自動(dòng)加料機(jī)控制系統(tǒng)(單片機(jī)類)
自動(dòng)加料機(jī)控制系統(tǒng)(單片機(jī)類),自動(dòng),加料,控制系統(tǒng),單片機(jī)
www.sfmcu.com www.sf-edu.cn 盛方整理 版權(quán)歸作者所有 第 43 頁(yè) 共 43 頁(yè)
引言
隨著“信息時(shí)代”的到來(lái)，作為獲取信息的手段——傳感器技術(shù)得到了顯著的進(jìn)步，其應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，對(duì)其要求越來(lái)越高，需求越來(lái)越迫切。傳感器技術(shù)已成為衡量一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。因此，了解并掌握各類傳感器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及特性是非常重要的。
由于傳感器能將各種物理量、化學(xué)量和生物量等信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，使得人們可以利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量、信息處理和自動(dòng)控制，但是它們都不同程度地存在溫漂和非線性等影響因素。傳感器主要用于測(cè)量和控制系統(tǒng)，它的性能好壞直接影響系統(tǒng)的性能。因此，不僅必須掌握各類傳感器的結(jié)構(gòu)、原理及其性能指標(biāo)，還必須懂得傳感器經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)慕涌陔娐氛{(diào)整才能滿足信號(hào)的處理、顯示和控制的要求，而且只有通過(guò)對(duì)傳感器應(yīng)用實(shí)例的原理和智能傳感器實(shí)例的分析了解，才能將傳感器和信息通信和信息處理結(jié)合起來(lái)，適應(yīng)傳感器的生產(chǎn)、研制、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。另一方面，傳感器的被測(cè)信號(hào)來(lái)自于各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，每個(gè)領(lǐng)域都為了改革生產(chǎn)力、提高工效和時(shí)效，各自都在開(kāi)發(fā)研制適合應(yīng)用的傳感器，于是種類繁多的新型傳感器及傳感器系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)。溫度傳感器是其中重要的一類傳感器。其發(fā)展速度之快，以及其應(yīng)用之廣，并且還有很大潛力。
為了提高對(duì)傳感器的認(rèn)識(shí)和了解，尤其是對(duì)溫度傳感器的深入研究以及其用法與用途，基于實(shí)用、廣泛和典型的原則而設(shè)計(jì)了本系統(tǒng)。本文利用單片機(jī)結(jié)合傳感器技術(shù)而開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了這一溫度監(jiān)控系統(tǒng)。文中傳感器理論單片機(jī)實(shí)際應(yīng)用有機(jī)結(jié)合，詳細(xì)地講述了利用熱敏電阻作為熱敏傳感器探測(cè)環(huán)境溫度的過(guò)程，以及實(shí)現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換的原理過(guò)程。
本設(shè)計(jì)應(yīng)用性比較強(qiáng)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以作為生物培養(yǎng)液溫度監(jiān)控系統(tǒng)，如果稍微改裝可以做熱水器溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)室溫度監(jiān)控系統(tǒng)等等。課題主要任務(wù)是完成環(huán)境溫度檢測(cè)，利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)并通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)施溫度監(jiān)控。設(shè)計(jì)后的系統(tǒng)具有操作方便，控制靈活等優(yōu)點(diǎn)。
本設(shè)計(jì)系統(tǒng)包括溫度傳感器，A/D轉(zhuǎn)換模塊，輸出控制模塊，數(shù)據(jù)傳輸模塊，溫度顯示模塊和溫度調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電路六個(gè)部分。文中對(duì)每個(gè)部分功能、實(shí)現(xiàn)過(guò)程作了詳細(xì)介紹。整個(gè)系統(tǒng)的核心是進(jìn)行溫度監(jiān)控，完成了課題所有要求。
1 設(shè)計(jì)要求
1.1 控制要求
（1）生物繁殖培養(yǎng)液的溫度要保證在適于細(xì)胞繁殖的溫度內(nèi)，這主要在控制程序設(shè)計(jì)中考慮。溫度控制范圍為15 ～25，升溫、降溫階段的溫度控制精度要求為0.5度，保溫階段溫度控制精度為 0.5度 。
圖1.1.1溫度控制曲線
（2）微機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié) 正常情況下，系統(tǒng)投入自動(dòng)。
（3）模擬手動(dòng)操作 當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生異常，投入手動(dòng)操作。
（4）微機(jī)監(jiān)控功能 顯示當(dāng)前被控量的設(shè)定值、實(shí)際值，控制量的輸出。
1.2 受控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型
生物繁殖的培養(yǎng)液主要用于生物的繁殖研究，而溫度是影響生物繁殖的重要因素。本系統(tǒng)要求長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)視培養(yǎng)液的溫度，并對(duì)當(dāng)前的溫度進(jìn)行控制。本控制對(duì)象為生物繁殖用培養(yǎng)液，采用繼電器進(jìn)行控制。
2 系統(tǒng)的硬件配置
2.1 單片機(jī)和系統(tǒng)總線
單片機(jī)：PIC16F877A（PIC16F877A為美國(guó)MICORCHIP公司生產(chǎn)的帶A/D轉(zhuǎn)換的8位單片機(jī)）。
顯示系統(tǒng)：商用計(jì)算機(jī)。
用戶內(nèi)存：256M RAM。
系統(tǒng)總線：RS-232-C接口（又稱?EIA?RS-232-C）RS232 C有25條線，，分為5個(gè)功能組，包括4條數(shù)據(jù)線，11條控制線，3條定時(shí)線，7條備用線和未定義線。
操作系統(tǒng)：Windows 2000。
2.2 硬件介紹
計(jì)算機(jī)工作的外圍電路設(shè)備
（1）溫度傳感器
溫度傳感器采用補(bǔ)償型NTC熱敏電阻其主要性能如下：
①補(bǔ)償型NTC熱敏電阻 B值誤差范圍小，對(duì)于阻值誤差范圍在5％的產(chǎn)品，其一致性、互換性良好。適合于一般精度的溫度測(cè)量和計(jì)量設(shè)備。
②外型結(jié)構(gòu)和尺寸：
圖2.2.1 溫度傳感器結(jié)構(gòu)尺寸圖
③主要技術(shù)參數(shù)：
時(shí)間常數(shù)≤30S
測(cè)量功率≤0.1mW
使用溫度范圍-55～+125℃
耗散系數(shù)≥6mW/℃
額定功率0.5W
④降功耗曲線：
圖2.2.2溫度傳感器功耗曲線圖
（2）核心處理單元MicroChip PIC16F877A單片機(jī)
MicroChip PCI16F877A單片機(jī)主要性能：
具有高性能RISC CPU
僅有35條單字指令。
除程序指令為兩個(gè)周期外，其余的均為單周期指令。
運(yùn)行速度：DC-20M時(shí)鐘輸入。
DC-200ns指令周期。
