田社平， 方向忠， 張 峰

(上海交通大學 電子信息與電氣工程學院，上海 200240)

0 引 言

串口是目前工業(yè)通信中較為普遍的一種通信方式，同時在單片機教學中占據(jù)重要地位[1-4]。傳統(tǒng)的串口通信實驗往往需要一根串口線連接兩個終端(兩臺PC機，或者一臺PC一個單片機系統(tǒng)，或者兩個單片機系統(tǒng))，其對硬件仿真器依賴性較強。由于很多仿真器不能做到完全硬件仿真，因而可能造成仿真時正常，而實際運行時出現(xiàn)錯誤的情況，或者造成仿真不能通過，但是實際運行正常的情況。當單片機芯片型號發(fā)生較大變化時，需要配置新的仿真器，增加了資金投入。因此，開發(fā)一種虛擬的串口通信教學實驗系統(tǒng)，具有良好的教學價值。例如，可以利用Keil和虛擬串口驅(qū)動(VSPD)即可達到這一目的[5-7]，但這樣的實驗系統(tǒng)具有操作較為復雜、顯示不夠直觀、不能加入硬件設(shè)計等缺點。

本文討論一種基于VSPD和Proteus[8-9]串口調(diào)試與實驗方法，可以在一臺PC機上完成原本需要兩個終端才能實現(xiàn)的串口通信。首先從虛擬串口的結(jié)構(gòu)和原理，闡述串口通信的基本原理。接著以一個實例給出了基于VSPD的串口通信的具體實現(xiàn)過程。該例實現(xiàn)了PC機與單片機之間的串口通信，PC機端串口通信程序采用VC++6.0編寫，單片機選用Intel公司的AT89C51，在Proteus仿真軟件中用匯編語言編寫。

1 虛擬串口驅(qū)動程序

虛擬串口驅(qū)動程序是一個標準的Win32驅(qū)動程序模型(WDM)的設(shè)備驅(qū)動程序，它面向串口用戶程序，為用戶提供標準而完整的串口設(shè)備接口。該驅(qū)動程序的系統(tǒng)I/O調(diào)用接口以及讀寫控制完全仿造標準的串口驅(qū)動程序制作，所以從用戶角度看，虛擬串口的使用和普通串口沒有任何區(qū)別。

虛擬串口的應(yīng)用類型有很多，基于串口教學實驗的需要，這里只介紹其中一種——互聯(lián)型虛擬串口。互聯(lián)型虛擬串口是將兩個虛擬串口的數(shù)據(jù)通道連接起來。其效果相當于用串口回環(huán)線將兩個物理串口連接起來。除了將串口數(shù)據(jù)線TX和RX交叉連接以外，互聯(lián)型虛擬串口程序還將RTS、CTS、DTR、STR等控制線也進行互連，如圖1所示。

圖1 互聯(lián)型虛擬串口模擬的串口回環(huán)線

這些連接都是軟件意義上的，并沒有實際物理線相聯(lián)。這根使用軟件來模擬的串口回環(huán)線，實際上是使用線程通信完成的，其原理圖如圖2所示。由該圖可知，兩個虛擬串口連接以后，任何串口發(fā)送的數(shù)據(jù)將會被另外一個虛擬串口所接收。

圖2 互聯(lián)型虛擬串口原理

虛擬串口驅(qū)動程序有很多，常用的有VSPD、VSPM和SUDT SerialNull 等。而VSPD以其操作簡單，容易上手等特點倍受青睞。VSPD全稱為Virtual Serial Port Driver XP，是Eltima軟件公司的一款產(chǎn)品。它能成對地添加虛擬串口，最多可虛擬256個串口。VSPD虛擬串口對的操作界面如圖3所示。

圖3 VSPD虛擬串口對

VSPD可以和Proteus結(jié)合，添加的一對虛擬串口被設(shè)定為通過非MODEM(三線制)串口連接在一起，就像兩個真實的物理串口一樣，從而實現(xiàn)在一臺PC機上模擬兩個軟件的串口通信。

