零成本學(xué)Arduino單片機(jī)之串行通訊 2012-11-22 18:06
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一、前言
串口通信（Serial Communications）的概念非常簡(jiǎn)單，串口按位（bit）發(fā)送和接收字節(jié)。盡管比按字節(jié)（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根線發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)用另一根線接收數(shù)據(jù)。它很簡(jiǎn)單并且能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。
進(jìn)行串行通信，一般應(yīng)該有兩個(gè)計(jì)算機(jī)，兩個(gè)程序，利用一條串行通信電纜，互相“全雙工”的傳送信息。
利用 PROTEUS 軟件，做串行通信實(shí)驗(yàn)會(huì)很方便，Proteus仿真可以把一個(gè)或者兩臺(tái)計(jì)算機(jī)的硬件功能仿真出來，除了一臺(tái)PC機(jī)運(yùn)行仿真軟件，不用任何其它硬件投入了，就可以進(jìn)行RS232協(xié)議下的通訊實(shí)驗(yàn)。
二、Proteus界面中的虛擬終端與Arduino單片機(jī)之間串行通訊的仿真方法
PROTEUS 軟件中，含有多種虛擬儀器，其中有一個(gè)稱為“虛擬終端”設(shè)備，這個(gè)設(shè)備可以和Arduino單片機(jī)進(jìn)行全雙工的通信。這個(gè)“虛擬終端”設(shè)備不需要編寫一行程序，就可以完成收發(fā)字符任務(wù)，有點(diǎn)像我們常用的串口助手軟件的作用。
其實(shí)，用兩個(gè) “虛擬終端”，連接上線路，它們也可以通信了。請(qǐng)看下圖：
(雙擊圖片，都可以放大觀看！)
圖1 “虛擬終端”功能演示
這是個(gè)最簡(jiǎn)單的“單工”串行通信系統(tǒng)，在這個(gè)系統(tǒng)里面并不需要單片機(jī)，不用裝載程序。
點(diǎn)擊Proteus ISIS仿真界面左下方的“播放”按鈕，就會(huì)彈出兩個(gè)“虛擬終端”的對(duì)話窗口，在左邊的，只能鍵入字符，不能顯示字符，剛鍵入的字符，將會(huì)傳輸?shù)挠疫叴翱谥?，在右邊顯示出來。
通過單工通信的例子介紹了“虛擬終端”的功能，接著通過一個(gè)實(shí)例了解下“虛擬終端”如何配合Arduino單片機(jī)做通訊實(shí)驗(yàn)的。
Arduino串行通訊實(shí)例任務(wù)是：調(diào)節(jié)電位計(jì)滑動(dòng)抽頭與地之間的電壓，并把電壓值顯示在一個(gè)“虛擬終端”里。同時(shí)，通過另一個(gè)“虛擬終端”輸入字符'a'，發(fā)送到Arduino單片機(jī)，讓與之相連的LED燈點(diǎn)亮，輸入字符'b',讓LED燈熄滅。如圖2所示。
任務(wù)的仿真全景圖：
圖2 “虛擬終端”與Arduino單片機(jī)串行通訊演示
任務(wù)的仿真視頻：
全屏觀看，點(diǎn)擊網(wǎng)址：
http://www.tudou.com/v/7MECzdalcz4/&rpid=96368873&resourceId=96368873_04_05_99/v.swf上面圖片和視頻展示的是“虛擬終端”與Arduino單片機(jī)之間的串行通訊，兩者都在同一個(gè)仿真界面中。同樣的任務(wù)也可以采用另一種“上下位機(jī)”的方式來仿真。
三、Arduino IDE編程界面中的串口監(jiān)視器與Proteus仿真圖中的Arduino單片機(jī)之間串行通訊的仿真方法
現(xiàn)在，進(jìn)一步研究，上下位機(jī)的串行通訊仿真，上位機(jī)軟件采用Arduino IDE編程環(huán)境的串口監(jiān)視器，下位機(jī)是Proteus ISIS仿真界面中的Arduino單片機(jī)，上下位機(jī)串行通訊仿真實(shí)驗(yàn)全景圖如下。
圖 3 Arduino IDE中的串口監(jiān)視器與Proteus中的Arduino單片機(jī)串口通訊演示