8K*14個(gè)FLASH程序存儲(chǔ)器。
368*8個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）字節(jié)。
引腳輸出和PIC16C73B/74B/76/77兼容。
中斷能力（達(dá)到14個(gè)中斷源）。
8級(jí)深度的硬件堆棧。
直接，間接和相對(duì)尋址方式。
上電復(fù)位（POR）。
上電定時(shí)器(PWRT)和震動(dòng)啟動(dòng)定時(shí)器。
監(jiān)視定時(shí)器（WDT），它帶有片內(nèi)可靠運(yùn)行的RC振蕩器。
可編程的代碼保護(hù)。
低功耗睡眠方式。
可選擇的振蕩器。
低功耗，高速CMOS FLASH/EEPROM工藝。
全靜態(tài)設(shè)計(jì)。
在線串行編程(ICSP)。
單獨(dú)5v的內(nèi)部電路串行編程(ICSP)能力。
處理機(jī)讀/寫(xiě)訪問(wèn)程序存儲(chǔ)器。
運(yùn)行電壓范圍2.0v到5v。
高輸入/輸出電流25mA。
商用，工業(yè)用溫度范圍。
低功耗：
在5v,4MHz時(shí)典型值小于2mA。
在3v,32KHz時(shí)典型值小于20uA。
典型的靜態(tài)電流值小于1uA。
外圍特征：
Timer 0 ：帶有預(yù)分頻的8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。
Timer 1 ：帶有預(yù)分頻的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，在使用外部晶體時(shí)鐘時(shí)在
SLEEP期間仍能工作。
Timer 2 ：帶有8位周期寄存器，預(yù)分頻和后分頻器的8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器
2個(gè)捕捉器，比較器和PWM模塊。
其中 ：捕捉器是16位的，最大分辨率為12.5nS。
比較器是16位的，最大分辨率為200nS。
PWM最大分辨率為是10位。
10位多通道模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。
帶有SPI（主模式）和I2C（主/從）模式的SSP。
帶有9位地址探測(cè)的通用同步異步接收/發(fā)送（USART/RCI）。
帶有RD,WR和CS控制（只40/44引腳）8位字寬的并行從端口。
帶有降壓的復(fù)位檢測(cè)電路。
（3）RS-232-C接口電路
計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)或計(jì)算機(jī)與終端之間的數(shù)據(jù)傳送可以采用串行通訊和并行通訊二種方式。由于串行通訊方式具有使用線路少、成本低，特別是在遠(yuǎn)程傳輸時(shí)，避免了多條線路特性的不一致而被廣泛采用。?在串行通訊時(shí)，要求通訊雙方都采用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口，使不同?的設(shè)備可以方便地連接起來(lái)進(jìn)行通訊。?RS-232-C接口（又稱?EIA?RS-232-C）是目前最常用的一種串行通訊接口。它是在1970年由美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）聯(lián)合貝爾系統(tǒng)、?調(diào)制解調(diào)器廠家及計(jì)算機(jī)終端生產(chǎn)廠家共同制定的用于串行通訊的標(biāo)?準(zhǔn)。它的全名是“數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）和數(shù)據(jù)通訊設(shè)備（DCE）之間?串行二進(jìn)制數(shù)據(jù)交換接口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用一個(gè)25個(gè)腳的?DB25連接器，對(duì)連接器的每個(gè)引腳的信號(hào)內(nèi)容加以規(guī)定，還對(duì)各種信?號(hào)的電平加以規(guī)定。
①接口的信號(hào)內(nèi)容?實(shí)際上RS-232-C的25條引線中有許多是很少使用的，在計(jì)算機(jī)通訊中一般只使用3-9條引線。RS-232-C最常用的9條引線的信號(hào)。
②接口的電氣特性?在RS-232-C中任何一條信號(hào)線的電壓均為負(fù)邏輯關(guān)系。即：邏輯。“1”，-5~-15V；邏輯“0”?+5~?+15V?。噪聲容限為2V。即?要求接收器能識(shí)別低至+3V的信號(hào)作為邏輯“0”，高到-3V的信號(hào)?作為邏輯“1” 。
③?接口的物理結(jié)構(gòu)?RS-232-C接口連接器一般使用型號(hào)為DB-25的25芯插頭座,通常插頭在DCE端,插座在DTE端.?一些設(shè)備與PC機(jī)連接的RS-232-C接口,因?yàn)椴皇褂脤?duì)方的傳送控制信號(hào),只需三條接口線,即“發(fā)送數(shù)據(jù)”、“接收數(shù)據(jù)”和“信號(hào)地”。所以采用DB-9的9芯插頭座，傳輸線采用屏蔽雙絞線。
④傳輸電纜長(zhǎng)度?由RS-232C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在碼元畸變小于4%的情況下，傳輸電纜長(zhǎng)度應(yīng)為50英尺，其實(shí)這個(gè)4%的碼元畸變是很保守的，在實(shí)際應(yīng)用中，約有99%的用戶是按碼元畸變10~20%的范圍工作的，所以實(shí)際使用中最大距離會(huì)遠(yuǎn)超過(guò)50英尺。
圖2.3.1 Max232結(jié)構(gòu)圖
（4）繼電器
繼電器是具有隔離功能的自動(dòng)開(kāi)關(guān)，廣泛用于遙控，遙測(cè)，通信，自動(dòng)控制，機(jī)電一體化及電力電子設(shè)備中，是最重要的控制元件之一。
繼電器是在自動(dòng)控制電路中起控制與隔離作用的執(zhí)行部件，它實(shí)際上是一種可以用低電壓、小電流來(lái)控制大電流、高電壓的自動(dòng)開(kāi)關(guān)。在本系統(tǒng)中，繼電器控制的自動(dòng)溫度調(diào)節(jié)電路和PCI16F877A單片機(jī)中程序構(gòu)成溫度自動(dòng)監(jiān)測(cè)電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)生物培養(yǎng)液溫度的監(jiān)測(cè)和自動(dòng)控制
（5）半導(dǎo)體降溫片及電阻加熱絲
①半導(dǎo)體制冷器是根據(jù)熱電效應(yīng)技術(shù)的特點(diǎn)，采用特殊半導(dǎo)體材料熱電堆來(lái)制冷，能夠?qū)㈦娔苤苯愚D(zhuǎn)換為熱能，效率較高。其工作原理如圖2.5.1：
圖2.5.1半導(dǎo)體降溫片工作原理圖
半導(dǎo)體制冷片由許多N型和P型半導(dǎo)體之顆?；ハ嗯帕卸桑鳱 P之間以一般的導(dǎo)體相連接而成一完整線路，通常是銅、鋁或其他金屬導(dǎo)體，最後由兩片陶瓷片像夾心餅乾一樣夾起來(lái)，陶瓷片必須絕緣且導(dǎo)熱良好，通上電源之後，冷端的熱量被移到熱端，導(dǎo)致冷端溫度降低，熱端溫度升高。它的外觀如圖2.5.2所示。
正視圖
側(cè)視圖
2）本控制系統(tǒng)是對(duì)生物培養(yǎng)液進(jìn)行溫度監(jiān)控，故太快的溫度變化對(duì)生物繁殖顯
圖2.5.2半導(dǎo)體降溫片外觀圖
②本控制系統(tǒng)是對(duì)生物培養(yǎng)液進(jìn)行溫度監(jiān)控，過(guò)快的溫度變化對(duì)生物繁殖顯然是不利的，因此在本系統(tǒng)中采用的是高阻抗小功率加熱電阻絲進(jìn)行溫度的小范圍調(diào)節(jié)。
3 溫度控制系統(tǒng)的組成框圖
采用典型的反饋式溫度控制系統(tǒng)，組成部分見(jiàn)圖3.1。其中數(shù)字控制器的功能由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。
圖3.1溫度控制系統(tǒng)的組成框圖
培養(yǎng)皿的傳遞函數(shù)為，其中τ1為電阻加熱的時(shí)間常數(shù)，為電阻加熱的純滯后時(shí)間，為采樣周期。
