基于UART的嵌入式設(shè)備間連接方式的研究與驗(yàn)證

徐振中，張佳民，周 潔，孫立輝（通信作者）

（1 吉林化工學(xué)院信息與控制工程學(xué)院 吉林 吉林 132022）

（2 吉林市特種設(shè)備檢驗(yàn)中心< 吉林市特種設(shè)備事故調(diào)查服務(wù)中心> 吉林 吉林 132022）

0 引言

從傳輸介質(zhì)來看，通信無非分為兩種，有線通信和無線通信[1]。在信息技術(shù)高速發(fā)展的今天，基于UART 的嵌入式設(shè)備之間可以非常簡便地通過各種通訊接口或借助各種無線模塊實(shí)現(xiàn)有線通信和無線通信。在對UART 的研究與應(yīng)用中，許多工程技術(shù)及研究人員設(shè)計出各種應(yīng)用方案。楊瀟等[2]針對單片機(jī)串行接口信號的楨格式，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了能夠直接對其進(jìn)行調(diào)制/解調(diào)的通信方案。翟玉文等[3]介紹了一種基于RS485 現(xiàn)場總線的溫度采集模塊的設(shè)計方法。王影等[4]利用Wi-Fi 無線模塊與UART實(shí)現(xiàn)了基于STM32 的無線通信，并通過上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。UART 在工程應(yīng)用中是廣泛的，本文以帶有ARM 處理器的SoC 電路板和帶有51 系列單片機(jī)的MCU 電路板通過UART 進(jìn)行通信為例，介紹串口通信原理，提出串口通信方案，驗(yàn)證并總結(jié)實(shí)現(xiàn)串口通信的條件。

1 串口通信原理

1.1 串口通信協(xié)議

UART 屬于異步串口通信協(xié)議的一種，串口通信中重要的參數(shù)包括波特率、停止位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位等[5]。通信前，通信雙方必須將這些參數(shù)約定相同。典型的串口通信僅需三根線，發(fā)送數(shù)據(jù)線、接收數(shù)據(jù)線和地線。要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)會與起始位、停止位、校驗(yàn)位共同封裝成數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)可以是5、6、7、8 位等，通信時，要發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)包會被逐位進(jìn)行傳輸，數(shù)據(jù)傳輸速率由雙方約定的波特率決定。UART 數(shù)據(jù)幀格式及通信原理圖如圖1所示。

圖1 UART 數(shù)據(jù)幀格式及通信原理圖

1.2 通信電平標(biāo)準(zhǔn)

常見的電平標(biāo)準(zhǔn)有TTL 電平、CMOS 電平、RS232 電平和RS485 電平等[6]。電平表示的是電壓的范圍。在數(shù)字電路中，由TTL 電子元器件構(gòu)成的電路所使用的電平就稱為TTL 電平，TTL 電路的電源工作電壓為5 V，所以TTL 電平是相對于5 V 而言的。相較于TTL 電平，CMOS 電路的電源工作電壓的范圍就比較寬了，為3～18 V，因此，CMOS 電平的具體數(shù)值要依據(jù)當(dāng)前電路的電源工作電壓來定。

RS232 和RS485 都規(guī)定了一種異步串行通信口的接口標(biāo)準(zhǔn)和總線標(biāo)準(zhǔn)，包括通信雙方的電氣特性、接口的機(jī)械特性、傳輸速率等內(nèi)容。RS232 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定通信邏輯電平采用負(fù)邏輯，通信接頭常用DB-9 針連接頭。RS485 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定通信邏輯電平采用正邏輯，數(shù)據(jù)信號采用差分接收和平衡發(fā)送[7]。TTL、CMOS、RS232 和RS485 邏輯電平規(guī)定如表1所示。

表1 TTL、CMOS、RS232、RS485 邏輯電平規(guī)定

1.3 通信電平/協(xié)議轉(zhuǎn)換

使用UART 進(jìn)行串口通信時往往需要涉及到電平轉(zhuǎn)換和協(xié)議轉(zhuǎn)換。嵌入式設(shè)備使用的電平為TTL/CMOS 電平，因此，當(dāng)嵌入式設(shè)備間采用RS232 或RS485 通信協(xié)議進(jìn)行通信時，就需要在TTL/CMOS 電平和RS232 或RS485 電平之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。一般在電子設(shè)備中，RS232 電平和TTL 電平之間的通信電平轉(zhuǎn)換芯片可使用MAX232[8]，RS485 電平和TTL 電平之間可使用MAX485[9]。

在電腦上，串行通信端口的關(guān)鍵部件也是UART，串行通信端口即COM 口，簡稱為串口。由于歷史等原因，電腦串口使用的接口標(biāo)準(zhǔn)為RS232，臺式機(jī)或傳統(tǒng)筆記本主板通常會有DB-9 針連接頭，而隨著時代的發(fā)展，9 針串口已基本被USB 口所取代。當(dāng)用戶需要進(jìn)行串口通信時，就需要用到USB 轉(zhuǎn)串口模塊，這個模塊可看作是一個USB2.0 協(xié)議轉(zhuǎn)串口通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換器，可用CH340 系列芯片實(shí)現(xiàn)[10]。