2 VSPD串口實驗

2.1 實驗內(nèi)容及要求

建立單片機與PC機之間的串口通信，單片機電路如圖4所示。要求單片機的4個開關(guān)控制4盞LED燈，當開關(guān)合上時，相應(yīng)的燈亮，同時將信息發(fā)送給PC機，如“P1.x is on. Lx lights.”，其中x取0～3，分別與SW1～4對應(yīng)；PC機接收到信息后顯示，同時向單片機發(fā)送字符(0-9，A-F)，并通過單片機控制數(shù)碼管顯示相應(yīng)的數(shù)字。PC機串口編程采用VC++6.0，單片機采用89C51匯編語言編程實現(xiàn)。串口通信格式為：1 200 bit/s波特率，8位數(shù)據(jù)，無校驗，1個停止位。

圖4中，SCMR為虛擬接收端口，用來顯示單片機接收到的數(shù)據(jù)；SCMT為虛擬發(fā)送端口，用來顯示單片機發(fā)送的內(nèi)容。P1為串口物理接口模型COMPIM，用來與外部進行RS-232串口通信。在仿真實驗時，必須在相應(yīng)的“Edit Component”對話框中設(shè)置與實驗一致的串口通信參數(shù)。其中COMPIM的設(shè)置界面如圖5所示。

圖4 串口實驗下位機電路

圖5 串口通信參數(shù)設(shè)置界面

2.2 單片機編程

為了使例程具有一般性，單片機采用通用的89C51，在Proteus上運行實現(xiàn)[10-12]。89C51的時鐘頻率取11.059 2 MHz，單片機選用串口方式1，定時器方式2，SMOD=1。由波特率公式：

波特率=2SMOD/32×T1溢出率，T1溢出率=時鐘頻率/[12×(256-TH1初值)]

可以求得T1的溢出率為1200/(2/32)=19200，從而算得定時初值為

256-11.0592×106/(19200×12)=208=0D0H

單片機的主程序如下：

MOV SP, #60H

MOV SCON, #50H ;串口方式1，允許接收

MOV TMOD, #20H ;定時器1為方式2

ORL PCON, #80H ; SMOD=1

MOV TH1, #0D0H ;波特率為1200

MOV TL1, #0D0H

SETB TR1

MOV DPTR, #CHSE ;發(fā)送’Hello, world!’

LP1: CLR A

MOVC A, @A+DPTR

CJNE A, #’’, SE1 ;判是否到發(fā)送結(jié)束位

LJMP LP2

SE1: LCALL SEND ;發(fā)送子程序

LCALL DELAY ;延時子程序

INC DPTR

LJMP LP1

LP2: MOV DPTR,#TABLE ;初始化顯示‘5’

MOV A, #05H

MOVC A, @A+DPTR

MOV P0, A

CLR A

CLR DPTR

LP: JNB P1.0, L1 ;檢測按鍵,如果P1.0按下轉(zhuǎn)L1

JNB P1.1, L2

JNB P1.2, L3

JNB P1.3, L4

JNB RI, LP ;等待接收1個字符

CLR RI

MOV A, SBUF ;接收到的字符送A

LCALL DELAY

MOV RDATA, A

LCALL SEND

LCALL DELAY

MOV DPTR, #TABLE

LCALL CHANGE ;ASCII碼轉(zhuǎn)16進制數(shù)子程序

MOV A, RDATA

LCALL DISP ;顯示子程序

LJMP LP

程序中，SEND為發(fā)送子程序，DELAY為延時子程序，CHANGE為數(shù)制轉(zhuǎn)換子程序，完成ASCII碼到十六進制的轉(zhuǎn)換，Lx(x為1,2,3,4)為開關(guān)操作程序，即實現(xiàn)按下開關(guān)，相應(yīng)的指示性語句發(fā)送到PC機的功能。CHSE地址存放的是初始字符串“Hello, world!”，TABLE地址存放的是7段碼值。由于篇幅所限，具體代碼從略。