A/D轉(zhuǎn)換器可劃歸為零階保持器內(nèi)，所以廣義對(duì)象的傳遞函數(shù)為
（3-1-1）
廣義對(duì)象的Z傳遞函數(shù)為
（3-1-2）
所以系統(tǒng)的閉環(huán)Z傳遞函數(shù)為
(3-1-3)
系統(tǒng)的數(shù)字控制器為
= （3-1-4）
寫(xiě)成差分方程即為
（3-1-5）
令
,
,
得 （3-1-6）
式中 ——第次采樣時(shí)的偏差；
——第次采樣時(shí)的偏差；
——第次采樣時(shí)的偏差；
4 溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖及總述
PIC16f877A單片機(jī)
加熱控制電路
高阻抗加熱絲
降溫控制電路
半導(dǎo)體降溫片
溫度傳感器
培養(yǎng)皿
TTL電平到EIA電平轉(zhuǎn)換電路
商用計(jì)算機(jī)顯示終端
圖4.1溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
圖4.1中溫度傳感器和Micro Chip PIC16F877A單片機(jī)中的A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成輸入通道，用于采集培養(yǎng)皿內(nèi)的溫度信號(hào)。溫度傳感器輸出電壓經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量與培養(yǎng)皿內(nèi)的溫度給定值數(shù)字化后進(jìn)行比較，即可得到實(shí)際溫度和給定溫度的偏差。培養(yǎng)皿內(nèi)的溫度設(shè)定值由Micro Chip PIC16F877A單片機(jī)中程序設(shè)定。由Micro Chip PIC16F877A單片機(jī)構(gòu)成的數(shù)字控制器進(jìn)行比較運(yùn)算，經(jīng)過(guò)比較后輸出控制量控制由加熱和降溫電路構(gòu)成的溫度調(diào)節(jié)電路對(duì)培養(yǎng)皿中的培養(yǎng)液溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。同時(shí)通過(guò)電平轉(zhuǎn)換電路把當(dāng)前溫度傳輸?shù)缴逃糜?jì)算機(jī)的串口中，由計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)的顯示培養(yǎng)皿中的溫度，正常情況下溫度控制由Micro Chip PIC16F877A單片機(jī)自動(dòng)控制。必要時(shí)，計(jì)算機(jī)也可以通過(guò)軟件來(lái)強(qiáng)制改變培養(yǎng)皿中溫度。
5 溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
5.1 Microchip PIC16F877A單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖如圖5.1.1所示。
檢測(cè)與變送
A/D轉(zhuǎn)換
工程量變換
溫度非線性轉(zhuǎn)換
發(fā)送數(shù)據(jù)到串口
比較判斷算法
溫度預(yù)設(shè)值
溫度調(diào)節(jié) 電路
執(zhí)行器
從串口接受數(shù)據(jù)
命令識(shí)別控制程序
圖5.1.1單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖
5.2 單片機(jī)控制流程圖
開(kāi)始
初始化PIC16F877A單片機(jī)端口地址
讀入預(yù)設(shè)溫度值
啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換
A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果送入NX單元
NX-FF>0
F0-NX>0
降溫
加熱
工程量變換
溫度非線性溫度轉(zhuǎn)換
發(fā)送數(shù)據(jù)到串口
命令識(shí)別程序
從串口接受數(shù)據(jù)
Y
Y
Y
N
N
N
圖5.2.1單片機(jī)控制流程圖
5.3 溫度變換程序模塊
溫度傳感器在12℃到60℃輸出2.52V—1.02V，溫度起點(diǎn)為12℃，滿量程為48℃。Micro Chip PIC16F877A單片機(jī)內(nèi)嵌的10位A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)應(yīng)輸出的數(shù)字量為0000000000B~1111111111B（0~5V），應(yīng)用以下變換公式進(jìn)行變換：
AX=A0+(AM-A0)(NX-N0)/(NM-N0)
式中，A0為一次測(cè)量?jī)x表的下限。
AM為一次測(cè)量?jī)x表的上限。
AX實(shí)際測(cè)量值。
N0儀表下限對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。
NM儀表上限對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。
NX測(cè)量值對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。
5.4 溫度非線性轉(zhuǎn)換程序模塊
采用折線擬合法進(jìn)行線性化處理
如圖5.4.1所示，分為以下幾段：
當(dāng)1.73V≤Ax<2.52V時(shí)，T℃=0.06*WN+12
當(dāng)1.40V≤WN<1.73V時(shí)，T℃=0.03*WN+25
當(dāng)1.24V≤WN<1.40V時(shí)，T℃=0.016*WN+40
當(dāng)1.06V≤WN<1.24V時(shí)，T℃=0.018WN+50
表5.4.1 溫度曲線實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)
溫度(℃)
12
13
14
15
16
17
18
電壓（V）
2.52
2.48
2.47
2.44
2.40
2.39
2.37
溫度(℃)
19
20
21
22
23
24
25
電壓（V）
2.32
2.28
2.22
2.15
2.09
1.83
1.73
溫度(℃)
26
27
28
29
30
31
32
電壓（V）
1.70
1.66
1.64
1.61
1.58
1.56
1.54
溫度(℃)
33
34
35
36
37
38
39
電壓（V）
1.53
1.50
1.48
1.46
1.45
1.43
1.41
溫度(℃)
40
41
42
43
44
45
46
電壓（V）
1.40
1.38
1.37
1.35
1.32
1.30
1.29
溫度(℃)
47
48
49
50
51
52
53
電壓（V）
1.27
1.26
1.25
1.24
1.22
1.20
1.19
溫度(℃)
54
55
56
57
58
59
60
電壓（V）
1.17
1.16
1.12
1.11
1.09
1.07
1.06
圖5-1
圖5.4.1 溫度分段線限等效圖
6 通信協(xié)議的設(shè)計(jì)
由于溫度采集和實(shí)施控制是通過(guò)單片機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，而微機(jī)完成溫度監(jiān)控，所以需要采用單片機(jī)和微機(jī)之間的通信協(xié)議。本設(shè)計(jì)應(yīng)用條件為傳輸距離不超過(guò)15米的短距離數(shù)據(jù)傳輸，且傳輸數(shù)據(jù)量較小，所以采用在控制領(lǐng)域里應(yīng)用較廣泛RS232C串行通信方式。
針對(duì)近程小批量的數(shù)據(jù)通信，設(shè)計(jì)時(shí)采用3 線制（RXD ，TXD ，GND）軟握手的零MODEM方式。即：將PC機(jī)和單片機(jī)的“發(fā)送數(shù)據(jù)線（TXD）”與“接收數(shù)據(jù)（RXD）”交叉連接，二者的地線（GND）直接相連而其它信號(hào)線如握手信號(hào)線均不用，而采用軟件握手。這樣即可以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的任務(wù)，又可以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)節(jié)約了成本。