2 串口通信實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)硬件介紹

串口通信雙方選用一個帶有ARM 處理器的SoC 電路板和一個帶有51 系列單片機(jī)的MCU 電路板。SoC 電路板的供電電壓為5～16 V，ARM 處理器的具體型號為i.MX6ULL，有多達(dá)8 個UART，單片機(jī)的具體型號為STC15F2K60S2，工作電壓為5 V，有2 個UART。SoC 電路板上還有RS232接口和RS485 接口，兩個電路板上的RXD、TXD、GND 引腳均已引出。實(shí)驗(yàn)硬件示意圖如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)硬件平臺示意圖

2.2 連接方案列舉

由于硬件實(shí)驗(yàn)平臺的限制，經(jīng)過分析，現(xiàn)列出合理的串口通信連接方案如下。

（1）有線連接

方案一：雙方使用RS232 通信協(xié)議來實(shí)現(xiàn)通信，這樣，就需要在MCU 端加上一個帶DB-9 母頭的RS232 模塊，然后再通過兩端為DB-9 公頭的RS232 接口電纜進(jìn)行連接。RS232 通信電路連接圖如圖3所示。

圖3 RS232 通信電路連接圖

方案二：雙方使用RS485 通信協(xié)議來實(shí)現(xiàn)通信，這樣，就需要在MCU 端加上一個RS485 模塊，然后再通過兩根杜邦線進(jìn)行連接。需要說明的是，接線端對應(yīng)連接，即A-A 連接，B-B 連接。此外，終端的120 Ω 電阻不可省。RS485 通信電路連接圖如圖4所示。

圖4 RS485 通信電路連接圖

（2）無線連接

方案三：雙方使用藍(lán)牙、Wi-Fi 等帶有無線功能的模塊來實(shí)現(xiàn)通信[11]，這樣，就需要在SoC 端和MCU 端各加上一個無線模塊，然后設(shè)置配對來實(shí)現(xiàn)通信連接。需要說明的是，所使用的無線模塊需要支持UART 接口。藍(lán)牙通信電路連接圖如圖5所示。

圖5 藍(lán)牙通信電路連接圖

2.3 連接方案驗(yàn)證

在實(shí)驗(yàn)硬件平臺上，兩個電路板端都預(yù)留了兩個LED燈、兩個按鍵以及一個USB 轉(zhuǎn)串口。

（1）軟件方案設(shè)計

逐個實(shí)施上述三個硬件方案，再通過編程建立軟件連接，最終實(shí)現(xiàn)雙方通信。

軟件方案設(shè)計功能：初始化SoC 端和MCU 端的串口通信，雙方建立有線或無線連接后，分別按下各自端的按鍵，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送，對方端接收到數(shù)據(jù)后，通過USB 轉(zhuǎn)串口顯示在電腦上的串口調(diào)試軟件上，并根據(jù)不同數(shù)據(jù)做出響應(yīng)。比如MCU 端按下KEY1，發(fā)送字符串“Hello-I am MCU.”，再按下KEY2，發(fā)送字符“1”。SoC 端接收到字符串后，直接顯示在串口調(diào)試軟件上，接收到字符“1”后，點(diǎn)亮LED1燈。

（2）驗(yàn)證方案實(shí)施

為驗(yàn)證雙方通信過程是否正常，需要用到串口調(diào)試工具。本文采用QT 開發(fā)出一個串口調(diào)試軟件，該軟件具有串口選擇、參數(shù)設(shè)定、接收和發(fā)送信息等基本功能，能夠滿足驗(yàn)證方案的需要。

軟件方案實(shí)施后，通過USB 線將兩個電路板分別連接到電腦上的不同USB 口，打開串口調(diào)試軟件，并選擇雙方約定好的通信參數(shù)，再分別按下各自板端的按鍵，通過查看對方端串口調(diào)試工具輸出的調(diào)試信息或板端LED 燈狀態(tài)來驗(yàn)證雙方通信是否成功。

以方案二RS485 通信為例，當(dāng)SoC 端和MCU 端上電后，首先通過各自USB 轉(zhuǎn)串口輸出初始化成功信息，即“xxx RS485 Init Success！”。然后，按下SoC 端上的KEY1向MCU 端發(fā)送信息“Hello-I am SoC.”，當(dāng)MCU 端接收到信息后通過USB 轉(zhuǎn)串口顯示到串口調(diào)試軟件的接收區(qū)中。MCU 端操作亦如此。RS485 通信調(diào)試信息圖如圖6所示。

圖6 RS485 通信調(diào)試信息圖

3 結(jié)論

在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，嵌入式設(shè)備間能否成功通信的關(guān)鍵在于通信雙方在參數(shù)約定一致的條件下，一端的RXD 與另一端的TXD 是否正確連接。此外，由于有些單片機(jī)只有一個UART，當(dāng)用于電腦端串口調(diào)試時，就無法再用于設(shè)備間通信，否則就會無法正常工作。因此，在實(shí)際應(yīng)用時只能選擇多串口的單片機(jī)。總之，基于UART 的嵌入式設(shè)備間連接方式的研究與驗(yàn)證有助于對UART的研究與應(yīng)用。