基于DELPHI的PC机与单片机无线串口通讯--毕业设计

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摘要

本文设计了一种基于PC机与单片机构成的串口无线通讯方案，研究了实用的基于RS-232 串口的通信协议，并利用无线模块nRF905，探讨了FSK等调制方式。通过对方案的设计，可以利用单片机与PC机组建成低成本、可控性强、使用灵活的控制系统，在工程控制方面体现出单片机较PLC的优势，同时也可以由多台单片机构成无线通信网络，为通讯提供无线方案，并且降低了网络的开发成本，这为个人组建合适的通讯网络提供可行性方案。上位机控制平台采用DELPHI开发工具进行编写，所使用的DELPHI编程工具具有开发效率高、入门容易、开发周期短等特点，较之VB优势明显，更贴近英语格式。因控制系统需要根据具体的应用环境，本文只介绍了简单的事例应用，控制简单的单片机输入输出端口。

根据设计要求和功能实现，模拟调试了控制台控制终端，编写了控制台的

串口通讯控制软件，调试实现了串口通讯和无线通讯的结合，实现了理想的控制命令，介绍了编码方法以及在实验中运用了单片无线芯片。介绍了无线模块的设计及其应用电路的设计要求，阐述了串口无线通讯在控制中的运用，并且展望了串口无线通讯的发展与未来无限通讯的发展趋势。本文还提出了方案的二次开发和高级应用，为二次开发提供了软硬件的接口，实现了知识应用及专业技能的培养，为串口通讯提供了新的方向及发展前景。

关键词：RS-232； DELPHI；nRF905； AVR-MCU； 无线通讯电路

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Abstract

In this paper,the serial wireless-comunication which bassed on practical RS-232

serial

communication

protocol,

is

constituted

by

Personal

Computer-software and MCU, and using of wireless modules nRF905, which researchs FSK modulation and so on. The design of the program can be used to unit a systerm,which is controllability, flexible useful and controllable, with Microprocesser and Personal computer. It will no only reflect the advantages of Microprocesser than the PLC in engineering cyberne, but also can be constituted by numbers of Microprocesser with wireless communications chip to build a network communication program. The design provide a wireless programme, and reduce developing costs. It also provide a feasibility programme which is suitable for building private communication network.. Personal computer contol platform is built by DELPHI programming environment, which is used easily, high efficient, short development cycle and so on. The programming environment has many advantages than Visual Bassic programming environment, and it is more close to English. Because of cybernetic systerm being built bassing on practical application environment, The design only introduces a simple example application.

According to demant of design and function realization, the design simulated and debuged control platform and terminate-controlled, programmed control platform software by serail communication. The design carries out a programme which is combined by serial communication and wireless communication. It achieves ideable control command, and introduces the method coding. It is also experimented by using of a single-chip wireless chip and the function of wireless module circuit. The design advanced second-exploit and advantage application, provided second-exploit software and hadware interface. It also educated speciality knowledge and skills, exhibited programming software.

Keywords: RS-232; DELPHI; nRF905; AVR-MCU；

wireless-communication

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目 录

1 绪论 .................................................... - 1 -

1.1设计的背景和现状 ................................... - 1 - 1.2设计要求及目的 ..................................... - 2 - 1.3方案可行性分析 ..................................... - 2 - 2 系统概述 ................................................ - 3 -

2.1 串口通讯原理 ...................................... - 3 -

2.1.1 串口信号线的接法 ............................. - 3 - 2.2 数字信号调制解调方式介绍 .......................... - 4 -

2.2.1 ASK幅移键控法 ............................... - 5 - 2.2.2 PSK相移键控法 ............................... - 6 - 2.2.3 FSK频移键控法 ............................... - 6 - 2.2.4 QAM正交幅度调制法 ........................... - 7 - 2.2.5 MSK最小移频键控法 ........................... - 7 - 2.2.6 GMSK高斯滤波最小移频键控法 .................. - 8 - 2.3 系统框图 .......................................... - 8 - 2.4 上位机设计原理 .................................... - 9 -

2.4.1编译环境 ..................................... - 9 - 2.4.2上位机编写原理 .............................. - 12 -

第3章 各功能部件硬件设计 ................................ - 14 -

3.1 无线模块设计及应用 ............................... - 14 - 3.2 单片机串口通讯模块设计 ........................... - 16 - 3.3 演示电路工作原理及设计 ........................... - 20 - 4 软件流程设计 ........................................... - 22 -

4.1 上位机软件设计 ................................... - 22 - 4.2 单片机软件设计 ................................... - 23 - 4.3 无线模块驱动原理 ................................. - 25 -

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4.3.1 Shock Burst TX模式 ......................... - 26 - 4.3.2 ShockBurst RX模式 .......................... - 28 - 4.3.3曼彻斯特编码 ................................ - 30 -

5 调试实验 ............................................... - 32 -

5.1 上位机运行介绍及截图 ............................. - 32 - 5.2 下位机运行介绍及截图 ............................. - 33 - 6 总结和展望 ............................................. - 35 - 参考文献 ................................................. - 36 - 附录 ..................................................... - 37 - 致谢 ..................................................... - 51 -

