引言
在單片機(jī)系統(tǒng)中,串口（uart,通用異步收發(fā)接口）是一個(gè)非常重要的組成部分。通常使用單片機(jī)串口通過(guò)rs232/rs485電平轉(zhuǎn)換芯片與上位機(jī)連接,以進(jìn)行上位機(jī)與下位機(jī)的數(shù)據(jù)交換、參數(shù)設(shè)置、組成網(wǎng)絡(luò)以及各種外部設(shè)備的連接等。rs232/rs485串行接口總線具有成本低、簡(jiǎn)單可靠、容易使用等特點(diǎn),加上其歷史悠久,所以目前應(yīng)用仍然非常廣泛;特別對(duì)于數(shù)據(jù)量不是很大的場(chǎng)合,串口通信仍然是很好的選擇,有著廣闊的使用前景。
在單片機(jī)編程中,串口占了很重要的地位。傳統(tǒng)方式串口程序的調(diào)試,往往是利用專(zhuān)用的單片機(jī)硬件仿真器。在編寫(xiě)好程序后,利用仿真器來(lái)設(shè)置斷點(diǎn),觀察變量和程序的流程,逐步對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試,修正錯(cuò)誤。使用硬件仿真器的確是很有效的方法,但是也有一些缺點(diǎn)：
◆ 很多仿真器不能做到完全硬件仿真,因而會(huì)造成仿真時(shí)正常,而實(shí)際運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤的情況;也有仿真不能通過(guò),但是實(shí)際運(yùn)行正常的情況。
◆ 對(duì)于一些較新的芯片或者是表面貼裝的芯片,要么沒(méi)有合適的仿真器或仿真頭;要么就是硬件仿真器非常昂貴,且不容易買(mǎi)到。
◆ 有時(shí)由于設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)空間的限制,仿真頭不方便接入。
◆ 有的仿真器屬于簡(jiǎn)單的在線仿真型,仿真時(shí)有很多限制。例如速度不高,實(shí)時(shí)性或穩(wěn)定性不好,對(duì)斷點(diǎn)有限制等,造成仿真起來(lái)不太方便。
1 調(diào)試前的準(zhǔn)備工作
下面介紹一種利用keil的軟件仿真功能來(lái)實(shí)現(xiàn)51單片機(jī)串口調(diào)試用戶(hù)程序的方法。使用這種方法,無(wú)需任何硬件仿真器,甚至都不需要用戶(hù)電路板。所需的只是：
�、� 硬件。１臺(tái)普通計(jì)算機(jī)（需要帶有2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)串口）和１根串口線（兩頭都是母頭,連線關(guān)系如圖1所示）。
② 串口軟件可以是自己編寫(xiě)的專(zhuān)用調(diào)試或上下位機(jī)通信軟件,也可以是通用的串口軟件(如串口助手、串口調(diào)試等),主要用來(lái)收發(fā)數(shù)據(jù)。如果沒(méi)有合適的串口調(diào)試軟件,則可使用筆者編寫(xiě)的一個(gè)免費(fèi)的串口小工具turbocom。除了與其他軟件一樣的數(shù)據(jù)收發(fā)功能外,它還有定時(shí)輪流發(fā)送自定義數(shù)據(jù)幀和自動(dòng)應(yīng)答（接收到指定數(shù)據(jù)幀后,自動(dòng)返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀）這兩個(gè)很有用的功能,特別適合于老化測(cè)試。這個(gè)小工具可以從http: //shaoziyang.bloger.com.cn下載。
2 基本調(diào)試命令介紹
這個(gè)串口調(diào)試方法主要是利用了keil強(qiáng)大的軟件仿真功能。在新版本（高于6.0）的keil軟件中,增強(qiáng)了軟件的仿真能力,可以利用軟件仿真更多的單片機(jī)功能。在這些功能中,其中有一個(gè)很重要的功能就是利用計(jì)算機(jī)的串口來(lái)模擬單片機(jī)的串口（這不同于很多軟件在仿真時(shí)使用的激勵(lì)文件方式,可以直接與其他串口進(jìn)行通信,更加方便、靈活）。首先要介紹仿真時(shí)需要使用的兩個(gè)命令：assign和mode。
2.1 assign命令
將單片機(jī)的串口綁定到計(jì)算機(jī)的串口。基本使用方式為：
assign channel<inreg>outreg
其中： channel代表計(jì)算機(jī)的串口,可以是com1、com2、com3或com4;而inreg和outreg代表單片機(jī)的串口。對(duì)于只有一個(gè)串口的普通單片機(jī),即sin和sout;對(duì)于有兩個(gè)或者多個(gè)串口的單片機(jī),即snin和snout（n=0,1,…即單片機(jī)的串口號(hào)）。
圖1 串口連線示意圖
例如：
assign com1<sin>sout
