零成本学Arduino单片机之串行通讯
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发表于 2012/11/22 14:18:41
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一、前言
串口通信（Serial Communications）的概念非常简单，串口按位（bit）发送和接收字节。尽管比按字节（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。它很简单并且能够实现远距离通信。
进行串行通信，一般应该有两个计算机，两个程序，利用一条串行通信电缆，互相“全双工”的传送信息。
利用 PROTEUS 软件，做串行通信实验会很方便，Proteus仿真可以把一个或者两台计算机的硬件功能仿真出来，除了一台PC机运行仿真软件，不用任何其它硬件投入了，就可以进行RS232协议下的通讯实验。
二、Proteus界面中的虚拟终端与Arduino单片机之间串行通讯的仿真方法
PROTEUS 软件中，含有多种虚拟仪器，其中有一个称为“虚拟终端”设备，这个设备可以和Arduino单片机进行全双工的通信。这个“虚拟终端”设备不需要编写一行程序，就可以完成收发字符任务，有点像我们常用的串口助手软件的作用。
其实，用两个 “虚拟终端”，连接上线路，它们也可以通信了。请看下图：
图1 “虚拟终端”功能演示
这是个最简单的“单工”串行通信系统，在这个系统里面并不需要单片机，不用装载程序。
点击Proteus ISIS仿真界面左下方的“播放”按钮，就会弹出两个“虚拟终端”的对话窗口，在左边的，只能键入字符，不能显示字符，刚键入的字符，将会传输的右边窗口中，在右边显示出来。
通过单工通信的例子介绍了“虚拟终端”的功能，接着通过一个实例了解下“虚拟终端”如何配合Arduino单片机做通讯实验的。
Arduino串行通讯实例任务是：调节电位计滑动抽头与地之间的电压，并把电压值显示在一个“虚拟终端”里。同时，通过另一个“虚拟终端”输入字符'a'，发送到Arduino单片机，让与之相连的LED灯点亮，输入字符'b',让LED灯熄灭。如图2所示。
任务的仿真全景图：
图2 “虚拟终端”与Arduino单片机串行通讯演示
任务的仿真视频：
全屏观看，点击网址：
上面图片和视频展示的是“虚拟终端”与Arduino单片机之间的串行通讯，两者都在同一个仿真界面中。同样的任务也可以采用另一种“上下位机”的方式来仿真。
三、Arduino IDE编程界面中的串口监视器与Proteus仿真图中的Arduino单片机之间串行通讯的仿真方法
现在，进一步研究，上下位机的串行通讯仿真，上位机软件采用Arduino IDE编程环境的串口监视器，下位机是Proteus ISIS仿真界面中的Arduino单片机，上下位机串行通讯仿真实验全景图如下。
图 3 Arduino IDE中的串口监视器与Proteus中的Arduino单片机串口通讯演示
视频：
Proteus界面中的下位机Arduino单片机与上位机软件进行串行通讯，并没有硬件连接，需要通过某种软件虚拟出两个相互连接的串口，一个串口分配给Arduino单片机，另一个串口分配给上位机串口监控软件，在虚拟环境下，让两者能够完成上下位机的串行通讯。这种软件就是VSPD虚拟串口驱动软件。如下图所示。
图 4 VSPD虚拟串口驱动软件使用方法
VSPD虚拟串口驱动软件请下载：http://115.com/file/eizd0usu。
下载和安装软件，添加补丁，然后运行程序，出现上图界面。在界面的First选项中选择COM7，在Second选项中选择COM8（当然也可以选择其它串口号配对，前提是被选串口原先是闲置的串口，没有被占有），然后单击Add pair 按钮，这两个串口会立即出现界面左侧的Vitual Port目录下，且会有“串口线”将它们连接起来。这时，如果打开PC的设备管理器，你会发现多出了两个串口，如下图所示。
图5 虚拟串口在PC的设备管理器中的显示
在设备管理器看到了虚拟出的两个串口了，问题是具体如何把串口COM7分配给Arduino单片机，如何把COM8分配给Arduino IDE编程软件的串口监视器。
要把串口COM7分配给Proteus仿真环境下的Arduino单片机，需要用到COMPIM串口连接器组件，这个组件可以从Proteus的元件模式库里找到。如下图。
图6 COMPIM串口连接器组件的提取方法
先选择元件模式库，再点击“P”按钮，打开元件查询提取对话框，可以在对话框左上方的关键字输入栏里输入元件名称：COMPIM，回车后，在结果中可以很容易地找到所需组件。找到后双击COMPIM组件，就可以把它提取到Proteus ISIS界面左侧的DEVICES栏中，供电路图绘制时随时选用，