由于RS232C是早期為促進(jìn)公用電話網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信而制定的標(biāo)準(zhǔn)，其邏輯電平與TTL， MOS 邏輯電平不同。邏輯0 電平規(guī)定為+5~+15V之間，邏輯1是電平為-5 ~-15V 之間。因此在將PC機(jī)和單片機(jī)的RXD和TXD交叉連接時(shí)，必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。
下圖即為通信時(shí)的硬件連接圖，其中器件MAX232完成邏輯電平轉(zhuǎn)換的任務(wù)。
圖6.1 電平轉(zhuǎn)換電路圖
注：在PC機(jī)中9針RS232接口中：2線：RXD， 3線：TXD， 5線：GND
而在25針的RS232接口中：3線：RXD， 2線：TXD， 7線：GND
6.1 軟件設(shè)計(jì)
在進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的軟件設(shè)計(jì)時(shí)，必須解決好兩個(gè)方面的問(wèn)題：一是可靠性，二是速度。而這兩方面的問(wèn)題，可靠性是第一位的,速度只能是在可靠的基礎(chǔ)上的速度?？煽靠焖俎D(zhuǎn)輸?shù)膶?shí)現(xiàn)，需要PC-單片機(jī)軟件以及通信協(xié)議等各個(gè)環(huán)節(jié)的可靠和其間的相互配合。
6.1.1 通信協(xié)議概述
在設(shè)計(jì)PC-單片機(jī)通信協(xié)議時(shí)，需說(shuō)明一點(diǎn)：在本系統(tǒng)的實(shí)際通信中，PC機(jī)是主控者單片機(jī)只是被動(dòng)接收者。采用這種通信協(xié)議較雙方互為主控者時(shí)簡(jiǎn)單。
本通信協(xié)議的設(shè)計(jì)思想是基于幀傳輸方式。即在向RS232串口發(fā)送命令信號(hào)，應(yīng)答信號(hào)及數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)，是一幀一幀地發(fā)送的。為了使數(shù)據(jù)快速可靠地傳輸，將每一幀數(shù)據(jù)唯一對(duì)應(yīng)一命令幀。此時(shí)傳輸數(shù)據(jù)即執(zhí)行命令具體如下：
(1) 在PC讀數(shù)據(jù)時(shí)，遵循“讀命令-等數(shù)據(jù)-報(bào)告”，即PC下達(dá)一命令，等待接收數(shù)據(jù)，根據(jù)所接收數(shù)據(jù)的正誤向應(yīng)用程序報(bào)告此命令的執(zhí)行情況。
(2) 在PC寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)，遵循“寫(xiě)命令-等回應(yīng)-報(bào)告”，即PC下達(dá)一寫(xiě)命令（此時(shí)所要寫(xiě)的數(shù)據(jù)含于此命令中），等待單片機(jī)發(fā)來(lái)的“已正確接收”的回應(yīng)信號(hào)，并向應(yīng)用程序報(bào)告此命令執(zhí)行完畢。
(3) 如果在轉(zhuǎn)輸過(guò)程中，其間PC或MCU所接收任何一幀信號(hào)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，均會(huì)向?qū)Ψ桨l(fā)送重發(fā)此幀信號(hào)的請(qǐng)求。如果連續(xù)三次轉(zhuǎn)輸失敗，則退出通信并向應(yīng)用程序報(bào)告。
6.2 通信協(xié)議說(shuō)明
6.2.1信號(hào)幀分類
(1) 讀命令幀：當(dāng)PC讀數(shù)據(jù)時(shí)，PC向PIC16F877A發(fā)送的命令信號(hào)。
(2) 寫(xiě)命令幀：當(dāng)PC寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)，PC向PIC16F877A發(fā)送的命令信號(hào)(內(nèi)含所要寫(xiě)的數(shù)據(jù))。
(3) 數(shù)據(jù)幀：當(dāng)PC讀數(shù)據(jù)時(shí)，PIC16F877A向PC發(fā)送的內(nèi)含數(shù)據(jù)信息的信號(hào)。
(4) 正回應(yīng)幀：當(dāng)PC寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)，PIC16F877A向PC報(bào)告數(shù)據(jù)已正確接收的信號(hào)。
(5) 重發(fā)命令幀：當(dāng)PC讀/寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)，PIC16F877A所接收的信號(hào)幀(讀/寫(xiě)命令幀)有誤時(shí)向PC發(fā)出的請(qǐng)求重發(fā)信號(hào)。
(6) 放棄命令幀：當(dāng)PC讀/寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)出現(xiàn)了使程序無(wú)法正常執(zhí)行時(shí)PC或PIC16F877A向?qū)Ψ桨l(fā)出的退出通信的通知信號(hào)。
6.2.2信號(hào)幀格式
(1) 讀命令幀格式
幀頭標(biāo)志
幀類型
器件地址
起始地址
長(zhǎng)度
校驗(yàn)和
幀尾標(biāo)志
幀頭標(biāo)志(1 Bit): 表示此數(shù)據(jù)包屬于本串口通信協(xié)議,并為是否接收此包數(shù)據(jù)的標(biāo)志。
幀類型(1 Bit): 所用信號(hào)幀的識(shí)別標(biāo)志,即1.2.1 信號(hào)幀分類中的各類型信號(hào)的標(biāo)志字節(jié)。
器件地址(1Byte): PC所要訪問(wèn)的外部器件的地址即是哪一個(gè)外部器件。
起始地址(2Byte): PC所要訪問(wèn)的器件的存貯器起始地址。
長(zhǎng)度(1Byte): 一次命令所轉(zhuǎn)輸?shù)臄?shù)據(jù)長(zhǎng)度。
校驗(yàn)和(1Byte): 此幀信號(hào)的校驗(yàn)字節(jié),為異或校驗(yàn)。
幀尾標(biāo)志(1Byte): 此幀信號(hào)的結(jié)束標(biāo)志。
(2) 寫(xiě)命令幀
幀頭標(biāo)志
幀類型
器件地址
起始地址
長(zhǎng)度
數(shù)據(jù)區(qū)
校驗(yàn)和
幀尾標(biāo)志
數(shù)據(jù)區(qū):所要寫(xiě)的數(shù)據(jù)信息。其它分析同上。
(3) 數(shù)據(jù)幀
幀頭標(biāo)志
幀類型
長(zhǎng)度
數(shù)據(jù)區(qū)
校驗(yàn)字
幀尾標(biāo)志
長(zhǎng)度:所轉(zhuǎn)輸數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度。
數(shù)據(jù)區(qū):所轉(zhuǎn)輸?shù)臄?shù)據(jù)信息。其它分析同上。
(4) 正響應(yīng)幀
幀頭標(biāo)志
幀類型
空
校驗(yàn)字
幀尾標(biāo)志
空無(wú)意義:為了PIC16F877A編程的方便而加入。其它分析同上。
(5) 重發(fā)幀
幀頭標(biāo)志
幀類型
空
校驗(yàn)字
幀尾標(biāo)志
其它分析同上。
(6) 放棄幀
幀頭標(biāo)志
幀類型
錯(cuò)誤碼
校驗(yàn)字
幀尾標(biāo)志
錯(cuò)誤碼:
00H 執(zhí)行PC命令發(fā)放棄幀回應(yīng)被動(dòng)退出通訊。
01H PIC16F877A 單片機(jī)方寫(xiě)入芯片發(fā)生錯(cuò)誤主動(dòng)通知PC退出通訊。
6.2.3 通信協(xié)議處理流程
(1) 數(shù)據(jù)分幀與數(shù)據(jù)重組
圖6.2.1串口數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程
