基于FT245BM芯片和單片機串口通信的研究

王 瓊，周國平，封維忠，司飛飛

（南京林業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京 210037）

目前，隨著計算機的廣泛應(yīng)用，微控制系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通信在工業(yè)控制中普遍被采用。由于串口通信所用的傳輸線較少，適合遠距離傳輸，因而它是一種在計算機與外部設(shè)備之間最普遍的數(shù)據(jù)通信方式?，F(xiàn)代化集中管理需要對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行管理，同時又要求對現(xiàn)場裝置進行實時控制，但單片機的計算能力有限，難以進行復(fù)雜數(shù)據(jù)處理，因此在功能復(fù)雜的控制系統(tǒng)中，通常以PC機為上位機，微控制器為下位機，由微控制器完成數(shù)據(jù)的采集及對裝置的控制，而由上位機完成各種復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理及對單片機的控制。上下位機之間必須實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，才可以實現(xiàn)上述功能，因而目前上下位機通信技術(shù)越來越得到重視，此項技術(shù)也得到了快速發(fā)展。因此進行單片機與PC機接口的研究具有重要的意義。

1 硬件設(shè)計

MSP430系列單片機是由TI公司生產(chǎn)的16位的單片機，具有高集成度、超低功耗、強大的處理能力和豐富的外圍模塊的特點［1］。MSP430F169單片機工作電壓為1.8～3.6 V，具有獨特的片外雙時鐘系統(tǒng)設(shè)計;擁有豐富的中斷源可以任意嵌套;集成了多通道12位的A/D轉(zhuǎn)換、片內(nèi)精密比較器、串行通信接口（USART）、硬件乘法器、片內(nèi)數(shù)控振蕩器（DCO）、DMA控制器;具有JTAG接口，可串行在線編程，無需外部編程電壓，可迅速完成程序的在線調(diào)試和及時修改，大大提高了效率。當(dāng)系統(tǒng)處于省電模式時，喚醒時間小于6 μs，可滿足實時性要求高的場合［2］。

FT245BM芯片是FTDI公司生產(chǎn)的一種USB接口芯片，主要功能是進行USB和并行I/O口之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換。芯片一方面可從主機通過USB串行總線接收數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為并行I/O口的數(shù)據(jù)流格式發(fā)送給外設(shè)，另一方面外設(shè)可通過并行I/O口將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為USB串行數(shù)據(jù)格式傳回主機［3］。中間的轉(zhuǎn)換工作全部由芯片自動完成，開發(fā)者無需考慮固件設(shè)計。硬件連接示意圖如圖1所示。

圖1 硬件連接示意圖

2 界面設(shè)計

界面窗口采用Visual Basic（簡稱VB）設(shè)計。VB是由微軟公司推出的一套完整的軟件開發(fā)工具，用于開發(fā)Windows環(huán)境下的應(yīng)用程序，是一種可視化、真正面向?qū)ο?、采用事件?qū)動方式的結(jié)構(gòu)化高級程序設(shè)計語言和工具的完美集成。它編程簡單、方便、功能強大，具有與其它語言及環(huán)境的良好接口，在程序界面設(shè)計、多媒體開發(fā)方面更是獨具優(yōu)勢［4］。程序流程圖如圖2所示。

3 通信模式

3.1 通信模式框圖

系統(tǒng)分為上位機、FT245BM芯片、單片機、外部設(shè)備四個部分。單片機控制外部設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)命令，F(xiàn)T245BM芯片承擔(dān)單片機與主機之間數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換，主機界面主要負責(zé)數(shù)據(jù)發(fā)送、接收和顯示。通信模式框圖如圖3所示。

圖2 界面設(shè)計流程圖

圖3 通信模式框圖

3.2 通信模式

通過界面窗口發(fā)送命令，命令經(jīng)由FT245BM芯片為單片機接收，單片機根據(jù)命令控制外設(shè)工作，并將所得結(jié)果傳送回界面窗口顯示。本例中外設(shè)采用溫度傳感器DS18B20進行溫度采集并存儲數(shù)據(jù)。

