陽世榮

（中國艦船研究與設(shè)計(jì)中心，武漢430064）

陽世榮（工程師），研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)自動(dòng)化。

引 言

串行通信具有簡單可靠、使用方便、開發(fā)成本較低等特點(diǎn)，在智能儀表行業(yè)里得到了廣泛應(yīng)用［1］；特別對(duì)于數(shù)據(jù)量不是很大、實(shí)時(shí)性要求較強(qiáng)的場合，串口通信仍然是最好的選擇，有著良好的應(yīng)用前景。隨著單片機(jī)在智能儀表 中 的 廣 泛 應(yīng) 用［2］，其 串 口 （UART，Universal Asynchronous Receiver／Transmitter，通用異步收發(fā)接口）編程成為單片機(jī)智能儀表系統(tǒng)開發(fā)的重要內(nèi)容。串口通信程序的傳統(tǒng)調(diào)試方式，往往需要利用專用的單片機(jī)硬件仿真器和調(diào)試計(jì)算機(jī)。在編寫好程序后，利用仿真器來設(shè)置斷點(diǎn)，觀察變量和程序的流程，由仿真器和上位機(jī)進(jìn)行串口通信，逐步對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試及修正錯(cuò)誤。

傳統(tǒng)調(diào)試方法對(duì)硬件仿真器依賴性較強(qiáng)，但是很多仿真器不能做到完全硬件仿真，因而可能造成仿真時(shí)正常，而實(shí)際運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤的情況，或者造成仿真不能通過，但是實(shí)際運(yùn)行正常的情況；當(dāng)單片機(jī)芯片型號(hào)發(fā)生較大變化時(shí)，需要配置新的仿真器，增加了資金投入。另外，傳統(tǒng)的調(diào)試方法要求調(diào)試計(jì)算機(jī)具備串行通信口，而現(xiàn)在很多新型計(jì)算機(jī)，尤其是筆記本電腦，并不提供串行通信接口，往往需要另外配置串口轉(zhuǎn)換模塊。因此，傳統(tǒng)的串口通信調(diào)試方式，對(duì)調(diào)試工具有較多的硬件方面要求，給串口編程的調(diào)試仿真以及現(xiàn)場維護(hù)帶來不便。

本文介紹了一種串口通信程序調(diào)試方法，能夠在單臺(tái)計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)串口通信程序的純軟件仿真調(diào)試，既不需要硬件仿真器，又對(duì)計(jì)算機(jī)的串行通信接口無任何要求，給串口編程的調(diào)試仿真帶來極大方便。

1 基本流程介紹

本調(diào)試方法無需任何硬件仿真器以及用戶電路板，對(duì)調(diào)試計(jì)算機(jī)也無串行通信接口要求。在軟件方面，只需準(zhǔn)備虛擬串口軟件VSPD、Keil以及串口通信客戶端軟件（如串口調(diào)試助手等）。

其中，Keil是眾多單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)軟件中最優(yōu)秀的軟件之一，支持幾乎所有MCS51架構(gòu)的芯片，并且集編輯、編譯、仿真等多項(xiàng)功能于一體，同時(shí)支持匯編語言和C語言程序設(shè)計(jì)［3］。Keil的軟件界面十分友好，易學(xué)易用，因此廣泛應(yīng)用于單片機(jī)系統(tǒng)的程序調(diào)試和軟件仿真中。

虛擬串口驅(qū)動(dòng)程序（Virtual Serial Ports Driver，VSPD）能夠創(chuàng)建數(shù)對(duì)“虛擬”的串行端口，每對(duì)串口虛擬互聯(lián)［4］，在一般程序看來，這些“虛擬”的串行端口跟實(shí)體的串行端口完全一致，因此，在單臺(tái)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行VSPD即可達(dá)到串口擴(kuò)展的目的。

本調(diào)試方法的基本流程如下：

① 運(yùn)行VSPD實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)串口的擴(kuò)展和互聯(lián)；

② 在Keil中運(yùn)行通信程序，對(duì)單片機(jī)的UART進(jìn)行仿真，并將之與計(jì)算機(jī)的某一個(gè)虛擬串口綁定，即用計(jì)算機(jī)的串口來模擬單片機(jī)的UART；

③ 打開串口調(diào)試助手，選擇與②中互聯(lián)的虛擬串口，進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)從而實(shí)現(xiàn)通信調(diào)試。

2 調(diào)試命令及步驟

2.1 調(diào)試命令介紹

本文介紹的串口調(diào)試方法應(yīng)用了Keil的串口仿真功能，即在應(yīng)用Keil軟件進(jìn)行通信程序調(diào)試時(shí)，可利用計(jì)算機(jī)的串口來模擬單片機(jī)的串口。進(jìn)行仿真時(shí)，Keil需要使用的2個(gè)命令為：ASSⅠGN和MODE。