圖6.2.2串口數(shù)據(jù)接受過(guò)程
將應(yīng)用程序發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)作為一個(gè)數(shù)據(jù)流放在發(fā)送緩沖區(qū)中，通過(guò)通信協(xié)議進(jìn)行分幀──切割──發(fā)送。在接收端，分幀的數(shù)據(jù)去掉幀頭重新組合到接收緩沖區(qū)中，交給應(yīng)用程序處理，發(fā)送過(guò)程的示意如圖6.2.1，接收過(guò)程的示意圖如圖6.2.2。
單片機(jī)串口通信軟件設(shè)計(jì)流程圖
串口接受到一幀數(shù)據(jù)
此幀是否正確
連續(xù)3次不正確
退出通信并報(bào)告
讀命令信號(hào)
退出等待下一幀
重發(fā)命令幀
寫(xiě)命令信號(hào)
分析此命令
開(kāi)始執(zhí)行
分析此命令取
出數(shù)據(jù)信息
發(fā)數(shù)據(jù)幀
發(fā)正回應(yīng)數(shù)據(jù)幀
退出通信并報(bào)告
退出等待下幀命令
N
Y
Y
N
Y
Y
N
N
圖6.2.3單片機(jī)串口通信軟件流程圖
應(yīng)用程序通知通信開(kāi)始
讀還是寫(xiě)
發(fā)送讀命令
發(fā)送寫(xiě)命令
串口收到命令
此幀是否正確？
連續(xù)三次否
退出通信
是幀數(shù)據(jù)嗎？
重發(fā)命令幀
等待下幀信號(hào)
處理數(shù)據(jù)
是正回應(yīng)幀嗎
命令執(zhí)行完畢
是重發(fā)幀嗎
退出通信并報(bào)告
重發(fā)命令幀
等待下幀信號(hào)
讀
寫(xiě)
N
PC接收數(shù)據(jù)軟件設(shè)計(jì)流程
N N
Y Y
Y
Y
Y
Y
N
圖6.2.4 PC串口通信軟件設(shè)計(jì)流程圖
6.3 PC 上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)
6.3.1 PC軟件設(shè)計(jì)方法的選擇
在開(kāi)發(fā)PC上位機(jī)的通信程序中,人們常用的編程語(yǔ)言可分為3類:(1) 直接面向底層硬件的匯編語(yǔ)言。(2) DOS環(huán)境下的高級(jí)編程語(yǔ)言,如: C語(yǔ)言等。(3) Windows環(huán)境下的高級(jí)編程語(yǔ)言，如：VC++等。而在這3種方式中Windows環(huán)境下的串口編程以其設(shè)備無(wú)關(guān)性，可移植性以及界面友好等特征而得到廣泛應(yīng)用。同時(shí)在Windows操作系統(tǒng)已經(jīng)占據(jù)統(tǒng)治地位的情況下，欲開(kāi)發(fā)良好的通信程序，利用Windows環(huán)境下的高級(jí)語(yǔ)言已漸成為必然的選擇。
開(kāi)發(fā)Windows環(huán)境下的串口通信程序主要有以下2種方法：
(1) 利用Windows API（Application Program Interface）用戶程序接口函數(shù)；
(2) 利用ActiveX控件；
后者的主要特點(diǎn)是簡(jiǎn)單易學(xué)，但前者的功能更為強(qiáng)大控制手段更為靈活。
6.3.2 PC軟件通信方式的選擇
在Win32環(huán)境下串行通信有兩種：主要方式即同步方式，異步方式兩種方式有各自的特點(diǎn)。在軟件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的方式。
（1）同步方式
在同步方式中,讀串口的函數(shù)試圖在串口的接收緩沖區(qū)中讀取規(guī)定數(shù)目的數(shù)據(jù),直到規(guī)定數(shù)目的數(shù)據(jù)全部被讀出或設(shè)定的超時(shí)時(shí)間已到時(shí)才返回。例如：（以C++ Builder編程語(yǔ)言為例下同）
……………………
……………………
COMMTIMEOUTS cto;
int timeConstant, timeMutiplier;
cto.ReadTotalTimeoutConstant = timeConstant; //設(shè)置總超時(shí)常數(shù)
cto.ReadTotalTimeoutMultiplier = timeMutiplier; //設(shè)置總超時(shí)系數(shù)
SetCommTimeouts(m_hFile,&cto); //超時(shí)設(shè)置
…………………………
…………………………
ReadFile (hComport,inBuffer,nWantRead,&nRealRead,NULL);//讀串口
…………………………
…………………………
COMMTIMEOUTS結(jié)構(gòu)用于設(shè)置超時(shí),指定讀寫(xiě)函數(shù)的等待時(shí)間
在ReadFile 函數(shù)中hComport 為待讀串口句柄;inBuffer 為輸入緩沖區(qū)大小;nWantRead 為每次調(diào)用ReadFile 時(shí),函數(shù)試圖讀出的字節(jié)數(shù);nRealRead 為實(shí)際讀出的字節(jié)數(shù);最后一個(gè)參數(shù)值NULL 代表ReadFile將采用同步文件讀寫(xiě)方式。
（2）異步方式
異步方式中,利用Win32 的多線程結(jié)構(gòu),可以讓串口的讀寫(xiě)操作在后臺(tái)進(jìn)行,而應(yīng)用程序的其它部分在前臺(tái)執(zhí)行例如:
……………………
……………………
……………………
CreateFile(lpszPort, //打開(kāi)串口
GENERIC_READ|GENERIC_WRITE,
0,
0,
……………………
……………………
OPEN_EXISTING,
FILE_FLAG_OVERLAPPED, //允許異步操作
0);
OVERLAPPED lpOverlapped;
COMMTIMEOUTS cto;
int timeConstant, timeMutiplier;
cto.ReadTotalTimeoutConstant = timeConstant; //設(shè)置總超時(shí)常數(shù)
cto.ReadTotalTimeoutMultiplier = timeMutiplier; //設(shè)置總超時(shí)系數(shù)
SetCommTimeouts(m_hFile,&cto); //超時(shí)設(shè)置
lpOverlapped.hEvent=CreateEvent (NULL.TRUE,FALSE,NULL);
……………………
……………………
……………………
ReadFile (hComport,inBuffer,nWantRead,&nRealRead,&lp Overlapped); //讀串口
……………………
lpOverlapped 是1個(gè)OVERLAPPED 結(jié)構(gòu)變量,OVERLAPPED 結(jié)構(gòu)用于指出讀寫(xiě)操作與其它操作的重疊為了實(shí)現(xiàn)線程間同步與通信,上面的代碼中用CreateEvent 函數(shù)產(chǎn)生1 個(gè)人工復(fù)位事件,并將其句柄賦予lpOverlapped的hEvent成員這樣,在異步讀寫(xiě)完成時(shí),Windows95發(fā)送該事件信號(hào)。
（3）兩種方式的比較
異步方式利用多線程結(jié)構(gòu)來(lái)監(jiān)視通信設(shè)備，其最大優(yōu)點(diǎn)是程序?qū)邮諗?shù)據(jù)具有自主覺(jué)察能力。一旦通信線程查詢到數(shù)據(jù)已發(fā)送到串口上，線程自動(dòng)向應(yīng)用程序發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)接收到的消息，應(yīng)用程序可用該消息來(lái)讀取通信設(shè)備傳來(lái)的數(shù)據(jù)。并且使用通信線程還不占用CPU時(shí)間，這樣系統(tǒng)實(shí)際上具有了同時(shí)控制多個(gè)通信設(shè)備（如MODEM）的能力。因此在對(duì)系統(tǒng)強(qiáng)壯性要求較高的場(chǎng)合下應(yīng)采用異步方式。
