单片机串行通信的设计
单片机性能稳定、价格低廉、功能强大，在智能仪器、工业装备以及日用电子消费品中得到了越
来越广泛的应用。在单片机的输入输出控制中，除直接接上小键盘和 LCD 显示屏等方法外，一
般都通过串口和上位机 PC 进行通信，而后一种方法由于能实现远程控制，并且能够利用 PC 机
强大的数据处理功能以及友好的控制界面，显得尤为重要。在一般的利用 PC 机对单片机进行控
制的场合，都是采用 Windows 作为上位机的平台，其优点是界面友好，编程和操作都比较容易，
缺点是稳定性太差，这对于需要连续数天或数月运行的装置来说，尤其不合适。在要求比较苛刻
的场合，一般都采用 UNIX 工作站作为主控平台，如合肥同步辐射加速器的主控平台采用的是
SUN 的 Solaris 工作站系统，然而 UNIX 工作站昂贵的价格又大大限制了其使用的范围。近年来，
随着 Linux 的迅猛发展，使其逐渐从少数人的玩具变成了主流的操作系统。Linux 是遵循 GPL 协
议的免费源代码开放软件，任何人都可以自由的从 Internet 上取得其源程序，也可在 GPL 的协议
下修改其源代码以适应特定的应用，其运行在普通的 PC 上，性能稳定，特别适于做工业控制，
因此实现 Linux 和单片机的串行通信非常有意义，他可以是昂贵的 UNIX 工作站的一种可选的替
代方法。
1 硬件原理
目前国内使用较多的为 MCS-51 系列的单片机，因此选用的单片机实验对象为一片 AT89C51，
图 1 是硬件原理图，由于要实现符合 RS232C 的串行通信，还应该用一片 ICL232CPE(MAX232)
作为串行通信的电平转换电路。在实验过程中，为了查看通信是否成功，除了让单片机对上位机
回送数据外，还在单片机外围扩展了几片锁存器，几个 LED 发光二极管和几个小键盘。串行通
信是采用最简单的 TxD，RxD，GND 三线制连接，注意 TxD 和 RxD 两边应该交叉连线。
上位机是一台普通的 PC 机，共有 2 个串行口 COM1，COM2，其运行 RedHat8．0，实际上，
如果不要求运行 Gnome 或 KDE 等图形界面，Linux 对系统硬件的要求相当低。
实验证明，此电路简单可靠，非常适用于测试串行通信。
2 串行通信程序设计
串行通信程序包括下位机单片机和上位机 PC 机的程序。单片机接收上位机传来的数据，放
到片内 RAM 里面，再将 RAM 内数据同时发送到外部扩展锁存器和上位机，由此可以判断通信
是否成功。此程序由汇编语言写成，初始化时波特率设置为 4 800 b/s，通信方式为 8－N－1。
上位机程序的编写是关键部分，因为要对串口硬件设备进行操作，有 2 种方法，一是利用
Linux 内核自带的串口驱动程序，另外一种方法就是直接读写串口硬件端口，下面分别介绍。
2．1 利用串口驱动程序的编程方法
利用 Linux 自身的串口驱动程序进行编程，实际上就是调用驱动程序的一系列函数，完成串
口通信参数的设置，数据的发送和接收。在这种方法中，Linux 给每个串口都分配一个文件索引
号，有相应的文件名称，实际上是将硬件设备看成一种特殊的文件，如 COM1，COM2 对应的
文件分别为/dev/ttyS0，/dev/ttyS1，操作这 2 个串口实际上就是操作这 2 个文件，而对硬件设备
文件的操作与对普通文件的操作并没有什么不同，都可以使用相同的文件 I/O 调用函数(open，
write，read，close)，不同之处在于用系统调用 open()打开串口得到相应设备的文件描述符以后，
先要对其进行初始化，设置一些特定的参数，如波特率、数据位、输入输出方式等，这些参数存
放在 structtermios 中，函数 tcsetattr()可以设置串口的 structtermios，tcgetattr()可以得到串口的
struct termios。设置完通信参数后就可用 read 和 write 对串口文件进行读写了。运行程序时要注
意用户是否有对要操作的串口文件进行读写的权力，可以用 chmod 命令进行文件权限修改。
初始化函数如下：
初始化以后就开始发送和接收数据，先将一个字符串发送给单片机，单片机接收到数据后，
将数据返回给上位机。但需要注意的是，由于上位机速度比单片机快得多，一次不能发送过多的
数据，否则极有可能使发送缓冲区溢出而丢失数据，发送过后，还需等待一段时间，使单片机将
数据完全发送到上位机后，再进行读取。
2．2 直接读写串口硬件端口的方法
在使用这个方法的时候，必须对串口通信的硬件原理有一些了解。PC 机的串口是由通用异
步收发器 8250UART(或 16550)为核心构成的，寄存器基地址分别是 0x3f8(COM1)和
0x2f8(COM2)，还有其他的一些用于控制的寄存器。有很多寄存器是与 Modem 相关的，而在使
用三线制进行通信时用不到，只用关心与通信相关的寄存器，比起使用为通用功能编写的串口设
备驱动程序来，直接读写相关寄存器效率更高。
初始化后，就可以进行数据的收发了，接受数据之前必须保证接收数据就绪，这可以通过
0x2fd 的 D0 来判断，发送数据之前必须保证发送寄存器为空，这可以通过 0x2fd 的 D5 来判断，
代码如下：
3 结语
实验表明，此系统采用的 2 种方法都完全实现了 LinuxPC 机与单片机之间点对点的通信，
方法简单可靠，基本上在需要用到 PC 机与单片机串行通信的场合均可采用此种方法。随着近年
来 Linux 在国内应用范围的日益壮大，在工业控制、数据采集等领域也必将越来越多的采用 Linux，
本文可以算作是一个有益的尝试。当然在实际应用中还需要考虑一些问题，比如进行出错处理的
问题，可以在一个要发送的字符串后再发送一个校验和，当收到返回的校验和与发送的校验和不
一致时再进行重发，再比如所采用的 RS232C 传输距离很短，并且抗干扰能力很差，这时需要将
总线转换成差分传输的 RS485/RS422。另外，稍加改进，就可实现 PC 机与多片 51 单片机的串
行通信，这时由于共用一条总线，必须给每个单片机分配一个地址，然后由 PC 机对总线进行仲
裁，只有获得总线使用权的单片机才能与上位机进行通信，这里不再赘述。
总之，本文只是为 Linux PC 和单片机串行通信提供了一个典型的范例，要应用到实际的项
目中去，还需要根据实际的情况具体考虑，灵活应用，最终才能形成一个可靠的基于 Linux 平台
的系统。