DS18B20是DALLAS公司推出的一線式數(shù)字溫度傳感器，具有超小的體積，超低的硬件開銷，且抗干擾能力強，其測量溫度值能被直接讀出，工作電源既可在遠端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生。根據(jù)FT245BM芯片的讀時序［5］，作者寫了Read245程序，該程序功能是從FT245芯片中讀一個字節(jié)。

上位機界面發(fā)送數(shù)據(jù)，經(jīng)由FT245BM芯片，為單片機接收，從而對外部設(shè)備進行相應(yīng)操作。在此通信模式下，對FT245BM芯片進行的是寫操作，且芯片本身具有寫時序，作者寫的Write245程序即是對FT245BM芯片寫一個字節(jié)。

4 實驗結(jié)果

4.1 實驗結(jié)果

PC機通過界面發(fā)送命令，下位機數(shù)據(jù)接收采用的是中斷方式，每次中斷只接收一個字節(jié)，接收完一個字節(jié)，接收中斷置位，在下一個機器周期，CPU查詢此標(biāo)志為1時，就會產(chǎn)生中斷，從而進入接收中斷程序，且上位機發(fā)送數(shù)據(jù)時以“ST+”為標(biāo)志符。例如發(fā)送“ST+QD1”，即是要求單片機控制DS18B20采集數(shù)據(jù)，即發(fā)送命令圖如圖4所示。

圖4 發(fā)送命令圖

單片機控制DS18B20芯片進行溫度采集，然后經(jīng)由FT245BM芯片將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為USB串行數(shù)據(jù)格式，并通過串口顯示在PC機界面上。界面顯示如圖5所示。

圖5 溫度顯示圖

4.2 實驗思考

在本次串口通信的研究中，通過與其它串口芯片相比較，F(xiàn)T245BM芯片具有以下優(yōu)點:

（1）FT245BM芯片的USB總線傳輸速度快、占用資源少。USB最大傳輸率可達480 Mbps。其它的串行通信接口，如RS232接口的傳輸速率較低，異步傳輸時，波特率也僅為200 kbps，RS485接口的傳輸速率盡管有所提高，最大也只能到10 Mbps。

（2）USB接口支持熱插拔，這樣FT245芯片可以與主機安全地連接或斷開，真正做到即插即用。

（3）FT245芯片的USB接口可以為設(shè)備供電，耗電比較少的設(shè)備可以通過USB口直接取電。對于耗電量稍大的，可以通過USB接口，接入電感等電路元件，就可以給單片機供電，從而簡化了電路，降低了干擾。

（4）FT245BM芯片配有一個虛擬串行口VCR驅(qū)動程序。該虛擬串口可以像一個標(biāo)準(zhǔn)的物理串口那樣被訪問，用戶可以方便地在這虛擬串口上進行應(yīng)用程序的開發(fā)。

5 結(jié)束語

以MSP430單片機為下位機與以PC機為上位機的雙向串口通信，可以將問題分步驟分類別解決，大大提高了工作效率。下位機負責(zé)數(shù)據(jù)的采集和存儲，而較為復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理則可以分離出來給運算控制功能強大的上位機處理，同時通過上位機界面可以顯示處理結(jié)果，也可以控制下位機以及外設(shè)工作。因而通過FT245BM芯片的上下位機通信具有很好的運用前景。

［1］洪利，章?lián)P，李世寶.MSP430單片機原理與應(yīng)用實例詳解［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

［2］李自珍，郭寶安.MSP430系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)構(gòu)設(shè)計與選型［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2007（7）:11-13.

［3］郭玉輝，王彥瑜，喬衛(wèi)民，等.嵌入式微機在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.工業(yè)儀表與自動化裝置，2005（2）:17-19.

［4］徐國智.SQL Server數(shù)據(jù)庫開發(fā)實例精粹［J］.山西交通科技，1997（8）:18-2.

［5］王磊，陸珉，黃春琳，等.基于USB接口的探地雷達數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［J］.微處理機，2009（6）:103-110.