串行通信的工作原理

文/侯光辉

在工业应用中，新设备的开发都需要有说服力的理论依据和足够的实验数据来支撑，而实际开发过程中会遇到多样的困难，这就需要前期的系统仿真，来验证方案的正确性、可行性以及可能会存在的风险。本文以串行接口RS-232 为例阐述串行通信的工作过程。

1 系统概述

系统分为上位机与下位机两部分，上位机是通过LabVIEW 完成控制命令的下发，以及读取下位机回传的状态，并显示在窗口；下位机为电机控制系统，通过Proteus 仿真实现，该系统以单片机AT89S52 为控制器，ULN2003A 为电机驱动器，完成上位机命令的接收过程以及反馈电机的运动状态，系统框架如图1所示。

表1：串口管脚说明

图1：系统流程示意图

图2：串口连线图

2 通信原理

串行接口(Serial Interface)简称串口，其传递方式为数据逐位按顺序传送。根据信息的传送方向以及时间关系，串行通讯可以进一步分为单工、半双工和全双工三种。

串行接口按电气标准及协议来分，包括RS-232-C、RS-422、RS485 等。RS-232 为 标准串口，是最常用的一种串行通讯接口，比较常见的为9 芯D 型插座（DB9），信号管脚如表1所示。RS-422 标准全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”，典型的RS-422 是四线接口，RS-485 与RS-422 相仿。

串行通信连线规则：数据接收针脚与数据发送针脚彼此交叉相连，信号地对应相接。当使用一个串口时只需将2 线与3 线连接，可完成自发自收的过程，如图2中a 所示；使用一对串口时（包含同一台计算机或分别在不同计算机上），连接方法为2-3 交叉相连，5 线直连，如图2中b 所示。

图3：LabVIEW 上位机界面

图4：电机仿真系统

串口通信参数包含：波特率、数据位、停止位和奇偶校验等。其中波特率是衡量符号传输速率的参数，数据位是衡量通信中实际数据位的参数，停止位用于表示单个包的最后一位，奇偶校验位是在串口通信中一种简单的检错方式。

3 串口的使用

为解决串口资源不足的问题，可借助于软件创建虚拟串口，和实际的串口工作机制一致。使用串口测试工具，测试串口的通信是否正常时需要注意以下两点：

（1）通信的对应端口，需要保持其波特率、数据位、校验位、停止位、流控制等设置一致。

（2）通信过程中，发送设置应该与显示设置保持一致，不然会出现收发内容不一致的现象。

4 上位机软件设计

LabVIEW 是由美国国家仪器公司开发的图形化程序开发平台。采用数据流编程方式，数据流向决定了程序的执行顺序。LabVIEW通过VISA 模块能与大多数仪器总线连接，包括GPIB、USB、串口、PXI、VXI 和以太网等，因此被广泛地应用于汽车、航空、半导体、电子设计生产、过程控制和生物医学等各个领域。

利用LabVIEW 中VISA 模块中的串口函数，编写串口测试程序相对比较简单，一般流程为：VISA 配置串口、VISA 写入、VISA 读取、VISA 关闭。

上位机界面如图3所示，左侧是控制电机的状态，右侧是读取电机的实时状态。程序采用双线程方式，在实时读取下位机回传状态的同时，满足电机设置状态的命令下发。需要注意的是在数据读取的时候，需要对数据帧头进行判断，只有帧头正确的前提下才能读取并解析数据字节。

5 电机调速仿真系统

Proteus 软件是英国Labcenter Electronics公司出版的EDA 工具软件。常用于单片机等数字电路仿真，在编译方面，支持IAR、Keil和MPLAB 等多种编译器。

该仿真系统中以单片机AT89S52 为核心控制芯片，ULN2003A 为步进电机的驱动芯片，如图4所示。其中P1 为Proteus 中的串口模块，芯片AT89S52 由美国Atmel 公司生产的一款低功耗、高性能的8 位单片机，具有 32个外部双向I/O 口，以及全双工串行口等特点。ULN2003A 是一个7 路反向器电路，常用于电机、继电器、显示以及照明电路中的驱动部分。

6 联合调试

同时运行Proteus 仿真文件与LabVIEW上位机文件。在上位机中设置好圈数后，点击“正转”或“反转”，设置状态的命令将会通过串口传递到下位机，在下位机中可以看到电机开始运转，指示灯指示相应的状态，“VIRTUAL TERMINAL”中看到数据的传递，同时上位机的右侧“读取状态”中会有相应的状态变化。状态的实际变化与理论上的一致。

7 结语

本文通过应用LabVIEW编写上位机软件，借助串口控制步进电机的过程，验证工业中串行通信数据交换的传输过程，以及实现的方法。其中串口的连接部分是通过虚拟串口，其作用和实际串口一致。为应对现代化设备的高速率更新，以及项目前期的快速推进提供了一种快捷高效的论证结果的方法。