將計(jì)算機(jī)的串口1綁定到單片機(jī)的串口（針對(duì)只有一個(gè)串口的單片機(jī)）。
assign com2<s0in>s0out
將計(jì)算機(jī)的串口2綁定到單片機(jī)的串口0（針對(duì)有多個(gè)串口的單片機(jī),注意串口號(hào)的位置）。
需要注意的是,參數(shù)的括號(hào)是不能省略的,而outreg則是沒(méi)有括號(hào)的。
2.2 mode命令
設(shè)置被綁定計(jì)算機(jī)串口的參數(shù)�；臼褂梅绞綖椋�
mode comx baudrate, parity, databits, stopbits
其中： comx（x = 1,2,…）代表計(jì)算機(jī)的串口號(hào);baudrate代表串口的波特率;parity代表校驗(yàn)方式;databits代表數(shù)據(jù)位長(zhǎng)度;stopbits代表停止位長(zhǎng)度。
例如：
mode com1 9600, n, 8, 1
設(shè)置串口1。波特率為9 600,無(wú)校驗(yàn)位,8位數(shù)據(jù),1位停止位。
mode com2 19200, 1, 8, 1
設(shè)置串口2。波特率為19 200,奇校驗(yàn),8位數(shù)據(jù),1位停止位。
使用以上兩個(gè)命令,就能夠?qū)⒂?jì)算機(jī)的串口模擬成單片機(jī)的串口了。在進(jìn)行軟件仿真時(shí),所有發(fā)送到被綁定的計(jì)算機(jī)串口上的數(shù)據(jù)都會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)到keil模擬的單片機(jī)串口上,用戶(hù)程序可以通過(guò)中斷處理程序或查詢(xún)方式接收到這些數(shù)據(jù);同樣,單片機(jī)程序中發(fā)送到單片機(jī)串口上的數(shù)據(jù)也會(huì)通過(guò)被綁定的計(jì)算機(jī)串口發(fā)送出來(lái),可以被其他軟件所接收。利用這個(gè)特點(diǎn),就可以方便地仿真、調(diào)試單片機(jī)的串口部分程序。要注意的是,這兩個(gè)命令需要一起使用。
2.3 仿真步驟
首先,用串口線將計(jì)算機(jī)的兩個(gè)串口連接起來(lái)（或者是兩臺(tái)計(jì)算機(jī)上的兩個(gè)串口）。這兩個(gè)串口一個(gè)用來(lái)模擬單片機(jī)串口,另一個(gè)給調(diào)試程序使用。這個(gè)由用戶(hù)自己分配,沒(méi)有特殊要求。
其次,編寫(xiě)好用戶(hù)程序,并編譯通過(guò)。
然后,設(shè)置工程文件（project）的相關(guān)參數(shù),如圖2和圖3所示。主要是選擇軟件仿真模式（use simulator）以及晶振參數(shù)。
圖2 仿真參數(shù)設(shè)置
為了不必每次進(jìn)入仿真狀態(tài)后,都需要輸入串口參數(shù)設(shè)置命令,可以建立一個(gè)初始化文件。初始化文件是一個(gè)普通的文本文件,內(nèi)容就是仿真時(shí)需要的命令,按照順序一行輸入一條。如圖2所示,建立了一個(gè)debug.ini的初始化文件。這樣,當(dāng)每次進(jìn)入仿真調(diào)試狀態(tài)時(shí),keil就會(huì)自動(dòng)載入debug.ini 的內(nèi)容進(jìn)行初始化。
圖3 晶振參數(shù)設(shè)置
為了正確仿真串口,在軟件仿真調(diào)試時(shí),在用戶(hù)的keil工程文件的屬性中,還需要設(shè)置實(shí)際使用的晶振頻率。這個(gè)參數(shù)非常重要,直接影響通信的波特率,可以按照實(shí)際使用的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。要注意,這個(gè)參數(shù)的單位是mhz。
設(shè)置好參數(shù)后,就可以進(jìn)行仿真了。單擊工具欄的圖標(biāo)進(jìn)入debug（仿真調(diào)試）狀態(tài),在output window窗口中的command文本框（一般是在左下角）中輸入上面介紹的命令。例如,將pc機(jī)的串口1設(shè)置為單片機(jī)的串口：
mode com1 9600,0,8,1
assign com1 <sin> sout
