摘 要：介紹了一種采用Linux操作系統(tǒng)的PC機(jī)通過(guò)串口和MCS-51系列單片機(jī)進(jìn)行通信的設(shè)計(jì)方法，給出了基本的硬件原理和通信程序設(shè)計(jì)的2種方法。實(shí)驗(yàn)證明，這種方案簡(jiǎn)單可靠、價(jià)格低廉，為L(zhǎng)inux在工業(yè)控制等領(lǐng)域中的應(yīng)用提供了一種解決方法。
單片機(jī)性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉、功能強(qiáng)大，在智能儀器、工業(yè)裝備以及日用電子消費(fèi)品中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。在單片機(jī)的輸入輸出控制中，除直接接上小鍵盤和LCD顯示屏等方法外，一般都通過(guò)串口和上位機(jī)PC進(jìn)行通信，而后一種方法由于能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，并且能夠利用PC機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能以及友好的控制界面，顯得尤為重要。在一般的利用PC機(jī)對(duì)單片機(jī)進(jìn)行控制的場(chǎng)合，都是采用Windows作為上位機(jī)的平臺(tái)，其優(yōu)點(diǎn)是界面友好，編程和操作都比較容易，缺點(diǎn)是穩(wěn)定性太差，這對(duì)于需要連續(xù)數(shù)天或數(shù)月運(yùn)行的裝置來(lái)說(shuō)，尤其不合適。在要求比較苛刻的場(chǎng)合，一般都采用UNIX工作站作為主控平臺(tái)，如合肥同步輻射加速器的主控平臺(tái)采用的是SUN的Solaris工作站系統(tǒng)，然而UNIX工作站昂貴的價(jià)格又大大限制了其使用的范圍。近年來(lái)，隨著Linux的迅猛發(fā)展，使其逐漸從少數(shù)人的玩具變成了主流的操作系統(tǒng)。Linux是遵循GPL協(xié)議的免費(fèi)源代碼開(kāi)放軟件，任何人都可以自由的從Internet上取得其源程序，也可在GPL的協(xié)議下修改其源代碼以適應(yīng)特定的應(yīng)用，其運(yùn)行在普通的PC上，性能穩(wěn)定，特別適于做工業(yè)控制，因此實(shí)現(xiàn)Linux和單片機(jī)的串行通信非常有意義，他可以是昂貴的UNIX工作站的一種可選的替代方法。
1 硬件原理
目前國(guó)內(nèi)使用較多的為MCS-51系列的單片機(jī)，因此選用的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)對(duì)象為一片AT89C51，圖1是硬件原理圖，由于要實(shí)現(xiàn)符合RS232C的串行通信，還應(yīng)該用一片ICL232CPE(MAX232)作為串行通信的電平轉(zhuǎn)換電路。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，為了查看通信是否成功，除了讓單片機(jī)對(duì)上位機(jī)回送數(shù)據(jù)外，還在單片機(jī)外圍擴(kuò)展了幾片鎖存器，幾個(gè)LED發(fā)光二極管和幾個(gè)小鍵盤。串行通信是采用最簡(jiǎn)單的TxD，RxD，GND三線制連接，注意TxD和RxD兩邊應(yīng)該交*連線。
上位機(jī)是一臺(tái)普通的PC機(jī)，共有2個(gè)串行口COM1，COM2，其運(yùn)行RedHat8．0，實(shí)際上，如果不要求運(yùn)行Gnome或KDE等圖形界面，Linux對(duì)系統(tǒng)硬件的要求相當(dāng)?shù)汀?/P>
實(shí)驗(yàn)證明，此電路簡(jiǎn)單可靠，非常適用于測(cè)試串行通信。
2 串行通信程序設(shè)計(jì)
串行通信程序包括下位機(jī)單片機(jī)和上位機(jī)PC機(jī)的程序。單片機(jī)接收上位機(jī)傳來(lái)的數(shù)據(jù)，放到片內(nèi)RAM里面，再將RAM內(nèi)數(shù)據(jù)同時(shí)發(fā)送到外部擴(kuò)展鎖存器和上位機(jī)，由此可以判斷通信是否成功。此程序由匯編語(yǔ)言寫成，初始化時(shí)波特率設(shè)置為4 800 b/s，通信方式為8－N－1。
上位機(jī)程序的編寫是關(guān)鍵部分，因?yàn)橐獙?duì)串口硬件設(shè)備進(jìn)行操作，有2種方法，一是利用Linux內(nèi)核自帶的串口驅(qū)動(dòng)程序，另外一種方法就是直接讀寫串口硬件端口，下面分別介紹。
2．1 利用串口驅(qū)動(dòng)程序的編程方法