視頻：
全屏觀看，點(diǎn)擊網(wǎng)址：
http://www.tudou.com/v/dUFtwvQrnTE/&rpid=96368873&resourceId=96368873_04_05_99/v.swf。
Proteus界面中的下位機(jī)Arduino單片機(jī)與上位機(jī)軟件進(jìn)行串行通訊，并沒有硬件連接，需要通過某種軟件虛擬出兩個(gè)相互連接的串口，一個(gè)串口分配給Arduino單片機(jī)，另一個(gè)串口分配給上位機(jī)串口監(jiān)控軟件，在虛擬環(huán)境下，讓兩者能夠完成上下位機(jī)的串行通訊。這種軟件就是VSPD虛擬串口驅(qū)動(dòng)軟件。如下圖所示。
圖 4 VSPD虛擬串口驅(qū)動(dòng)軟件使用方法
VSPD虛擬串口驅(qū)動(dòng)軟件請(qǐng)下載：
http://115.com/file/eizd0usu。
下載和安裝軟件，添加補(bǔ)丁，然后運(yùn)行程序，出現(xiàn)上圖界面。在界面的First選項(xiàng)中選擇COM7，在Second選項(xiàng)中選擇COM8（當(dāng)然也可以選擇其它串口號(hào)配對(duì)，前提是被選串口原先是閑置的串口，沒有被占有），然后單擊Add pair 按鈕，這兩個(gè)串口會(huì)立即出現(xiàn)界面左側(cè)的Vitual Port目錄下，且會(huì)有“串口線”將它們連接起來。這時(shí)，如果打開PC的設(shè)備管理器，你會(huì)發(fā)現(xiàn)多出了兩個(gè)串口，如下圖所示。
圖5 虛擬串口在PC的設(shè)備管理器中的顯示
在設(shè)備管理器看到了虛擬出的兩個(gè)串口了，問題是具體如何把串口COM7分配給Arduino單片機(jī)，如何把COM8分配給Arduino IDE編程軟件的串口監(jiān)視器。
要把串口COM7分配給Proteus仿真環(huán)境下的Arduino單片機(jī)，需要用到COMPIM串口連接器組件，這個(gè)組件可以從Proteus的元件模式庫里找到。如下圖。
圖6 COMPIM串口連接器組件的提取方法
先選擇元件模式庫，再點(diǎn)擊“P”按鈕，打開元件查詢提取對(duì)話框，可以在對(duì)話框左上方的關(guān)鍵字輸入欄里輸入元件名稱：COMPIM，回車后，在結(jié)果中可以很容易地找到所需組件。找到后雙擊COMPIM組件，就可以把它提取到Proteus ISIS界面左側(cè)的DEVICES欄中，供電路圖繪制時(shí)隨時(shí)選用，
點(diǎn)選DEVICES欄的COMPIM組件，放置到電氣原理圖中，然后雙擊它，隨之出現(xiàn)COMPIM組件的編輯元件窗口，在窗口中就可以把COM7虛擬串口關(guān)聯(lián)到Arduino單片機(jī)電路中了。下圖中我用紅色矩形框標(biāo)注了，COM7串口設(shè)置在編輯元件窗口中的位置。
圖7 虛擬串口COM7分配給Proteus環(huán)境下Arduino單片機(jī)的方法
然后，介紹如何把COM8分配給Arduino IDE編程軟件的串口監(jiān)視器。打開Arduino IDE編程軟件，點(diǎn)擊菜單欄中的Tools菜單選項(xiàng)，在下拉菜單欄選擇Serial→COM8，這樣就可以把COM8串口與Arduino IDE編程軟件的串口監(jiān)視器關(guān)聯(lián)起來了。
圖8 虛擬串口COM8分配給Arduino IDE編程界面下串口監(jiān)視器的方法
雙擊Arduino IDE工具欄的“Serial Monitor”工具圖標(biāo)，會(huì)打開串口監(jiān)視器窗口。如果運(yùn)行圖3所示任務(wù)的程序，在窗口中，會(huì)看到電位計(jì)的電壓值實(shí)時(shí)變化，你在“Send”輸入欄里，輸入‘a(chǎn)’字符，Proteus仿真圖的LED燈會(huì)點(diǎn)亮，輸入‘b’字符，LED會(huì)熄滅。這說明COM7和COM8這兩個(gè)虛擬串口能正確仿真串行通訊，就好像兩個(gè)物理串口在通訊一樣。
圖9 Arduino IDE編程界面的串口監(jiān)視器
