基于C8051F020的通用串口适配器的设计

1引言

串行通信的广泛应用可使各种传输设备有机地连成一体，能够安全可靠地进行数据交换和信息传递。但是由于各个设备传输信道上的信号不同，所应用的串口也各种各样，要完成众多设备相互之间的通信，就必然要涉及到各个设备之间的串口转换问题。

为了使计算机的RS-232接口与各种不同的串口进行通信，从而测试或控制不同设备的工作状态，本文设计了一种通用串口适配器，适配器有4个对外接口，其中，1口连接控制计算机，2、3、4口连接不同标准串口的通信设备，如图1所示。

2 硬件设计

为了实现对适配器的自动控制以及扩展其他接口，采用了C8051F020单片机。适配器选用了C8051F020微处理器、MAX4534电子模拟开关、MAX232电平转换器以及RS-485／RS-422信号转换器MAX491等。

整个系统以C8051F020为核心，原理框图如图2所示。通过串口1控制从上位机串口发送的数据的接收、存储和判别，然后通过串口2控制电子模拟开关，使其内部的模拟开关接通相应的串口，最后实现计算机与各个串口的通信。

2.1 与上位机通信电路

C8051F020引脚的信号电平为TTL类型，而PC机串口的异步串行通信基于RS-232标准。两者通信信号的逻辑电平不一致，必须进行信号电平转换。因此，选用Maxim公司的MAX232实现TTL电平与RS-232电平的双向转换。

MAX232包含两路接收和驱动器，适用于各种EIA-232C和V.28／V.24的通信接口。该器件内置一个电源电压转换器，可将5 V电压转换成RS-232C输出电平所需的±10 V电压。所以，采用此器件的串行通信系统只需单一的+5 V电源。

串口通信的RS-232通信距离以不超过12 m为宜。接口采用9针串口DB9，串口传输数据只要有接收数据引脚和发送引脚就可实现。 2.2 模拟开关控制电路

该控制电路主要由MAX4534(一对四)完成。地址端A0和A1与单片机I／O端口相连，开关1、2、3、4分别与各测试设备的串口相连，MAX4534的内部连接逻辑如图3所示。

当上位机实现与单片机的握手后，若与RS-422口通信。则需先发送一个检测信号TEST，该信号经MAX232电平转换后，送至单片机C8051F020，单片机接收到信号后，通过其I／O端口P6.0和P6.1的输出状态分别控制开关MAX4534的地址端A0和A1。若A0和A1均为0，则接通开关NO1，如表1所示，使检测电路的MAX491接收端处于导通状态，从而形成通路。此时单片机回发一个通路信号给上位机，当上位机接收到通路信号后，MCU的串口TXD端就可自由发送数据，从设备发来的回应信号也可以被MCU正常接收，从而完成整个通信过程.

2.3 RS-232(TTL电平)接口电路设计

因为从单片机引脚出来的信号为TTL电平，所以TTL电平的RS-232接口无需进行电平转换，可以直接通过模拟开关MAX4534与串口相连。

对于五线RS-232接口，由于C8051F020串口只有两根线连接RXD和TXD，RTS和CTS通过其两个I／O口实现。

2.4 RS-422接口的转换电路设计

RS-232串行接口属于个人计算机(PC)及电信应用领域中最为成功的串行数据标准；而RS-422串行接口则是工业应用领域中最为成功的串行数据标准。上述这些数据标准并不直接相互兼容。RS-422标准全称为"平衡电压数字接口电路的电气特性"，它定义了接口电路的特性，与RS-232不同，RS-422数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输，它使用一对儿双绞线，将其中一条线路定义为A，另一条线路定义为B。通常情况下，发送驱动器A、B之间的正电平为+2 V～+6 V，是一个逻辑状态；负电平为-2 V～-6 V。RS-422的最大传输距离为4000英尺(约1 219 m)，最大传输速率为10 Mb／s，最多可接10个节点，具有单独的发送和接收通道，故无需控制数据方向。

RS-232与RS-422之间的电平转换由Maxim公司的差分平衡型收发器MAX491实现，它适用于RS-422／RS-485通信标准，内部包含1个发送驱动器和1个接收器。RE为接收器输入允许端，接地；DE为驱动器输出允许端，接+5 V电压。单片机控制信号使MAX491接收端自动禁能，以免整个有线通信环路形成正反馈造成自激，而MAX491发送端则自由导通，控制信号正常传输。