2.3 PC機編程

Win32中基于VC++6.0的常用串口通信程序一般可以用兩種方法實現(xiàn)[13-14]：①利用MSComm ActiveX串行通信控件；②使用Windows API通信函數(shù)。本實驗中采用MSComm ActiveX控件進行編程。MSComm提供了兩種處理通信問題的方法：①事件驅(qū)動法，當串口上發(fā)生某一事件時，使用MSComm控件的OnComm事件可以捕獲并處理這些事件；②查詢法，每當應(yīng)用程序執(zhí)行完某一串行口操作后，將不斷檢查MSCommEvent屬性以檢查執(zhí)行結(jié)果或者檢查某一事件是否發(fā)生。本實驗中采用第一種方法，在串口接收緩沖區(qū)中有字符時接收。

實驗中MSComm控件涉及的幾個重要屬性如表1所示。

表1 實驗中MSComm的幾個屬性

根據(jù)表1的控件屬性設(shè)置好正確的串口通信參數(shù)配置、數(shù)據(jù)獲取方式和通信響應(yīng)類型等，通過Output發(fā)送數(shù)據(jù)，由Input在OnComm函數(shù)中接收數(shù)據(jù)。圖6為VC++6.0實現(xiàn)的串口通信實驗程序流程框圖。

圖6 串口實驗PC機程序流程

2.4 實驗運行結(jié)果

首先打開VSPD增加一對虛擬串口對，如COM1和COM2；接著運行C++程序，設(shè)置好串口號為COM2，波特率為1 200，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位和無奇偶校驗之后，打開串口；然后運行Proteus軟件，對串口物理接口，虛擬接收/發(fā)送端口設(shè)置對應(yīng)的通信參數(shù)，串口號選為COM1，點擊Proteus左下方的運行鍵。最后的結(jié)果如圖7所示。

程序通信后，首先由單片機向PC機發(fā)送字符串"Hello world!"；當按下P1.x時，單片機就向PC機發(fā)送"P1.x is on. Lx lights."(x為0到3中的一個整數(shù))，同時相應(yīng)的LED就會點亮。由單片機向PC機發(fā)送過程中，PC機和虛擬發(fā)送端口同時顯示發(fā)送的內(nèi)容。當PC機向單片機發(fā)送字符A時，虛擬接收端口和數(shù)碼管就會顯示"A"。由此，實驗任務(wù)得到實現(xiàn)。

(a) PC端串口通信界面

虛擬端口發(fā)送顯示

虛擬端口接收顯示數(shù)碼管顯示

(b) 單片機端顯示界面

圖7 串口通信實驗仿真結(jié)果

3 結(jié) 語

本實驗利用虛擬串口驅(qū)動程序VSPD和虛擬仿真軟件Proteus實現(xiàn)了串口通信功能，具有實驗現(xiàn)象直觀、軟件調(diào)試方便的特點。在調(diào)試階段不受時間地點和器材的限制，從而減少硬件的使用，給開發(fā)和調(diào)試帶來了很大的靈活性，能取得事半功倍之效，提高學生的研究能力和學習興趣。

盡管本實驗中的單片機采用目前單片機教學中主流的MCS-51系列單片機，但本文方法也適用于各類單片機、微控制器的串口通信開發(fā)與調(diào)試，程序的編寫也可采用C語言以簡化開發(fā)過程[15]。同樣，PC機端串口程序也可采用不同的語言編寫，例如，當用VB或是其他語言實現(xiàn)串口通信程序時，仍可移植本實驗設(shè)計思路。因此，本實驗的實現(xiàn)方案可以根據(jù)教學實際進行靈活配置，將教學重點放在對串口通信的理解上，以取得良好的教學效果。

本文給出了虛擬串口通信實驗的框架結(jié)構(gòu)和基本實現(xiàn)方法，在實際教學中可以在此基礎(chǔ)上增加諸如修改通信參數(shù)、進行大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)葘嶒炓?，以滿足不同的教學要求。