然后設(shè)置斷點(diǎn),一般是在關(guān)鍵地方或與串口相關(guān)聯(lián)的地方設(shè)置。再單擊圖標(biāo)運(yùn)行（run）用戶(hù)程序,使用戶(hù)程序運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)（不然是接收不到串口數(shù)據(jù)的）。這時(shí)再使用串口調(diào)試軟件或用戶(hù)調(diào)試軟件,發(fā)送通信命令或者數(shù)據(jù)包,看用戶(hù)程序是否進(jìn)入斷點(diǎn),以及相關(guān)的變量是否正確。還可以有意發(fā)送帶有錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包,以觀察用戶(hù)程序的異常處理部分是否正常。一旦發(fā)現(xiàn)程序中的錯(cuò)誤,可以馬上停止仿真調(diào)試,立即修改代碼,然后再次重復(fù)上面的步驟進(jìn)行仿真。因?yàn)椴恍枰c用戶(hù)目標(biāo)板聯(lián)機(jī),也不用下載代碼到用戶(hù)板上,所以速度非常高。以上這些步驟和使用硬件仿真器的基本一樣,只不過(guò)現(xiàn)在使用的是軟件仿真。
需要注意的是：仿真時(shí)單片機(jī)串口實(shí)際的波特率由mode命令來(lái)指定,單片機(jī)程序中的tmod、scon等參數(shù)是不影響串口仿真狀態(tài)的（也就是說(shuō)這些參數(shù)不影響仿真的波特率,即使它們是錯(cuò)誤的）。但是中斷的使能位（如es、ea等）還是起作用的,如果es或ea被禁止,那么就不會(huì)進(jìn)入串口中斷。
因?yàn)檫@種方法是利用計(jì)算機(jī)的串口來(lái)仿真單片機(jī)的串口,而仿真是通過(guò)keil軟件來(lái)轉(zhuǎn)換串口上的數(shù)據(jù),不是直接轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的,所以在實(shí)際仿真時(shí),處理速度會(huì)比實(shí)際單片機(jī)運(yùn)行時(shí)稍微低一點(diǎn)。比方說(shuō)仿真狀態(tài)時(shí)1 s只能發(fā)送/接收10個(gè)數(shù)據(jù)幀,但在單片機(jī)硬件上運(yùn)行時(shí)可能1 s就可以接收/發(fā)送50個(gè)數(shù)據(jù)幀。這與使用的計(jì)算機(jī)的速度有關(guān),但對(duì)仿真來(lái)說(shuō),是沒(méi)有任何影響的。
對(duì)于多串口的單片機(jī),從理論上來(lái)說(shuō),可以一次綁定多個(gè)串口,只要計(jì)算機(jī)有足夠多的串口�；旧�,使用這種方法需要占用計(jì)算機(jī)的串口數(shù)量是單片機(jī)綁定串口的2倍。一個(gè)串口被keil占用,用來(lái)模擬單片機(jī)的串口;另外一個(gè)串口被計(jì)算機(jī)占用,用來(lái)給單片機(jī)的串口收發(fā)數(shù)據(jù)。
3 小結(jié)
這里介紹的方法對(duì)c51和匯編語(yǔ)言都是適合的。它最大的好處就是簡(jiǎn)單、方便,容易使用,不需要使用任何電路,也沒(méi)有特殊的要求;甚至可以在硬件電路制作好之前就將串口部分的程序編寫(xiě)、調(diào)試完畢。筆者使用這種方法已經(jīng)很長(zhǎng)時(shí)間了,事實(shí)證明這種方法確實(shí)非常有效。其實(shí)對(duì)于51單片機(jī),keil的仿真功能實(shí)在是太強(qiáng)大了,只要充分掌握其特點(diǎn),能夠熟練利用它,就可以解決工作中的大部分問(wèn)題。很多工作都可以使用軟件仿真來(lái)完成,根本無(wú)需任何硬件仿真器;只有一些新的外部器件的時(shí)序、接口的調(diào)試才有可能需要用到硬件仿真器。目前介紹keil軟件仿真這方面的參考書(shū)籍很少,有些講的還是老版本的用法,不過(guò)沒(méi)有關(guān)系,keil的幫助文件寫(xiě)得很詳細(xì)、很清楚,只要認(rèn)真看明白就會(huì)使用了。使用熟練后,就會(huì)發(fā)現(xiàn)keil的功能相當(dāng)強(qiáng)。
對(duì)于串口編程,51單片機(jī)有keil這個(gè)功能強(qiáng)大的開(kāi)發(fā)軟件,給我們帶來(lái)了極大的便利;而在其他單片機(jī)軟件的開(kāi)發(fā)中,目前還沒(méi)有這么強(qiáng)大的開(kāi)發(fā)工具和方便的調(diào)試手段。這里有個(gè)變通的辦法,就是可以先在keil中編寫(xiě)并調(diào)試好串口程序,然后將程序移植到其他單片機(jī)平臺(tái)中（筆者在pic18單片機(jī)開(kāi)發(fā)中就使用了這種方法,收到了很好的效果。當(dāng)然這是指在使用c語(yǔ)言開(kāi)發(fā)單片機(jī)程序時(shí),匯編語(yǔ)言是沒(méi)有可移植性的）。至于如何能夠減小程序移植的工作量,使得程序具有更好的通用性,以最小的代價(jià)就可以平滑地移植到其他單片機(jī)平臺(tái)上,也是一個(gè)非常值得探討的問(wèn)題。另外,為了方便初學(xué)者掌握這種方法,筆者專(zhuān)門(mén)做了一個(gè)例子程序,放在http://shaoziyang.bloger.com.cn上,可以用來(lái)練習(xí)。
