單片機與PC通信的簡化接口
出處：http://www.ic37.com 發(fā)布于：2007-09-25 10:31:07
摘要：給出了一種單片同與PC進行通信的低成本接口的設計方法，并給出了其中的關(guān)鍵參數(shù)，通過在實踐中檢驗證明：該接口在對成本和體積有嚴格要求的系統(tǒng)中有著廣泛的應用。
關(guān)鍵詞：單片機 PC 接口 通信
在單片機系統(tǒng)的設計中，經(jīng)常遇到需要與PC進行通信的問題。一般單片機都提供有UART接口，而普通PC機也都有1～2個RS-232口，所以，實際使用時經(jīng)常用RS-232進行單片機與計算機間的通信。在近距離通信中，以零調(diào)制三線經(jīng)濟型使用為廣泛。
RS-232標準是廣泛使用的串行通信標準，但使用的電平與TTL和MOS電平完全不同，邏輯“0”至少為+3V，邏輯“1”至少為-3V，而單片機系統(tǒng)則使用TTL電平或MOS電平。因此，需要使用接口電路來實現(xiàn)TTL電平或MOS電平與RS-232電平之間的轉(zhuǎn)換。目前已有現(xiàn)成的接口芯片可供選用，價格低一些的如MC地488（將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS-232C標準電平）和MC1489（將RS-232標準電平轉(zhuǎn)換為TTL電平），但MC1488需要±12V的供電電壓。另外，也有許多使用單一的+5V供電芯片可供選擇，如MAX2003，但此類芯睡價格不菲，且需要若干外圍元件。在對體積和成本有較嚴格的要求時，進一步簡化接口電路很有必要。
1 一種簡單的接口電路
實用中，單片機與PC的通信通常采用半雙工通信，這時，可以采用一種較簡單的接口電路（如圖1所示）。在這種電路中，PC機的RXD上的邏輯高電平（小于-3V）是以“偷電”的方式從本身的TXD端獲得。這種電路的工作原理如下：
PC機TXD端的邏輯電平經(jīng)T1后變?yōu)門TL電平或MOS電平。在單片機TXD端為邏輯低電平時，光耦的發(fā)光二極管發(fā)光，使得晶體管導通。其集電極的VCC（一般為+5V）加在PC機的RXD端；而在單片機TXD端為邏輯高電平時，光耦的發(fā)光二極管不發(fā)光，晶體管截止。由于PC機的TXD端在空閑時處于邏輯高電平（小于-3V），因此，這個電平便通過電阻R4加到其RXD端。這樣，便實現(xiàn)了TTL電平或MOS電平到RS-232電平的轉(zhuǎn)換。但需要注意的是，由于PC機的RXD和RXD端通過電阻接到了一起，因此有時會出現(xiàn)PC機自發(fā)自收的情況，這一點需要在編程時加以處理。
2 電阻值的確定
圖1電路中，R1、R2的取值范圍較大，一般只要使得T1正常工作在開關(guān)狀態(tài)下即可。R3的取值可按下式進行計算：
R3=(Vcc-VF-Vcs)/IF
其中Vcc是工作電源電壓，Vcs是單片機TXD端的低電平電壓（一般取0.2V），VF是光耦中的發(fā)光二極管導通時的正向壓降（一般為1.1V左右），IF是其正常工作電流（一般為10mA）。
R4取值的合適與否是本電路的關(guān)鍵。取值過小，可能會在單片機發(fā)送邏輯低電平時，使PC機的RXD端電平受自身TXD端的影響太大而導致電壓過低，從而達不到邏輯低電平的要求而不能正確接收；取值過大，則會在單片機發(fā)送邏輯高電平時，PC機RXD端受其輸入電阻的影響而不能將自身TXD端的邏輯電平正確傳送過來，這樣也不能正確接收。實際上，R4的取值受多種因素的影響，其中包括：光耦中晶體管的特性、R2的值、二極管D的特性、PC機RXD端的輸入電阻和輸入電平、TXD端的輸出電阻和輸出電平等。而這些因素中，尤以后兩乾的影響為甚。
在PC機系統(tǒng)中，異步通信適配器以INS8250通訊芯片為，再配以可進行電平轉(zhuǎn)換的發(fā)送器和接收器電路而組成的。不同種類的PC機由于主板設計的不同，其RS-232的特性也有差異，特別是RXD端的輸入電阻和TXD端的輸出電阻相去甚遠。因此，若要用計算的方法得到R4的取值，需要了解各種主板的電路設計，這樣非常麻煩。但是對各種常見品牌計算機的RS-232口的特性進行測試卻是相對簡便的。筆者在各種常見品牌的近百臺計算機上進行了測試，得到了可以在各種計算機上可正常使用的R4值，具體取值如表1所列。
表1 PC與單片機通信情況和R4值的關(guān)系
表1 PC與單片機通信情況和R4值的關(guān)系
| 機 型 | 聯(lián)想500 | 同創(chuàng)100 | 東海550 | 兼容機300 | PHILIPS350 |
| R4值 | X1 X2 X3 | X1 X2 X3 | X1 X2 X3 | X1 X2 X3 | X1 X2 X3 |