異步方式的優(yōu)點(diǎn)也恰是同步方式的缺點(diǎn)。使用同步方式時(shí)容易發(fā)生線程阻塞，從而使系統(tǒng)性能下降。但在某些場(chǎng)合下，該缺點(diǎn)可以通過(guò)一些措施盡可能地減小，而其簡(jiǎn)單易用的優(yōu)點(diǎn)卻是很好地體現(xiàn)出來(lái)。如果不考慮Win95的進(jìn)程和線程的問(wèn)題，僅在串口有數(shù)據(jù)時(shí)，去讀串口緩沖區(qū)就可以了。此時(shí)確定串口讀取的時(shí)機(jī)，握手協(xié)議及軟件糾錯(cuò)的實(shí)現(xiàn)是程序員應(yīng)考慮的主要問(wèn)題，也是減小線程阻塞所帶來(lái)的負(fù)面影響的主要措施。
可以采用同步轉(zhuǎn)輸方式的場(chǎng)合有如下一些特點(diǎn)：
① 何時(shí)轉(zhuǎn)輸數(shù)據(jù)由PC機(jī)來(lái)決定，下位機(jī)只是被動(dòng)接收并執(zhí)行命令。
② 有限時(shí)間內(nèi)，PC機(jī)命令可以執(zhí)行完畢并返回結(jié)果。而不會(huì)使PC機(jī)處于長(zhǎng)時(shí)間等待。
③ 每次所轉(zhuǎn)輸?shù)臄?shù)據(jù)的長(zhǎng)度是已知的，所轉(zhuǎn)輸?shù)臄?shù)據(jù)量是有限且比較小。
我們?cè)陂_(kāi)發(fā)串行通信程序時(shí)，分別應(yīng)用這兩種方式開(kāi)發(fā)都獲得了成功。鑒于應(yīng)用異步方式的安全性和普遍性
6.3.3具體實(shí)現(xiàn)方法
下面以C++ Builder為例，敘述PC機(jī)通信軟件的實(shí)現(xiàn)過(guò)程：
(1)打開(kāi)串口
在Win32中，串口和其他通信設(shè)備是作為文件處理的。串口的打開(kāi)并閉讀取以及寫(xiě)入所用的函數(shù)與操作文件的函數(shù)相同。
通信會(huì)話由調(diào)用CreateFile 函數(shù)打開(kāi)串口開(kāi)始，CreateFile 以讀訪問(wèn)權(quán)限，寫(xiě)訪問(wèn)權(quán)限或讀寫(xiě)訪問(wèn)權(quán)限“打開(kāi)串口”并設(shè)定了對(duì)其是異步操作方式。還是同步操作方式調(diào)用該函數(shù)打開(kāi)串口進(jìn)行讀寫(xiě)操作的例子如下：
mHandle = CreateFile(lpszPort, //串口名
GENERIC_READ|GENERIC_WRITE, //允許讀/寫(xiě)
0, //獨(dú)占方式串口不能共享
NULL, //安全性屬性一般設(shè)為0
OPEN_EXISTING, //串口是已存在的不能建新端口
lpOverlapped, //異步方式
0 //串口無(wú)模板文件應(yīng)設(shè)為0
);
如果調(diào)用成功函數(shù)返回串口的句柄賦給Handle，如果調(diào)用失敗則函數(shù)返回INVALID_HANDLE_VALUE。
(2)初始化串口
對(duì)串口的初始化工作包括對(duì)波特率，數(shù)據(jù)位，停止位，奇偶校驗(yàn)位I/O 緩沖大小以及超時(shí)等參數(shù)的設(shè)置。在調(diào)用API 函數(shù)進(jìn)行串口初始化時(shí)，波特率，數(shù)據(jù)位，奇偶校驗(yàn)停止位的信息包含于一個(gè)DCB結(jié)構(gòu)中，而超時(shí)方面的信息則包含于COMMTIMEOUTS結(jié)構(gòu)中，
一般在用CreateFile 打開(kāi)串行口后，可以調(diào)用GetCommState 函數(shù)來(lái)獲取串行口的初始配置。要修改串行口的配置應(yīng)該先修改DCB結(jié)構(gòu)，然后再調(diào)用SetCommState函數(shù)用指定的DCB結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)置串行口。例如：
DCB dcb;
GetCommState(mHandle, &dcb) //讀取DCB結(jié)構(gòu)
……………………
……………………
dcb.BaudRate=9600 // 設(shè)置波特率為9600b/s
dcb.ByteSize=8; // 每個(gè)字符有8位
dcb.Parity=NOPARITY; // 無(wú)校驗(yàn)
dcb.StopBits=ONESTOPBIT; // 一個(gè)停止位
SetCommState(hCom, &dcb) // 保存至DCB結(jié)構(gòu)使設(shè)置值生效
調(diào)用SetupComm 函數(shù)可以設(shè)置串行口的輸入和輸出緩沖區(qū)的大小。如果通信的速率較高則應(yīng)該設(shè)置較大的緩沖區(qū)。例如：
…………………………
…………………………
SetupComm( mHandle , 1024*2, 1024*2 ) //輸入輸出緩沖區(qū)的大小均為2K
…………………………
…………………………
在用ReadFile 和WriteFile 讀寫(xiě)串行口時(shí)，需要考慮超時(shí)問(wèn)題。如果在指定的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有讀出或?qū)懭胫付〝?shù)量的字符，那么ReadFile 或WriteFile 的操作就會(huì)結(jié)束。要查詢當(dāng)前的超時(shí)設(shè)置應(yīng)調(diào)用GetCommTimeouts 函數(shù)。該函數(shù)會(huì)填充一個(gè)COMMTIMEOUTS 結(jié)構(gòu)調(diào)用SetCommTimeouts 可以用某一個(gè)COMMTIMEOUTS結(jié)構(gòu)的內(nèi)容來(lái)設(shè)置超時(shí)。
…………………………
…………………………
TimeOuts. ReadIntervalTimeout=0 //讀間隔超時(shí)
TimeOuts.ReadTotalTimeoutMultiplier=10 //讀時(shí)間系數(shù)
TimeOuts.ReadTotalTimeoutConstant=100 //讀時(shí)間常量
TimeOuts.WriteTotalTimeoutMultiplier=10 //寫(xiě)時(shí)間系數(shù)
TimeOuts.WriteTotalTimeoutConstant=100 //寫(xiě)時(shí)間常數(shù)
SetCommTimeouts(hCom, &TimeOuts); // 保存設(shè)置值生效
………………………………
………………………………
………………………………
COMMTIMEOUTS結(jié)構(gòu)的成員都以毫秒為單位?？偝瑫r(shí)的計(jì)算公式是：
總超時(shí)=時(shí)間系數(shù)×要求讀/寫(xiě)的字符數(shù)+ 時(shí)間常數(shù)
異步方式讀寫(xiě)串行口時(shí)雖然ReadFile()和WriteFile() 在完成操作以前就可能返回但超時(shí)仍然是起作用的。這種情況下，超時(shí)規(guī)定的是操作的完成時(shí)間而不是ReadFile()和WriteFile()的返回時(shí)間。
(3)讀寫(xiě)串口
初始化工作完成以后便可以根據(jù)通信協(xié)議合理安排讀/寫(xiě)函數(shù)ReadFile()和WriteFile()以讀寫(xiě)各種握手信息和數(shù)據(jù)信息等。其中何時(shí)讀取單片機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)信息及應(yīng)答信息是重要的。此時(shí)采取的是事件驅(qū)動(dòng)法，即：設(shè)置通信資源上的事件掩碼為EV_RXCHAR 。當(dāng)接收到一個(gè)字符并放入緩沖區(qū)后即通知應(yīng)用程序例。
//PC發(fā)送一組命令至單片機(jī)
WriteFile(mHandle, //串口句柄
pDataBuff, //存放數(shù)據(jù)緩種區(qū)