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1 绪论

在计算机控制系统中，不可避免的要采用计算机串口进行通信。而在由一台PC机(上位机)和多台单片机(下位机)构成的分布式控制系统中，往往以PC 机为上位机完成较为复杂的数据处理和对前沿机的监督管理，以及对下位机进行多机协调；单片机主要执行上位机的命令，对来自微机串行口的命令进行操作，完成对被控对象的直接控制并把被控对象的信息上报给上位机。实现PC 机与多个单片机的通信有很多方法，其中通过PC 机的串口实现与多台单片机的通信是最方便的。在这样的分布式控制系统中，单片机与微机之间的通信是整个系统的关键。同时采用无线模块进行通讯范围和通讯灵活性的扩展。本文设计了在Windows 环境下利用Delphi开发微机与单片机通讯无线控制系统，并详细的介绍了无线通讯的原理和工作方式，并通过实物进行测试，验证了方案的可行性，为分布式无线控制系统的设计奠定了基础，并降低了对于大型系统开发周期长开发难度大的一般性问题。本文将详细的介绍基于DELPHI的PC机与单片机无线串口通讯，通过整体系统方案、无线通讯编码调制方法、单片机应用及程序设计等方面进行详细论述。

1.1设计的背景和现状

伴随着集成化工业控制系统的发展，各个控制部件间的通讯已提升到了相当重要的地位，而开发便捷、成本低廉的串口通讯方案被广泛的的运用于其中。例如工控经常使用到的PLC（Programmable Logic Controller）控制系统就是这样。串口通讯由于其可靠性高而被PLC（Programmable Logic Controller）所青睐。本文就是根据这个特性而设计的基于DELPHI的PC机与单片机串口无线通讯，将串口的使用更加灵活化，更加突出串口的优势，并且通过串口组建完善的控制网络。

就目前国内外串口通讯来看，串口通讯技术已经发展到了一定的高度，技

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术成果比较完善，但是使用没有无线网络的灵活性，系统受到了较大的限制，为此本着降低投入成本、实现无线通讯的原则，本文设计研究了改串口无线通讯。

1.2设计要求及目的

本设计以体现出串口通讯的灵活性和实用性为依托，以锻炼检验电子信息工程专业知识为要求，集中锻炼了电子设计在工程控制领域的运用，并运用了专业通讯中和信息的调制与解调有关的知识。充分的锻炼了毕业生的实践动手能力和专业业务运用能力，对于整个项目的管理和开发流程进行了一定的训练，并且结合实际运用的场所及运用的投入成本开发周期等，进行了基本的考察，另外也锻炼了上位机设计及应用软件编写。为工程运用打下了理论的基础，为进一步在无线局域网的组建奠定可行性论证。

1.3方案可行性分析

对于串口通讯的研究已经相当成熟，并且有相应的上位机控制端编写软件对其进行支持，因此对于与单片机串口通讯功能的实现较为容易。方案中所涉及到的无线通讯部分的设计，采用已经成熟的无限模块产品，确保了通讯的可行性，便于编写单片机控制程序和二次开发使用，将两者结合更能体现出串口通讯的实用性和可开发性，及无线通讯在通讯信道上的灵活性。而本设计所采用的Delphi编译环境更是为在Windows下的应用软件编写提供了更灵活广阔的前景，因此，本设计无论是在理论还是在实际的运用中都是有广阔的再发展空间的，为二次开发奠定了理论基础和基础模型。通过实践的检验，本设计是完全能够完成设计目的和设计要求的。

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2 系统概述

本设计所涉及的系统由上位机设计、单片机控制的串口更能模块、无线通讯模块和演示电路模块组成，其中上位机设计为应用软件编写部分，属于软件设计范畴；单片机控制的串口功能模块是串口通讯部分，另外也控制着无线模块的数据的收发及下位机功能部件，属于硬件设计及驱动编写部分；无线通讯模块为无线通讯模块，属于硬件电路设计；演示电路为功能电路，可根据下位机具体的功能而进一步更新，同时单片机也可以根据需要进行替换。本章将详细介绍各个功能部件的设计原理及应用的场合和环境。

2.1 串口通讯原理

串行端口的本质功能是作为CPU和串行设备间的编码转换器。当数据从 CPU经过串行端口发送出去时，字节数据转换为串行的位。在接收数据时，串行的位被转换为字节数据。同时要求设备之间的波特率数据位设置要相应，以保证通讯的正确性。

在Windows环境（Windows NT、Win98、Windows2000）下，串口是系统资源的一部分。应用程序要使用串口进行通信，必须在使用之前向操作系统提出资源申请要求，通信完成后必须释放资源。较为常用的是使用Windows下的API函数进行串口程序的编写，由于API函数的丰富性被大多数的程序员所青睐。另外一种方法是采用某些开发环境的功能组建进行编写，能够大大的缩短开发应用程序的周期。

