点：（1）、异步通讯模式，包括线路空闲/地址位通信协议。（2）、有两个单独的移位寄存器，输入/输出移位寄存器。（3）、传输7位或8位数据，可采用奇偶或无校验。（4）、可编程实现波特率调整。（5）、分别发，收单独中断。（6）、有效地检测到起始位实现从低功耗唤醒。（7）、状态标志检测错误或者地址位。三、基本通信

12、协议：在PC机和多台单片机的通讯中，确定一个明确而合理的通讯协议是关键，包括对数据格式、通讯方式、传送速度、传送步骤、检纠错方式以及控制字符定义等问题做出统一规定推荐精选6。由于已经选择了UART的多机通信模式.为了区别不同的分机，必须为每个分机分配一个唯一的地址，此地址唯一区别各单片机。数据格式采用数据包的形式，一次传输一组数据。数据包格式如表1-2所示：表 1-2 数据包格式起使标志位下位机地址操作命令数据长度数据内容和校验结束标志起始标志位:1 个字节 分机地址: 1 个字节命令/ 数据: 1 个字节 数据长度: 1 个字节 数据内容: n 个字节 和检验: 2 个字节 结束标志位: 1

13、 个字节 数据格式中的地址位表示与PC 机通讯的单片机地址。操作命令则表示此次通讯要完成的操作。在单片机发送上位机接收的时候，协议规定命令FFH 为上报数据， 此时数据包中的数据长度、数据内容、和检验三个域便填充实际发送数据的个数、数据及和校验；命令F0H - F3H 则表示单片机给PC机的反馈信息，此时数据包中的数据长度、数据内容和检验三个域为空，其中当命令为F0H 表示接收成功，F1H 表示接收失败并要求重发，F2H 表示单片机有数据上报要求，F3H 表示单片机无数据上报要求。操作命令域在PC 机发送单片机接收的时候也有相似的协议规定。推荐精选第二章 硬件电路设计2.1 接口电平电路设计2

14、.1.1 RS-232接口电路设计一、 RS-232电气标准1、RS-232基本电气要求由于MSP430最大工作电压为3.6V，所以在与PC机进行串口通信的时候需要进行EIA-RS-232逻辑电平转换。EIA-RS-232 是美国电子工业协会（EIA）制定的串口通信协议，“C”表示标准修第几次修改，其信号电平采用负逻辑，逻辑“1”的电平是-5V15V，逻辑“0”的电平为+5V+15V,因为其有2V的噪声容限,故最终限制接收器能识别低至+3V的信号作为逻辑“0”，高到-3V的信号 作为逻辑“1”8。因此，实际工作时，应保证电平在(315)V之间。S-232-C最高传输速率为20kb/s，最大直接

15、连接长度为15m。2、RS-232常用接口RS-232-C标准接口有25条线：4条数据线、11条控制线、3条定时线、7条备用和未定义线。其中常用的只有9根，它们是：（1）6条联络控制信号线： 数据装置准备好（Data set ready-DSR)有效时（ON）状态，表明MODEM处于可以使用的状态。 数据终端准备好(Data set ready-DTR)有效时（ON）状态，表明数据终端可以使用。 请求发送(Request to send-RTS)用来表示DTE请求DCE发送数据，即当终端要发送数据时，使该信号有效（ON状态）。允许发送（Clear to send-CTS）用来表示DCE准备好接收DTE发来的数据，是对请求发送信号RTS的响应信号。该信号有效时，则通知终端开始沿发送数据线TxD发送数据。 推荐精选接收线信号检出(Received Line detection-RLSD)用来表示DCE已接通通信链路，告知DTE准备接收数据。此线也叫做数据载波检出(Data Carrier