利用Linux自身的串口驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行編程，實(shí)際上就是調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序的一系列函數(shù)，完成串口通信參數(shù)的設(shè)置，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。在這種方法中，Linux給每個(gè)串口都分配一個(gè)文件索引號(hào)，有相應(yīng)的文件名稱，實(shí)際上是將硬件設(shè)備看成一種特殊的文件，如COM1，COM2對(duì)應(yīng)的文件分別為/dev/ttyS0，/dev/ttyS1，操作這2個(gè)串口實(shí)際上就是操作這2個(gè)文件，而對(duì)硬件設(shè)備文件的操作與對(duì)普通文件的操作并沒(méi)有什么不同，都可以使用相同的文件I/O調(diào)用函數(shù)(open，write，read，close)，不同之處在于用系統(tǒng)調(diào)用open()打開(kāi)串口得到相應(yīng)設(shè)備的文件描述符以后，先要對(duì)其進(jìn)行初始化，設(shè)置一些特定的參數(shù)，如波特率、數(shù)據(jù)位、輸入輸出方式等，這些參數(shù)存放在structtermios中，函數(shù)tcsetattr()可以設(shè)置串口的structtermios，tcgetattr()可以得到串口的struct termios。設(shè)置完通信參數(shù)后就可用read和write對(duì)串口文件進(jìn)行讀寫了。運(yùn)行程序時(shí)要注意用戶是否有對(duì)要操作的串口文件進(jìn)行讀寫的權(quán)力，可以用chmod命令進(jìn)行文件權(quán)限修改。
初始化函數(shù)如下：
初始化以后就開(kāi)始發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，先將一個(gè)字符串發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)接收到數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)返回給上位機(jī)。但需要注意的是，由于上位機(jī)速度比單片機(jī)快得多，一次不能發(fā)送過(guò)多的數(shù)據(jù)，否則極有可能使發(fā)送緩沖區(qū)溢出而丟失數(shù)據(jù)，發(fā)送過(guò)后，還需等待一段時(shí)間，使單片機(jī)將數(shù)據(jù)完全發(fā)送到上位機(jī)后，再進(jìn)行讀取。
2．2 直接讀寫串口硬件端口的方法
在使用這個(gè)方法的時(shí)候，必須對(duì)串口通信的硬件原理有一些了解。PC機(jī)的串口是由通用異步收發(fā)器8250UART(或16550)為核心構(gòu)成的，寄存器基地址分別是0x3f8(COM1)和0x2f8(COM2)，還有其他的一些用于控制的寄存器。有很多寄存器是與Modem相關(guān)的，而在使用三線制進(jìn)行通信時(shí)用不到，只用關(guān)心與通信相關(guān)的寄存器，比起使用為通用功能編寫的串口設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序來(lái)，直接讀寫相關(guān)寄存器效率更高。
初始化后，就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)了，接受數(shù)據(jù)之前必須保證接收數(shù)據(jù)就緒，這可以通過(guò)0x2fd的D0來(lái)判斷，發(fā)送數(shù)據(jù)之前必須保證發(fā)送寄存器為空，這可以通過(guò)0x2fd的D5來(lái)判斷，代碼如下：
3 結(jié)語(yǔ)
實(shí)驗(yàn)表明，此系統(tǒng)采用的2種方法都完全實(shí)現(xiàn)了LinuxPC機(jī)與單片機(jī)之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信，方法簡(jiǎn)單可靠，基本上在需要用到PC機(jī)與單片機(jī)串行通信的場(chǎng)合均可采用此種方法。隨著近年來(lái)Linux在國(guó)內(nèi)應(yīng)用范圍的日益壯大，在工業(yè)控制、數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域也必將越來(lái)越多的采用Linux，本文可以算作是一個(gè)有益的嘗試。當(dāng)然在實(shí)際應(yīng)用中還需要考慮一些問(wèn)題，比如進(jìn)行出錯(cuò)處理的問(wèn)題，可以在一個(gè)要發(fā)送的字符串后再發(fā)送一個(gè)校驗(yàn)和，當(dāng)收到返回的校驗(yàn)和與發(fā)送的校驗(yàn)和不一致時(shí)再進(jìn)行重發(fā)，再比如所采用的RS232C傳輸距離很短，并且抗干擾能力很差，這時(shí)需要將總線轉(zhuǎn)換成差分傳輸?shù)腞S485/RS422。另外，稍加改進(jìn)，就可實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與多片51單片機(jī)的串行通信，這時(shí)由于共用一條總線，必須給每個(gè)單片機(jī)分配一個(gè)地址，然后由PC機(jī)對(duì)總線進(jìn)行仲裁，只有獲得總線使用權(quán)的單片機(jī)才能與上位機(jī)進(jìn)行通信，這里不再贅述。
總之，本文只是為L(zhǎng)inux PC和單片機(jī)串行通信提供了一個(gè)典型的范例，要應(yīng)用到實(shí)際的項(xiàng)目中去，還需要根據(jù)實(shí)際的情況具體考慮，靈活應(yīng)用，最終才能形成一個(gè)可靠的基于Linux平臺(tái)的系統(tǒng)。
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