| 5.6kΩ | 1 1 0 | 1 1 0 | 1 1 0 | 1 1 0 | 1 1 0 |
| 10kΩ | 1 1 0 | 1 1 0 | 1 1 0 | 1 1 0 | 1 1 0 |
| 11kΩ | 1 1 0 | 1 1 0 | 1 1 0 | 1 1 0 | 1 1 0 |
| 12.2kΩ | 1 1 1 | 1 1 1 | 1 1 1 | 1 1 1 | 1 1 1 |
| 15.6kΩ | 1 1 1 | 1 1 1 | 1 1 1 | 1 1 1 | 1 1 1 |
| 20kΩ | 1 1 1 | 1 1 1 | 1 1 1 | 1 1 1 | 1 1 1 |
| 21kΩ | 0 1 1 | 0 1 1 | 0 1 1 | 0 1 1 | 0 1 1 |
| 22kΩ | 0 1 1 | 0 1 1 | 0 1 1 | 0 1 1 | 0 1 1 |
| 30kΩ | 0 1 1 | 0 1 1 | 0 1 1 | 0 1 1 | 0 1 1 |
| 56kΩ | 0 1 1 | 0 1 1 | 0 1 1 | 0 1 1 | 0 1 1 |
| 77kΩ | 0 1 1 | 0 1 1 | 0 1 1 | 0 1 1 | 0 1 1 |
| 100kΩ | 0 1 1 | 0 1 1 | 0 1 1 | 0 1 1 | 0 1 1 |
| 131kΩ | 0 1 1 | 0 1 1 | 0 1 1 | 0 1 1 | 0 1 1 |
| 150kΩ | 0 1 1 | 0 1 1 | 0 1 1 | 0 1 1 | 0 1 1 |
| 200kΩ | 0 1 1 | 0 1 1 | 0 1 1 | 0 1 1 | 0 1 1 |
| 240kΩ | 0 1 1 | 0 1 1 | 0 1 1 | 0 1 1 | 0 1 1 |
| 280kΩ | 0 1 1 | 0 1 1 | 0 1 0 | 1 1 1 | 1 1 1 |
| 300kΩ | 0 1 1 | 0 1 1 | 0 1 0 | 1 1 0 | 1 1 1 |
| 開路 | 0 1 1 | 0 1 0 | 0 1 0 | 0 1 0 | 0 1 0 |
測試中，R2取10kΩ，D采用IN4148，光耦采用TIL117，其發(fā)光二極管的工作電流為10mA（推薦值）。改變R4的取值，檢查PC能否和單片機系統(tǒng)進行通信，以及PC機在發(fā)送數(shù)據(jù)時是否被自己接到。實驗發(fā)現(xiàn)，常用PC機的RS-232口根據(jù)外部特性可以分為幾大類，現(xiàn)將每一類取一例示于表1中。表中的X1X2X3含義如下：
X1=0表示PC機發(fā)送數(shù)據(jù)時不能通過R4自收。
=1表示PC機發(fā)送數(shù)據(jù)進可以通過R4自收。
X2=0表示PC機發(fā)送的數(shù)據(jù)不能被單片機接收。
=1表示PC機發(fā)送的數(shù)據(jù)可以被單片機接收。
X3=0表示單片機發(fā)送的數(shù)據(jù)不能被PC機接收。
=1表示單片機發(fā)送的數(shù)據(jù)可以被PC機接收。
從表1中可以看出，盡管各種主板特性不同，但都有一段性相同的范圍，即R4取12.2kΩ～20kΩ時，PC可以和單片機正常通信，且PC發(fā)送的數(shù)據(jù)也可以被它自己接收。這樣，在設計電路時可以把R4取成15kΩ,從而使得該以與各種PC進行通信。但需要注意是，當PC由發(fā)送轉(zhuǎn)變?yōu)榻邮諘r，需要清除自發(fā)自收的數(shù)據(jù)。如果PC的通信程序是用匯編或C語言編寫的，只需假讀以清空接收緩沖器，或者復位線路狀態(tài)寄存器的D0位即可。如果PC的通信程序是用WB或VF編寫，且使用了通信控件，那么剛才發(fā)送的全部內(nèi)容都會進入接收緩沖區(qū)，這樣就需要根據(jù)發(fā)送的字節(jié)數(shù)將接收緩沖區(qū)中前面相應的內(nèi)容清除。
3 電路的進一步簡化
如果想進一步簡化電路，則可用三極管替代光電耦合器，該簡化接口電路見圖2所示。實驗證明，在R4取10kΩ,T2采9015，R3取15kΩ時，該電路仍可正常工作。
4 結(jié)論
本文給出的簡單接口電路具有成本低和占用印制版面積小的優(yōu)點。通過實驗測定的元件取值具有廣泛的適用性。上述電路在筆者開發(fā)的手持式通用秒表器中得到應用。實際應用中與各種品牌近千臺PC的通信皆正確，從而證明了本設計的可靠性。
關(guān)鍵詞：單片機與PC通信的簡化接口TIL117MC1488IN41489015150K240K300K
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