摘 要：介紹了一種采用Linux操作系統(tǒng)的PC機通過串口和MCS-51系列單片機進行通信的設計方法，給出了基本的硬件原理和通信程序設計的2種方法。實驗證明，這種方案簡單可靠、價格低廉，為Linux在工業(yè)控制等領域中的應用提供了一種解決方法。
單片機性能穩(wěn)定、價格低廉、功能強大，在智能儀器、工業(yè)裝備以及日用電子消費品中得到了越來越廣泛的應用。在單片機的輸入輸出控制中，除直接接上小鍵盤和LCD顯示屏等方法外，一般都通過串口和上位機PC進行通信，而后一種方法由于能實現遠程控制，并且能夠利用PC機強大的數據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機對單片機進行控制的場合，都是采用Windows作為上位機的平臺，其優(yōu)點是界面友好，編程和操作都比較容易，缺點是穩(wěn)定性太差，這對于需要連續(xù)數天或數月運行的裝置來說，尤其不合適。在要求比較苛刻的場合，一般都采用UNIX工作站作為主控平臺，如合肥同步輻射加速器的主控平臺采用的是SUN的Solaris工作站系統(tǒng)，然而UNIX工作站昂貴的價格又大大限制了其使用的范圍。近年來，隨著Linux的迅猛發(fā)展，使其逐漸從少數人的玩具變成了主流的操作系統(tǒng)。Linux是遵循GPL協(xié)議的免費源代碼開放軟件，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特定的應用，其運行在普通的PC上，性能穩(wěn)定，特別適于做工業(yè)控制，因此實現Linux和單片機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
目前國內使用較多的為MCS-51系列的單片機，因此選用的單片機實驗對象為一片AT89C51，圖1是硬件原理圖，由于要實現符合RS232C的串行通信，還應該用一片ICL232CPE(MAX232)作為串行通信的電平轉換電路。在實驗過程中，為了查看通信是否成功，除了讓單片機對上位機回送數據外，還在單片機外圍擴展了幾片鎖存器，幾個LED發(fā)光二極管和幾個小鍵盤。串行通信是采用最簡單的TxD，RxD，GND三線制連接，注意TxD和RxD兩邊應該交*連線。
上位機是一臺普通的PC機，共有2個串行口COM1，COM2，其運行RedHat8．0，實際上，如果不要求運行Gnome或KDE等圖形界面，Linux對系統(tǒng)硬件的要求相當低。
實驗證明，此電路簡單可靠，非常適用于測試串行通信。
2 串行通信程序設計
串行通信程序包括下位機單片機和上位機PC機的程序。單片機接收上位機傳來的數據，放到片內RAM里面，再將RAM內數據同時發(fā)送到外部擴展鎖存器和上位機，由此可以判斷通信是否成功。此程序由匯編語言寫成，初始化時波特率設置為4 800 b/s，通信方式為8－N－1。
上位機程序的編寫是關鍵部分，因為要對串口硬件設備進行操作，有2種方法，一是利用Linux內核自帶的串口驅動程序，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 利用串口驅動程序的編程方法
利用Linux自身的串口驅動程序進行編程，實際上就是調用驅動程序的一系列函數，完成串口通信參數的設置，數據的發(fā)送和接收。在這種方法中，Linux給每個串口都分配一個文件索引號，有相應的文件名稱，實際上是將硬件設備看成一種特殊的文件，如COM1，COM2對應的文件分別為/dev/ttyS0，/dev/ttyS1，操作這2個串口實際上就是操作這2個文件，而對硬件設備文件的操作與對普通文件的操作并沒有什么不同，都可以使用相同的文件I/O調用函數(open，write，read，close)，不同之處在于用系統(tǒng)調用open()打開串口得到相應設備的文件描述符以后，先要對其進行初始化，設置一些特定的參數，如波特率、數據位、輸入輸出方式等，這些參數存放在structtermios中，函數tcsetattr()可以設置串口的structtermios，tcgetattr()可以得到串口的struct termios。設置完通信參數后就可用read和write對串口文件進行讀寫了。運行程序時要注意用戶是否有對要操作的串口文件進行讀寫的權力，可以用chmod命令進行文件權限修改。
初始化函數如下：
初始化以后就開始發(fā)送和接收數據，先將一個字符串發(fā)送給單片機，單片機接收到數據后，將數據返回給上位機。但需要注意的是，由于上位機速度比單片機快得多，一次不能發(fā)送過多的數據，否則極有可能使發(fā)送緩沖區(qū)溢出而丟失數據，發(fā)送過后，還需等待一段時間，使單片機將數據完全發(fā)送到上位機后，再進行讀取。
2．2 直接讀寫串口硬件端口的方法
在使用這個方法的時候，必須對串口通信的硬件原理有一些了解。PC機的串口是由通用異步收發(fā)器8250UART(或16550)為核心構成的，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相關的，而在使用三線制進行通信時用不到，只用關心與通信相關的寄存器，比起使用為通用功能編寫的串口設備驅動程序來，直接讀寫相關寄存器效率更高。
初始化后，就可以進行數據的收發(fā)了，接受數據之前必須保證接收數據就緒，這可以通過0x2fd的D0來判斷，發(fā)送數據之前必須保證發(fā)送寄存器為空，這可以通過0x2fd的D5來判斷，代碼如下：
3 結語
實驗表明，此系統(tǒng)采用的2種方法都完全實現了LinuxPC機與單片機之間點對點的通信，方法簡單可靠，基本上在需要用到PC機與單片機串行通信的場合均可采用此種方法。隨著近年來Linux在國內應用范圍的日益壯大，在工業(yè)控制、數據采集等領域也必將越來越多的采用Linux，本文可以算作是一個有益的嘗試。當然在實際應用中還需要考慮一些問題，比如進行出錯處理的問題，可以在一個要發(fā)送的字符串后再發(fā)送一個校驗和，當收到返回的校驗和與發(fā)送的校驗和不一致時再進行重發(fā)，再比如所采用的RS232C傳輸距離很短，并且抗干擾能力很差，這時需要將總線轉換成差分傳輸的RS485/RS422。另外，稍加改進，就可實現PC機與多片51單片機的串行通信，這時由于共用一條總線，必須給每個單片機分配一個地址，然后由PC機對總線進行仲裁，只有獲得總線使用權的單片機才能與上位機進行通信，這里不再贅述。
總之，本文只是為Linux PC和單片機串行通信提供了一個典型的范例，要應用到實際的項目中去，還需要根據實際的情況具體考慮，靈活應用，最終才能形成一個可靠的基于Linux平臺的系統(tǒng)。
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