2.1.1ASSIGN命令

該命令的功能為將單片機(jī)的串口綁定到計(jì)算機(jī)的串口，其語法格式為：

其中，channel代表計(jì)算機(jī)的串口，可以是COM1、COM2、COM3或COM4等；而inreg和outreg代表單片機(jī)的串口。對(duì)于只有1個(gè)串口的普通單片機(jī)，即為SⅠN和SOUT；對(duì)于有2個(gè)或者多個(gè)串口的單片機(jī)，即為SnⅠN和SnOUT（其中，n＝0，1，…，為單片機(jī)的串口號(hào)）。例如：

即為將計(jì)算機(jī)的串口1綁定到單片機(jī)的串口（針對(duì)只有1個(gè)串口的單片機(jī)）。

即為將計(jì)算機(jī)的串口2綁定到單片機(jī)的串口0（針對(duì)有多個(gè)串口的單片機(jī)，需要注意串口號(hào)的書寫位置）。需要注意的是，在命令行中，＜inreg＞參數(shù)的括號(hào)是不能省略的，而outreg則是沒有括號(hào)的。

2.1.2MODE命令

該命令的功能為設(shè)置被綁定計(jì)算機(jī)串口的通信參數(shù)，其語法格式為：

其中，COMx（x＝1，2，…）代表計(jì)算機(jī)的串口號(hào)；baudrate代表串口的波特率；parity代表校驗(yàn)方式；databits代表數(shù)據(jù)位長度；stopbits代表停止位長度。例如：

MODE COM1 9600，n，8，1

即為設(shè)置串口1，波特率為9 600，無校驗(yàn)位，8位數(shù)據(jù)，1位停止位。

即為設(shè)置串口2，波特率為19 200，奇校驗(yàn)，8位數(shù)據(jù)，1位停止位。

在Keil的調(diào)試環(huán)境下運(yùn)行以上2個(gè)命令，就能夠?qū)⒂?jì)算機(jī)的串口模擬成單片機(jī)的串口了。需要注意的是，這兩個(gè)命令必須一起使用。

輸入上述命令后，然后在Keil的調(diào)試環(huán)境下運(yùn)行單片機(jī)通信程序，通信程序發(fā)送到單片機(jī)串口上的數(shù)據(jù)會(huì)通過被綁定的計(jì)算機(jī)串口發(fā)送出來，其他通信客戶端軟件（如串口調(diào)試助手）通過訪問計(jì)算機(jī)串口即可接收到數(shù)據(jù)；另一方面，所有發(fā)送到被綁定的計(jì)算機(jī)串口上的數(shù)據(jù)都會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)到Keil模擬的單片機(jī)串口上，由單片機(jī)通信程序接收。利用這個(gè)特點(diǎn)，就可以十分方便地仿真、調(diào)試單片機(jī)的串口通信程序。

2.2 調(diào)試具體步驟

首先，運(yùn)行VSPD，其軟件界面如圖1所示。在圖1右邊Control Panel面板上，選擇2個(gè)串口號(hào)，然后點(diǎn)擊“Add pair”按鈕。此時(shí)，在圖1左邊的System Explorer顯示區(qū)的Virtual ports下即出現(xiàn)2個(gè)已經(jīng)互聯(lián)好的虛擬串口。例如，在圖1中設(shè)置的2個(gè)互聯(lián)虛擬串口為COM3和COM4。需要說明的是，圖1中Physical ports下的COM1為計(jì)算機(jī)實(shí)際的物理串行接口。

其次，在Keil中編寫單片機(jī)串口通信程序，并編譯通過，串口的設(shè)置參數(shù)示例：波特率9 600，無校驗(yàn)位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位。接下來，需要設(shè)置Keil的Project項(xiàng)目的相關(guān)參數(shù)。為了正確地仿真串口通信情況，在Keil中必須設(shè)置實(shí)際使用的晶振頻率，這個(gè)參數(shù)十分重要，直接影響串口通信的波特率。點(diǎn)擊Keil工具欄的Project項(xiàng)，在下拉菜單中選擇Options for Target，打開的設(shè)置界面如圖2所示。在圖2上方的標(biāo)題欄中選擇Target，在Xtal（MHZ）欄中填寫單片機(jī)實(shí)際使用的波特率。要注意，這個(gè)參數(shù)的單位是MHz。

第三步，輸入串口通信仿真調(diào)試命令。單擊Keil工具欄的Debug項(xiàng)，選擇Start Debug Session，進(jìn)入仿真狀態(tài)。在Keil軟件左下方的調(diào)試窗口中選擇Command文檔框，輸入ASSⅠGN和MODE命令。例如，將圖1中的虛擬串口COM3綁定為單片機(jī)的串口，命令格式為：

圖2 Keil參數(shù)設(shè)置界面

為了避免每次進(jìn)入調(diào)試仿真狀態(tài)都要手動(dòng)輸入1次ASSⅠGN和 MODE命令，可以建立1個(gè)初始化文件，將ASSⅠGN和MODE命令保存在初始化文件中，由Keil進(jìn)入調(diào)試狀態(tài)時(shí)自動(dòng)調(diào)用。初始化文件的后綴名為.ini，可由普通的文本文件直接保存為此格式。例如，建立1個(gè)初始化文件debug.ini，填入 MODE和 ASSⅠGN命令行，然后在圖2的Keil參數(shù)設(shè)置界面中，選擇Debug參數(shù)設(shè)置界面，如圖3所示。在Ⅰnitialization中設(shè)置好debug.ini文件路徑，確定即可。