iLen, //所寫(xiě)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度
pdwWritten, //已寫(xiě)長(zhǎng)度操作前應(yīng)置為0
lpOverlapped) //異步方式
//設(shè)置通信事件掩碼
DWORD dwMask=EV_RXCHAR;
SetCommMask(m_hFile,dwMask)) //設(shè)置通信事件掩碼
//等待通信事件的發(fā)生
OVERLAPPED os ;
memset( &os, 0, sizeof( OVERLAPPED ) ) ;
os.hEvent=CreateEvent(NULL TRUE FALSE NULL)
if(!WaitCommEvent(m_hFile, &dwEvtMask, &os)) // 重疊操作
if(GetLastError()==ERROR_IO_PENDING)
{
// 無(wú)限等待重疊操作結(jié)果
GetOverlappedResult(mHandle, &os, &dwTrans, true);
//事件已發(fā)生安排讀操作
ReadFile(mHandle, //串口句柄
pDataBuff, //存放數(shù)據(jù)緩種區(qū)
iLen, //所讀數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度
pdwRead, //實(shí)際所讀長(zhǎng)度
lpOverlapped) //異步方式
}
在上例中，我們無(wú)限等待通信事件的發(fā)生。如果通信事件一直沒(méi)有發(fā)生則系統(tǒng)將不會(huì)繼續(xù)執(zhí)行。在實(shí)際程序設(shè)計(jì)中我們可以設(shè)置一時(shí)限，超過(guò)此時(shí)限通信事件未到則執(zhí)行相應(yīng)錯(cuò)誤處理此時(shí)，只需將GetOverlappedResult函數(shù)替換為WaitForSingleObject函數(shù)此函數(shù)的聲明形式如下：
WaitForSingleObject(
HANDLE hEvent, //事件句柄
unsigned long mTimeOuts //超時(shí)設(shè)置
)
(4) 關(guān)閉串口
通信完畢調(diào)用CloseHandle() 函數(shù)關(guān)閉串口例如
CloseHandle(mHandle); //關(guān)閉mHandle為打開(kāi)串口時(shí)返回的句柄
6.4 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)
我們知道影響數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)輸產(chǎn)生錯(cuò)誤的因素有：轉(zhuǎn)輸線分布參數(shù)上下位機(jī)間的波特率誤差現(xiàn)場(chǎng)干擾等。而針對(duì)近程小批量數(shù)據(jù)的通信，下位機(jī)的波特率誤差性是影響可靠通信的最主要因素。所以在單片機(jī)軟件的設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮并設(shè)置好波特率。
6.4.1波特率
（1）波特率誤差來(lái)源分析
①單片機(jī)的振蕩電路是由晶體及電容C1 和C2 構(gòu)成。晶振頻率主要由晶體的因有頻率決定，同時(shí)也與電容C1、C2及外界溫度有一定的關(guān)系。另外，晶體頻率的標(biāo)稱值與實(shí)際值也不可能完全一致。
②波特率最大允許誤差分析
在異步串行通信方式1中單片機(jī)以16倍波特率的采樣速率對(duì)接收數(shù)據(jù)（RXD）不斷采樣，一旦檢測(cè)到由1到0的負(fù)跳變，16分頻計(jì)數(shù)器立刻復(fù)位，使之滿度翻轉(zhuǎn)的時(shí)刻恰好與輸入位的邊沿對(duì)準(zhǔn)。16分頻計(jì)數(shù)器把每個(gè)接收位的時(shí)間分為16 份，在中間三位即7 ，8 ，9 ，狀態(tài)時(shí)位檢測(cè)器對(duì)RXD 端的值采樣，并以3取2的表決方式確定所接收的數(shù)據(jù)位。由此可見(jiàn)，當(dāng)波特率的誤差使得在接收某位數(shù)據(jù)位時(shí)，采樣點(diǎn)離該位的中點(diǎn)半位間隔時(shí)將會(huì)對(duì)該位采樣兩次。即：欲使接收的第N位為正確位時(shí)，須滿足下式成立：
所允許的波特率誤差N > 0.54
故當(dāng)所傳輸?shù)囊粠瑪?shù)據(jù)為10 位時(shí)，所允許的最大的波特率允許誤差為5 %對(duì)于其它常用的8位，9位，11位，一幀的串行傳輸，其最大的波特率允許誤差分別為6.25%，5.56%， 和4.5%。
③減小波特率誤差的措施
我們知道使用離散度小的晶振是減小波特率誤差的關(guān)鍵。如果，晶振的離散度已超過(guò)所允許的范圍，此時(shí)不宜用其標(biāo)稱值，可以采用測(cè)量其波特率的方法來(lái)得出實(shí)際的晶振波特率值。
（2）單片機(jī)軟件的實(shí)現(xiàn)
①設(shè)置通信方式和波特率的值例
……………………
……………………
……………………
MOV SCON,#50H 初始化串口設(shè)為方式1
MOV TMOD,#20H 利用定時(shí)器1為波特率發(fā)生器并設(shè)為模式2
MOV PCON,#XXH 設(shè)置SMOD值
MOV TH1,#XXH 設(shè)置定時(shí)器初始值
SETB TR1 啟動(dòng)定時(shí)器1
…………………………
…………………………
…………………………
②等待接收PC機(jī)發(fā)來(lái)的信號(hào)幀并按通信協(xié)議作出相應(yīng)響應(yīng)。
6.5 通信協(xié)議設(shè)計(jì)結(jié)論
6.5.1通信可靠性分析
通信的可靠性主要體現(xiàn)在所使用通信協(xié)議的可靠性上，本通信協(xié)議的可靠性主要有兩點(diǎn)理論基礎(chǔ)：
(1)通過(guò)判斷幀頭起始字符來(lái)決定一幀的開(kāi)始，這樣就避免了部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)入到內(nèi)部數(shù)據(jù)處理之中。這個(gè)可能性在1/256， 通過(guò)停止位的判斷可將這個(gè)可能性再降低1/256。 另外通過(guò)幀類型字節(jié)的判斷可使之進(jìn)一步降低。
(2)校驗(yàn)字將整幀信號(hào)進(jìn)行異或校驗(yàn)則使誤收的可能很小。如果將此異或校驗(yàn)改為CRC校驗(yàn)則出錯(cuò)的可能性更是微乎其微了。本通信所用協(xié)議具有糾錯(cuò)功能，這體現(xiàn)在當(dāng)PC 發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時(shí)，當(dāng)所接收的應(yīng)答信號(hào)出現(xiàn)失誤時(shí)，將重新發(fā)送或接收此幀數(shù)據(jù)，直至接收到了正確的應(yīng)答，具體在程序中最多允許連續(xù)出錯(cuò)三次，超過(guò)后則放棄通信。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)用本通信時(shí)傳輸距離只有幾米以內(nèi)而且環(huán)境干擾比較小，從而從外部因素上進(jìn)一步保證了通信的可靠性。
6.5.2通信速度分析
如果在不考慮錯(cuò)誤發(fā)生的情況下，PC 機(jī)每發(fā)送一幀數(shù)據(jù)時(shí)需要附加12 個(gè)字節(jié)，其中8 個(gè)字節(jié)用于發(fā)送4 個(gè)字節(jié)用于應(yīng)答PC 機(jī)。每接收一幀數(shù)據(jù)時(shí)，需要附加13 個(gè)字節(jié)其中5 個(gè)字節(jié)用于接收8 個(gè)字節(jié)用于應(yīng)答。如：按每幀傳送32個(gè)字節(jié)計(jì)算的話，其發(fā)送和接收的效率為為忽略PC和PIC16F877A單片機(jī)的處理時(shí)間計(jì)算。發(fā)送數(shù)據(jù)速率、接收數(shù)據(jù)速率計(jì)算公式如下：