点选DEVICES栏的COMPIM组件，放置到电气原理图中，然后双击它，随之出现COMPIM组件的编辑元件窗口，在窗口中就可以把COM7虚拟串口关联到Arduino单片机电路中了。下图中我用红色矩形框标注了，COM7串口设置在编辑元件窗口中的位置。
图7 虚拟串口COM7分配给Proteus环境下Arduino单片机的方法
然后，介绍如何把COM8分配给Arduino IDE编程软件的串口监视器。打开Arduino IDE编程软件，点击菜单栏中的Tools菜单选项，在下拉菜单栏选择Serial→COM8，这样就可以把COM8串口与Arduino IDE编程软件的串口监视器关联起来了。
图8 虚拟串口COM8分配给Arduino IDE编程界面下串口监视器的方法
双击Arduino IDE工具栏的“Serial Monitor”工具图标，会打开串口监视器窗口。如果运行图3所示任务的程序，在窗口中，会看到电位计的电压值实时变化，你在“Send”输入栏里，输入‘a’字符，Proteus仿真图的LED灯会点亮，输入‘b’字符，LED会熄灭。这说明COM7和COM8这两个虚拟串口能正确仿真串行通讯，就好像两个物理串口在通讯一样。
图9 Arduino IDE编程界面的串口监视器
对于Arduino IDE编程界面的串口监视器，你不需要为它编写程序，它本身就可以实现字符收发的功能，你用Arduino编程界面编写的程序是Proteus仿真图中Arduino单片机的串行通讯程序，以及电位计电压值采集和LED灯亮灭输出的程序。程序如下。
/*任务：调节电位计滑动抽头与地之间的电压，并把
电压值显示在上位机Arduino IDE编程环境的串口监视器里。
同时，通过串口监视器输入字符'a',发送到Proteus环境下的
下位机Arduino单片机，让与之相连的LED灯熄灭。
*/
int led=9; //把LED连在Arduino数字端口9
int potpin = 0; //把电位计连在Arduino模拟端口0
//初始化
void setup()
{
Serial.begin(9600); //启动串行通讯，波特率为9600b/s
pinMode(led,OUTPUT); //申明数字端口9为输出端口
digitalWrite(led,HIGH); //初始化LED灯为熄灭状态
}
//主程序
void loop()
{
float sensorValue = analogRead(potpin); //读取电位计采样值
float voltage=sensorValue/1023*5;//采样值0-1024转换为0-5V电压值
Serial.print("voltage = ");//在Arduino IDE的串口监视器实时显示电压值
Serial.print(voltage);
Serial.println(" V");
char val;//定义变量val，用于暂存上位机发送来的字符
if(Serial.available()>0)//如果上位机发送来了字符
{
val=Serial.read(); //读取上位机发来的字符，并保存到val
Serial.println(val); //显示接受到的字符
if(val=='a')//如果上位机发送字符'a'，
{
digitalWrite(led,LOW); //点亮LED灯
}
if(val=='b')//如果上位机发送字符'b'，
{
digitalWrite(led,HIGH);//熄灭LED灯
}
}
delay(100);//延时100ms
}
把两个计算机的串口波特率都设置为9600b/s，COM7和COM8正确分配给上、下位计算机，再运行以上程序，就会看到视频中展示得那样的实验现象。
文章中介绍的两个仿真项目的Proteus仿真图供下载（Proteus 7.6版本）：
Proteus仿真图下载.zip。
Proteus仿真图下载.zip。
四、结束语
单看这篇文章应该理解Arduino单片机串行通讯仿真流程，但按照文章内容照着做仿真实验，应该还需要了解些Arduino单片机仿真的基础知识，例如hex机器码文件如何加载，Arduino单片机的工作参数如何设置等，这需要参看《零成本学Arduino单片机之入门》 一文，文章地址：http://blog.chinaaet.com/detail/30302.html。
Arduino在国外创客界十分流行，但在国内才刚刚起步，所以如何让越来越多的DIY爱好者进入Arduino大门，就需要降低这扇大门的门槛。降低门槛不仅仅是Arduino的易学好用和丰富网络共享，还有就是要降低初学者的硬件成本投入，如何解决少花钱，而多学习Arduino，Proteus仿真是一个很好的途径。