3 软件编程

软件程序主要包括上位机可视化界面程序和单片机与PC串口通信程序。单片机采用C51语言编程，上位机的操作界面程序采用C++Builder进行可视化编程。

3.1 上位机可视化界面编程

以C++Builder为开发工具，利用串行通信控件MSComm进行编程，实现对单片机的控制。本通信系统中规定的字符格式为：每一帧的数据占10位，其中，1位起始位，8位数据位，1位停止位，无奇偶校验位。中间的8位数据位即为有效的通信传输字节。为了增强通信的可靠性、减少通信的误码率，双方的波特率设置为4 800 b／s，以较低速度进行通信。软件握手协议规定如下：PC机发送握手信号0xFF给单片机，单片机接收到的上位机数据若为握手信号0xFF，则回送一个正确信号060606给PC机，表示握手成功，PC机即可发送数据包，单片机经校验正确后将该数据包直接存储接收，并从中分解有效的数据信息；若单片机接收到的上位机数据不是握手信号，则回送一个错误信号151515，并继续等待。人机界面如图4所示。

进入控制界面后，首先根据上位机与单片机的通讯协议，选择串口号、通讯波特率、奇偶校验位、数据位以及停止位。当上位机在界面的接口选项中点击要通信的串口时，就会触发一个传输信号给单片机，单片机根据协议控制电子模拟开关接通相应的串口电路，同时回发一个通路信号给上位机，从而使界面上的串口指示呈绿色状态，表明通信电路已接通，可以发送和接收数据。上位机通信流程如图5所示。

3.2 单片机与PC串口通信编程

在本设计中主要用到单片机的定时器、I／O端口、UART、优先权交叉开关、中断设置、时钟信号、寄存器、D／A和A／D等。定义C8051F020的UART0与计算机连接，UART1与各串口相连。首先优先权交叉开关译码器将交叉开关端口P0～P3的引脚分配给UART0、UART1、INT0和INT1。

设置XBARE=1，使能交叉开关。UART0有最高优先权，P0.0分配给TX0，P0.1分配给RX0。其次是UART1，P0.2被分配给TX1，P0.3分配给RX1。P0.4分配给INT0。由于外部存储器接口选在低端口(EMIFLE=1)，所以交叉开关跳过P0.6(RD)和P0.7(WR)。由于外部存储器接口配置为复用方式，所以交叉开关也跳过P0.5(ALE)。下一个未跳过的引脚P1.0分配给INT1。将外部存储器接口配置为复用方式并使用低端口，将P1.2、P1.3和P1.4配置为模拟输入，以便用ADC1测量施加在这些引脚上的电压。

当交叉开关配置寄存器XBR0、XBR1和XBR2中外设的对应使能位被设置为逻辑'1'时，交叉开关将端口引脚分配给外设。将UART0的TX引脚(TX0，P0.0)、UART1的TX引脚(TX1，P0.2)、ALE、RD、WR(P0.[7：3])的输出设置为推挽方式，通过设置P0MDOUT=0xE5实现。通过设置P2MDOUT=0xFF、P3MDOUT=0xFF和P6MDOUT=0xFF将EMIF端口(P2、P3，P6)的输出方式配置为推挽方式。单片机通信主程序流程如图6所示。

4 结束语

在对核心器件C8051F020编程和对硬件板调试时采用Cygnal IDE Cygnal集成开发环境软件。Cygnal集成开发环境采用标准的Windows95／98／NT／2000作为界面，利用PC机的串行口和目标板的JTAG接口实现IDE与目标系统中的单片机通信(每套开发系统都有RS-232至JTAG协议转换所需的串行适配器)，与目标系统连接后可进行非插入式、全速在线调试和在系统内编程。

此外，该串口适配器很容易扩展其他的接口，可用I／O口接数字接口，也可以通过单片机的A／D和D／A接模拟信号接口。若外围接口过多，则可以合并为一个或几个接口，只需在电路中加继电器(继电器由单片机的I／O控制)进行输出切换即可。