發(fā)送數(shù)據(jù)速率：9600*32/44=6981bit/s
接收數(shù)據(jù)速率：9600*32/45=6826bit/s
這是理論上的速率，實(shí)際中還應(yīng)包含PC和PIC16F877A單片機(jī)的處理信號(hào)幀，等待信號(hào)幀的時(shí)間。在本通信協(xié)議中，不會(huì)出現(xiàn)某信號(hào)幀已到達(dá)但PC或PIC16F877A單片機(jī)還未開(kāi)始準(zhǔn)備接收的現(xiàn)象。在實(shí)際應(yīng)用中，因具體應(yīng)用環(huán)境不同PC和PIC16F877A單片機(jī)處理信號(hào)幀的時(shí)間會(huì)有不同，所以具體速率值依具體應(yīng)用而變化。
7 Protel99設(shè)計(jì)原理圖
（1）使用Protel進(jìn)行電路板設(shè)計(jì)的第一步便是設(shè)計(jì)原理圖，原理圖決定了整個(gè)電路的基本功能，也是接下來(lái)生成網(wǎng)絡(luò)表和設(shè)計(jì)印刷電路板的基礎(chǔ)。
① 在Protel 99的初始界面下新建一個(gè)設(shè)計(jì)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)用來(lái)管理項(xiàng)目。
File-New-改文件名－改保存路徑－OK
② 進(jìn)入設(shè)計(jì)庫(kù)文件中的文件夾Document。
③ 在Document 文件夾中新建原理圖文件和印制板文件。
File-New-Schematic Document-Ok-改文件名
File-New-PCB Document-Ok-改文件名
④ 打開(kāi)原理圖文件。
⑤ 添加原理圖文件庫(kù)。
Design-Add/Remove Library- 瀏覽所需零件庫(kù)－Add-Ok
⑥ 放置電路所需的各種元件，圖件，網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)等元器件。
Design-Add/Remove Library- 瀏覽所需零件庫(kù)－Add-Ok
從零件庫(kù)中調(diào)出元件 Place-part
⑦ 對(duì)原圖元件進(jìn)行布局，布線，構(gòu)成一個(gè)完整的原理圖。
Place-part
⑧ 編輯和調(diào)整。然后進(jìn)行輸出存檔。
右鍵－Properies….Designation-Part-Footrint Save
⑨ 打印或建立報(bào)表。
新建原理圖
New-SCH
連線
元件布局
建立網(wǎng)絡(luò)報(bào)表 Create Netlist
添加元件庫(kù)
Add/Remove Library
調(diào)出元件
Find-Place
Compent
設(shè)置元件屬性
打印輸出報(bào)表 Print,Rcport
存盤 Save
圖7.1.1 protel設(shè)計(jì)的流程圖
（2）用PCB系統(tǒng)設(shè)計(jì)PCB板分以下7個(gè)步驟：
① 有關(guān)參數(shù)的設(shè)置。這一步主要設(shè)定自動(dòng)布參數(shù)、自動(dòng)布線參數(shù)、板面參數(shù)等。
② PCB板尺寸設(shè)計(jì)。在禁止布線層上，沿設(shè)計(jì)的PCB邊畫(huà)邊框線，即指定自動(dòng)布局的范圍。這一步為自動(dòng)布局打基礎(chǔ)。同時(shí)，在上層板面（即元器件面）沿禁止布線層的邊框圖線放置銅線，這是PCB板最后成型所必須的。
③ 布局就是根據(jù)原理圖上元器件之間的連接關(guān)系，并考慮電磁兼容性以及元器件的安裝空間和散熱等，總是將元器件放置在PCB電路板上適當(dāng)?shù)奈恢?。布局的好壞直接影響PCB板的電氣性能和布局的功能，是PCB板設(shè)計(jì)過(guò)程中最費(fèi)時(shí)、最繁瑣的。布局工作需要耐心、細(xì)致。盡管系統(tǒng)提供了自動(dòng)布局的功能，但是一般而言都需要手工調(diào)整。
手工布局，首先載入SCH生成的網(wǎng)絡(luò)表，通過(guò)手工移動(dòng)元器件PCB板上的排列位置實(shí)現(xiàn)布局。移動(dòng)元器件是最好打開(kāi)網(wǎng)絡(luò)連接顯示，這樣就能觀察到相鄰元器件連線的疏 密。
自動(dòng)布局，PCB系統(tǒng)環(huán)境提供自動(dòng)布局功能完成元器件放置，但在細(xì)節(jié)處最好使用手工調(diào)整。布局時(shí)要求相互間連線多的元器件應(yīng)該就近放置；相互間可能造成干擾的元器件應(yīng)遠(yuǎn)離：功率器件應(yīng)考慮散熱空間。
④ 自動(dòng)布線。布線就是在元器件引腳之間放置覆銅連線的過(guò)程，這一過(guò)程可以通過(guò)手工完成，也可以自動(dòng)進(jìn)行。但是Protel99的PCB系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的自動(dòng)布線功能，建議使用該功能自動(dòng)布線。在進(jìn)行自動(dòng)布線之前，設(shè)計(jì)人員必須先設(shè)計(jì)好布線參數(shù)，定義布線規(guī)則。如果不適當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致自動(dòng)布線失敗，即布線的成功率不高，所以這一 步要特別注意
⑤ 啟動(dòng)設(shè)計(jì)規(guī)則檢查DRC，這一步利用PCB提供的DRC功能對(duì)完成布線的PCB板進(jìn)行檢查，這一步由軟件自動(dòng)完成。檢查的結(jié)果輸出在報(bào)告文件*.rep中，PCB軟件將出錯(cuò)處在PCB圖上顯示出來(lái)，為檢查、修改提供方便。
⑥ 板面字符調(diào)整。為了使設(shè)計(jì)的PCB板美觀，并且安裝焊接元器件方便，應(yīng)將元器件的名稱。設(shè)計(jì)值的字符參數(shù)移至元器件框外。大小合適且字符不想重疊。
⑦ 將經(jīng)過(guò)DRC檢查無(wú)誤，且版面字符調(diào)整好的PCB設(shè)計(jì)圖存盤、輸出、制版。
⑧ 印刷板電路設(shè)計(jì)完成以后，整個(gè)電路板的設(shè)計(jì)項(xiàng)目就基本完成。存檔以便進(jìn)行后期的修改及完善。
調(diào)用網(wǎng)絡(luò)表
Load Netlist
添加元件庫(kù)
Add/Remove
規(guī)劃電路板
新建印制板圖New-PCB
設(shè)置絲印字
元件布局
走線
手工制板
熱轉(zhuǎn)印法
光印法等
打印，輸出報(bào)表
存盤Save
電路板成品
交給印制板
圖7.1.2制作PCB板的流程
8 硬件電路板的制作
本設(shè)計(jì)中需要有2個(gè)繼電器控制外圍溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，2個(gè)LED用來(lái)提示串口數(shù)據(jù)指示，還有一個(gè)PIC16F877A單片機(jī)，一個(gè)Max232電平轉(zhuǎn)換器，一個(gè)有源晶體振蕩器及其外圍電阻電容等。在確定電路的正確性，可行性之后，開(kāi)始使用Protel對(duì)它進(jìn)行布圖。
Protel是一個(gè)很好用的電子制作工具，它還可以進(jìn)行仿真。在畫(huà)原理圖的過(guò)程中，原理圖中的元件庫(kù)中可能找不到自己要找的元件，如PIC16F877A等，所以要自己畫(huà)元件。在畫(huà)原理圖后，選擇將元件自動(dòng)編號(hào)，然后根據(jù)需要更改部分元件的編號(hào)。在定好元件編號(hào)后，使用TOOLS中的ERC進(jìn)行檢查，它會(huì)提示是否有編號(hào)相同的元件等錯(cuò)誤。在ERC檢查無(wú)誤后，便可以開(kāi)始封裝了。同樣，部分元件的封裝在PCB庫(kù)中找不到或者是有出入，如按鍵開(kāi)關(guān)，2位撥碼開(kāi)關(guān)在PCB庫(kù)中找不到，所以需要自己根據(jù)元件的實(shí)際大小和相應(yīng)的原理圖中引腳編號(hào)，做出正確的封裝。
收藏