单片机与PC通信的简化接口
出处：http://www.ic37.com 发布于：2007-09-25 10:31:07
摘要：给出了一种单片同与PC进行通信的低成本接口的设计方法，并给出了其中的关键参数，通过在实践中检验证明：该接口在对成本和体积有严格要求的系统中有着广泛的应用。
关键词：单片机 PC 接口 通信
在单片机系统的设计中，经常遇到需要与PC进行通信的问题。一般单片机都提供有UART接口，而普通PC机也都有1～2个RS-232口，所以，实际使用时经常用RS-232进行单片机与计算机间的通信。在近距离通信中，以零调制三线经济型使用为广泛。
RS-232标准是广泛使用的串行通信标准，但使用的电平与TTL和MOS电平完全不同，逻辑“0”至少为+3V，逻辑“1”至少为-3V，而单片机系统则使用TTL电平或MOS电平。因此，需要使用接口电路来实现TTL电平或MOS电平与RS-232电平之间的转换。目前已有现成的接口芯片可供选用，价格低一些的如MC地488（将TTL电平转换为RS-232C标准电平）和MC1489（将RS-232标准电平转换为TTL电平），但MC1488需要±12V的供电电压。另外，也有许多使用单一的+5V供电芯片可供选择，如MAX2003，但此类芯睡价格不菲，且需要若干外围元件。在对体积和成本有较严格的要求时，进一步简化接口电路很有必要。
1 一种简单的接口电路
实用中，单片机与PC的通信通常采用半双工通信，这时，可以采用一种较简单的接口电路（如图1所示）。在这种电路中，PC机的RXD上的逻辑高电平（小于-3V）是以“偷电”的方式从本身的TXD端获得。这种电路的工作原理如下：
PC机TXD端的逻辑电平经T1后变为TTL电平或MOS电平。在单片机TXD端为逻辑低电平时，光耦的发光二极管发光，使得晶体管导通。其集电极的VCC（一般为+5V）加在PC机的RXD端；而在单片机TXD端为逻辑高电平时，光耦的发光二极管不发光，晶体管截止。由于PC机的TXD端在空闲时处于逻辑高电平（小于-3V），因此，这个电平便通过电阻R4加到其RXD端。这样，便实现了TTL电平或MOS电平到RS-232电平的转换。但需要注意的是，由于PC机的RXD和RXD端通过电阻接到了一起，因此有时会出现PC机自发自收的情况，这一点需要在编程时加以处理。
2 电阻值的确定
图1电路中，R1、R2的取值范围较大，一般只要使得T1正常工作在开关状态下即可。R3的取值可按下式进行计算：
R3=(Vcc-VF-Vcs)/IF
其中Vcc是工作电源电压，Vcs是单片机TXD端的低电平电压（一般取0.2V），VF是光耦中的发光二极管导通时的正向压降（一般为1.1V左右），IF是其正常工作电流（一般为10mA）。
R4取值的合适与否是本电路的关键。取值过小，可能会在单片机发送逻辑低电平时，使PC机的RXD端电平受自身TXD端的影响太大而导致电压过低，从而达不到逻辑低电平的要求而不能正确接收；取值过大，则会在单片机发送逻辑高电平时，PC机RXD端受其输入电阻的影响而不能将自身TXD端的逻辑电平正确传送过来，这样也不能正确接收。实际上，R4的取值受多种因素的影响，其中包括：光耦中晶体管的特性、R2的值、二极管D的特性、PC机RXD端的输入电阻和输入电平、TXD端的输出电阻和输出电平等。而这些因素中，尤以后两乾的影响为甚。
在PC机系统中，异步通信适配器以INS8250通讯芯片为，再配以可进行电平转换的发送器和接收器电路而组成的。不同种类的PC机由于主板设计的不同，其RS-232的特性也有差异，特别是RXD端的输入电阻和TXD端的输出电阻相去甚远。因此，若要用计算的方法得到R4的取值，需要了解各种主板的电路设计，这样非常麻烦。但是对各种常见品牌计算机的RS-232口的特性进行测试却是相对简便的。笔者在各种常见品牌的近百台计算机上进行了测试，得到了可以在各种计算机上可正常使用的R4值，具体取值如表1所列。
表1 PC与单片机通信情况和R4值的关系
表1 PC与单片机通信情况和R4值的关系
| 机 型 | 联想500 | 同创100 | 东海550 | 兼容机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 |
| 开路 | 0 1 1 | 0 1 0 | 0 1 0 | 0 1 0 | 0 1 0 |
测试中，R2取10kΩ，D采用IN4148，光耦采用TIL117，其发光二极管的工作电流为10mA（推荐值）。改变R4的取值，检查PC能否和单片机系统进行通信，以及PC机在发送数据时是否被自己接到。实验发现，常用PC机的RS-232口根据外部特性可以分为几大类，现将每一类取一例示于表1中。表中的X1X2X3含义如下：
X1=0表示PC机发送数据时不能通过R4自收。
=1表示PC机发送数据进可以通过R4自收。
X2=0表示PC机发送的数据不能被单片机接收。
=1表示PC机发送的数据可以被单片机接收。
X3=0表示单片机发送的数据不能被PC机接收。
=1表示单片机发送的数据可以被PC机接收。
从表1中可以看出，尽管各种主板特性不同，但都有一段性相同的范围，即R4取12.2kΩ～20kΩ时，PC可以和单片机正常通信，且PC发送的数据也可以被它自己接收。这样，在设计电路时可以把R4取成15kΩ,从而使得该以与各种PC进行通信。但需要注意是，当PC由发送转变为接收时，需要清除自发自收的数据。如果PC的通信程序是用汇编或C语言编写的，只需假读以清空接收缓冲器，或者复位线路状态寄存器的D0位即可。如果PC的通信程序是用WB或VF编写，且使用了通信控件，那么刚才发送的全部内容都会进入接收缓冲区，这样就需要根据发送的字节数将接收缓冲区中前面相应的内容清除。
3 电路的进一步简化
如果想进一步简化电路，则可用三极管替代光电耦合器，该简化接口电路见图2所示。实验证明，在R4取10kΩ,T2采9015，R3取15kΩ时，该电路仍可正常工作。
4 结论
本文给出的简单接口电路具有成本低和占用印制版面积小的优点。通过实验测定的元件取值具有广泛的适用性。上述电路在笔者开发的手持式通用秒表器中得到应用。实际应用中与各种品牌近千台PC的通信皆正确，从而证明了本设计的可靠性。
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