2.1.1 串口信号线的接法

一个完整的RS-232接口有9根线，采用标准的9芯插头座。以下的介绍是以9芯的RS-232为例。

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① 主要信号线定义：

表2-1 DB9各引脚定义及功能

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引脚 1 2 3 4 5 6 7 8 9

②电气特性：

名称 CD RXD TXD DTR GND DSR RTS GTS RI

功能 数据载波检测DCD 接收数据RXD 发送数据TXD 数据终端就绪 信号地 数据设备就绪 请求发送 清除发送 振铃指示

数据传输速率最大可到20K bps，最大距离仅15m。 ③接口的典型应用：

在工业控制中串口一般采用三线制，即RXD、TXD、GND三根线，当下位机连接上这三根线即可以完成通讯，RS-232采用查分方式进行数据传输，其优点是抗干扰能力强，传输误差小。本设计采用此种接法，如有需要可以完全使用9线制的方式进行连接。

2.2 数字信号调制解调方式介绍

我国的调幅广播频率规定为中波从535--1605Mz，短波为2--30MHz，频道间隔为9KHz。即每个电台的频带宽度限制在9KHz内，也就是音频信号的高音频率限制在4.5KHz以下。

调频广播是调频波的载波随着音频调制信号的变化而在载波中心频率（未调制以前的中心频率）两边变化，每秒钟的频偏变化次数和音频信号的调制频率一致，如音频信号的频率为1KHZ，则载波的频偏变化次数也为每秒1K次。频偏的大小是随音频信号的振幅大小而定。

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在调频发射机中允许将最大频偏限制在75KHZ。我国的调频频率规定范围为88--108MHZ，本设计采用433MHz频率进行无线电信号的传输。

在数字通信的三种调制方式（ASK、FSK、PSK)中，就频带利用率和抗噪声性能（或功率利用率）两个方面来看，一般而言，都是PSK系统最佳。所以PSK在中、高速数据传输中得到了广泛的应用。

在本设计中无线通讯采用FSK调制方式，将数据调制传输，下文将详细介绍各种调制方法。

2.2.1 ASK幅移键控法

载波幅度是随着调制信号而变化的。其最简单的形式是，载波在二进制调制信号控制下通断， 这种方式还可称作通-断键控或开关键控(OOK)。

调制方法：用相乘器实现调制器。 调制类型：2ASK,MASK。 解调方法：相干法，非相干法。

MASK，又称多进制数字调制法。在二进制数字调制中每个符号只能表示0和1(+1或-1)。但在许多实际的数字传输系统中却往往采用多进制的数字调制方式。与二进制数字调制系统相比，多进制数字调制系统具有如下两个特点： 第一，在相同的信道码源调制中，每个符号可以携带log2M比特信息，因此，当信道频带受限时可以使信息传输率增加，提高了频带利用率。但由此付出的代价是增加信号功率和实现上的复杂性。 第二，在相同的信息速率下，由于多进制方式的信道传输速率可以比二进制的低，因而多进制信号码源的持续时间要比二进制的宽。加宽码元宽度，就会增加信号码元的能量，也能减小由于信道特性引起的码间干扰的影响等。

二进制2ASK与四进制MASK调制性能的比较：

在相同的输出功率和信道噪声条件下，MASK的解调性能随信噪比恶化的速度比OOK要迅速得多。这说明MASK应用对SNR的要求比普通OOK要高。在相同

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的信道传输速率下M电平调制与二电平调制具有相同的信号带宽。即在符号速率相同的情况下，二者具有相同的功率谱。

虽然，多电平MASK调制方式是一种高效率的传输方式，但由于它的抗噪声能力较差，尤其是抗衰落的能力不强，因而它一般只适宜在恒参信道下采用。

2.2.2 PSK相移键控法

根据数字基带信号的两个电平使载波相位在两个不同的数值之间切换的一种相位调制方法。 产生PSK信号的两种方法：

①调相法：将基带数字信号（双极性）与载波信号直接相乘的方法。 ②选择法：用数字基带信号去对相位相差180度的两个载波进行选择。 两个载波相位通常相差180度，此时称为反向键控（PSK）。 S PSK =AS DIG (T)COS(W 0 T+O 0 ) 式中：S DIG (T)=1或-1 解调方法：只能采用相干解调。

类型：二进制相移键控（2PSK)，多进制相移键控（MPSK)。

2.2.3 FSK频移键控法

FSK是信息传输中使用得较早的一种调制方式，它的主要优点是： 实现起来较容易，抗噪声与抗衰减的性能较好。在中低速数据传输中得到了广泛的应用。所谓FSK就是用数字信号去调制载波的频率。

调制方法：2FSK可看作是两个不同载波频率的ASK以调信号之和。 解调方法：相干法和非相干法。

类型：二进制移频键控(2FSK)，多进制移频键控(MFSK)。

在上述三种基本的调制方法之外，随着大容量和远距离数字通信技术的发展，出现了一些新的问题，主要是信道的带宽限制和非线性对传输信号的影响。在这种情况下，传统的数字调制方式已不能满足应用的需求，需要采用新的数字调制方式以减小信道对所传信号的影响，以便在有限的带宽资源条件下获得

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/av36.html