圖3 Debug參數(shù)設(shè)置

接下來可在通信程序中設(shè)置斷點(diǎn)，一般是在與串口相關(guān)聯(lián)的部分進(jìn)行設(shè)置。單擊Keil工具欄的Debug項(xiàng)，選擇Go，開始運(yùn)行通信程序。此時(shí)，打開串口調(diào)試助手，選擇與單片機(jī)串口相連的虛擬串口，例如COM4，并且配置好相應(yīng)的串口通信參數(shù)，即可與單片機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)通信，如圖4所示。

圖4 串口調(diào)試助手界面

利用串口調(diào)試助手發(fā)送命令幀，檢查單片機(jī)通信程序是否進(jìn)入斷點(diǎn)，回復(fù)的數(shù)據(jù)幀是否正確。還可以有意發(fā)送帶有錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包，以觀察單片機(jī)通信程序的通信異常處理部分是否正常。一旦發(fā)現(xiàn)程序中的錯(cuò)誤，可以馬上停止仿真調(diào)試，立即修改程序代碼，然后重復(fù)上述步驟進(jìn)行仿真。

需要注意的是，調(diào)試期間是利用Keil軟件模擬單片機(jī)的串口，因此仿真時(shí)串口通信的實(shí)際波特率僅僅取決于MODE命令。單片機(jī)通信程序中的TMOD、SCON等參數(shù)是不影響串口仿真狀態(tài)的（也就是說這些參數(shù)不影響仿真的波特率，即使它們是錯(cuò)誤的），但是中斷的使能位（如ES、EA等）還是起作用的，如果ES或EA被禁止，那么就不會(huì)進(jìn)入串口中斷。

由于VSPD可以在計(jì)算機(jī)上成對(duì)的擴(kuò)展多個(gè)虛擬串口，因此本方法非常適合仿真多串口單片機(jī)。一般而言，使用本方法需要占用計(jì)算機(jī)的串口數(shù)量是單片機(jī)綁定串口的2倍。一個(gè)串口被Keil占用，用來模擬單片機(jī)的串口；另外一個(gè)串口被計(jì)算機(jī)占用，用來與單片機(jī)的串口進(jìn)行通信。

由于調(diào)試期間不需要與硬件設(shè)備聯(lián)機(jī)，也不用下載代碼到硬件仿真電路板上，所以調(diào)試仿真的速度是比較高的。當(dāng)然，這種方法是利用計(jì)算機(jī)的串口來綁定單片機(jī)的串口，數(shù)據(jù)是由Keil軟件仿真從單片機(jī)串口轉(zhuǎn)換到計(jì)算機(jī)串口的，因此在仿真時(shí)，處理速度會(huì)比實(shí)際單片機(jī)運(yùn)行時(shí)稍微低一點(diǎn)，這與計(jì)算機(jī)本身的處理速度有關(guān)，但是對(duì)仿真來說，沒有任何影響。

3 小 結(jié)

簡單、方便、容易使用、經(jīng)濟(jì)成本低是本調(diào)試方法的最大優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用本方法進(jìn)行通信調(diào)試，不需要使用任何硬件電路，對(duì)計(jì)算機(jī)也沒有特殊的硬件接口要求，而且對(duì)程序編程語言也沒有任何特殊要求（C語言和匯編語言均可）。采用本方法可以在硬件電路板研制的同時(shí)，就將串口通信部分的程序編寫、調(diào)試完畢，大大縮短了開發(fā)周期。

對(duì)于MCS－51架構(gòu)的單片機(jī)，由于均可在Keil環(huán)境下進(jìn)行開發(fā)，可直接應(yīng)用本調(diào)試方法；對(duì)于其他架構(gòu)的單片機(jī)或者DSP以及ARM平臺(tái)，雖然無法直接將其串口與計(jì)算機(jī)串口綁定，但是可以采用變通的辦法，先用C語言在Keil中編寫通信程序，并采用本方法調(diào)試完成，然后將程序移植到相應(yīng)的單片機(jī)或DSP硬件平臺(tái)。因此，本方法可應(yīng)用各類單片機(jī)、DSP以及ARM的串口通信開發(fā)與調(diào)試當(dāng)中，最大限度地降低研制成本，提高開發(fā)效率。

［1］徐勝，吳麗琴，施益峰.一種基于串行通信技術(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2006（11）：38－41.

［2］駱陽.具有抗干擾性能的單片機(jī)智能儀表的設(shè)計(jì)［J］.電測與儀表，2002（3）：24－26.

［3］馬忠梅.單片機(jī)的C語言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)［M］.北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

［4］羅子明，王磊杰，劉或，等.基于AT89C51的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)新方法［J］.電子元器件應(yīng)用，2007，9（8）：37－40.