對(duì)于Arduino IDE編程界面的串口監(jiān)視器，你不需要為它編寫程序，它本身就可以實(shí)現(xiàn)字符收發(fā)的功能，你用Arduino編程界面編寫的程序是Proteus仿真圖中Arduino單片機(jī)的串行通訊程序，以及電位計(jì)電壓值采集和LED燈亮滅輸出的程序。程序如下。
/*任務(wù)：調(diào)節(jié)電位計(jì)滑動(dòng)抽頭與地之間的電壓，并把
電壓值顯示在上位機(jī)Arduino IDE編程環(huán)境的串口監(jiān)視器里。
同時(shí)，通過串口監(jiān)視器輸入字符'a',發(fā)送到Proteus環(huán)境下的
下位機(jī)Arduino單片機(jī)，讓與之相連的LED燈熄滅。
*/
int led=9; //把LED連在Arduino數(shù)字端口9
int potpin = 0; //把電位計(jì)連在Arduino模擬端口0
//初始化
void setup()
{
Serial.begin(9600); //啟動(dòng)串行通訊，波特率為9600b/s
pinMode(led,OUTPUT); //申明數(shù)字端口9為輸出端口
digitalWrite(led,HIGH); //初始化LED燈為熄滅狀態(tài)
}
//主程序
void loop()
{
float sensorValue = analogRead(potpin); //讀取電位計(jì)采樣值
float voltage=sensorValue/1023*5;//采樣值0-1024轉(zhuǎn)換為0-5V電壓值
Serial.print("voltage = ");//在Arduino IDE的串口監(jiān)視器實(shí)時(shí)顯示電壓值
Serial.print(voltage);
Serial.println(" V");
char val;//定義變量val，用于暫存上位機(jī)發(fā)送來的字符
if(Serial.available()>0)//如果上位機(jī)發(fā)送來了字符
{
val=Serial.read(); //讀取上位機(jī)發(fā)來的字符，并保存到val
Serial.println(val); //顯示接受到的字符
if(val=='a')//如果上位機(jī)發(fā)送字符'a'，
{
digitalWrite(led,LOW); //點(diǎn)亮LED燈
}
if(val=='b')//如果上位機(jī)發(fā)送字符'b'，
{
digitalWrite(led,HIGH);//熄滅LED燈
}
}
delay(100);//延時(shí)100ms
}
把兩個(gè)計(jì)算機(jī)的串口波特率都設(shè)置為9600b/s，COM7和COM8正確分配給上、下位計(jì)算機(jī)，再運(yùn)行以上程序，就會(huì)看到視頻中展示得那樣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。
文章中介紹的兩個(gè)仿真項(xiàng)目的Proteus仿真圖供下載（Proteus 7.6版本）：
Proteus仿真圖下載.zip。
四、結(jié)束語
單看這篇文章應(yīng)該理解Arduino單片機(jī)串行通訊仿真流程，但按照文章內(nèi)容照著做仿真實(shí)驗(yàn)，應(yīng)該還需要了解些Arduino單片機(jī)仿真的基礎(chǔ)知識(shí)，例如hex機(jī)器碼文件如何加載，Arduino單片機(jī)的工作參數(shù)如何設(shè)置等，這需要參看《零成本學(xué)Arduino單片機(jī)之入門》 一文，文章地址：
http://www.eefocus.com/zhang700309/blog/12-10/287570_57f22.html 。
Arduino在國(guó)外創(chuàng)客界十分流行，但在國(guó)內(nèi)才剛剛起步，所以如何讓越來越多的DIY愛好者進(jìn)入Arduino大門，就需要降低這扇大門的門檻。降低門檻不僅僅是Arduino的易學(xué)好用和豐富網(wǎng)絡(luò)共享，還有就是要降低初學(xué)者的硬件成本投入，如何解決少花錢，而多學(xué)習(xí)Arduino，Proteus仿真是一個(gè)很好的途徑。
