PIC-Lernbeispiel: RS232-Interface

Softwareemulation eines RS232-Interfaces mit dem PIC16F84.
Während der größere PIC16F876 die Hardware für ein serielles Interface enthält, steht die serielle Kommunikation mit einem PC oder Palm-Pilot dem kleinen 16F84 nicht so ohne weiteres zur Verfügung. Da das RS232-Protokoll aber sehr einfach ist, kann man es mit etwas Software nachempfinden.

RS-232 ist eine serielle Übertragung, bei der das Datenbyte mit dem LSB (Bit 0) voran übertragen wird. Unmittelbar vor dem ersten Datenbit wird ein Startbit mit dem Wert "0" übertragen, nach dem Datenwort folgt eine "1" als Stopbit. (Es gibt Modifikationen mit nur 7 Bit oder mit zusätzlichem Prüfbit aber das ist jetzt nicht wichtig.)

In einem normgerechten RS232-Kabel wird eine "1" wird als ein -12V-Signal übertragen und eine "0" als ein +12V-Signal. Erfahrungsgemäß funktioniert die Verbindung aber auch bei verminderten Pegeln, wenn anstelle von +12V und -12V einfach +5V und 0V verwendet werden. Damit ergibt sich für unser Lernbeispiel folgendes Zeit/Spannungsdiagramm.

++HINWEIS++
Normalerweise werden spezielle Treiberschaltkreise verwendet, um beim Senden den TTL-Pegel (5V) auf den RS232-Pegel (12V) und beim Empfangen den RS232-Pegel wieder auf  TTL-Pegel zu wandeln. Es hat sich eingebürgert, dass diese Schaltkreise die Pegel nicht nur anpassen, sondern auch invertieren. Dabei wird also 5V zu -12V und 0V zu +12V. Deshalb wird dann auf der TTL-Seite der Treiber eine '0' zu 0V und eine'1' zu 5V. Da in unserem Beispiel keine Treiber verwendet werden, muss unser PIC direkt die inversen Pegel erzeugen und empfangen. Daraus ergibt sich oben stehendes Diagramm mit inversen Pegeln.

Die Länge eines jeden Bit ist gleich, und ergibt sich aus der Baudrate. Verschiedene Baudraten sind üblich, z.B.:
 

Baudrate	Bitlänge
300 Baud	3,33 ms
2400 Baud	417 µs
9600 Baud	104 µs
38400 Baud	26,04 µs

Da es kein zusätzliches Synchronisiersignal gibt, muss die Datenrate bei Sender und Empfänger gleich eingestellt sein, und darf um höchstens 5% vom Sollwert abweichen.

Eine detailliertere Beschreibung der RS232-Schnittstelle findet man hier.

Schaltung
Auf den nachfolgenden Bildern sind als RS232-Steckverbinder Sub-D9-Buchsen verwendet worden. Die Schaltung kann an einen PC mit Hilfe eines normalen RS232 Kabels (kein Null-Modem-Kabel !!) angeschlossen werden.

Ein normgerechtes RS232-Interface überträgt eine "1" mit einem -12V-Signal und eine "0" mit einem +12V-Signal. Das erfordert spezielle Treiberhardware.
Für die kurze Verbindung zum PC oder Palm-Pilot reicht aber erfahrungsgemäß 0V für "1" und +5V für "0".
 

Senden (vom PIC zum PC): Die Treiber spare ich deshalb ein und verbinde eine PIC-Ausgangsleitung (vorzugsweise Port A) mit der Daten-Eingangsleitung des PC. Das in am 9-poligen PC-Anschluss Pin 2. Masse des PIC wird mit dem Masseanschluss Pin5 am PC verbunden. Außerdem sind zwei Brücken am 9-poligen PC-Anschluss nötig: Pin7--Pin8, und Pin4--Pin6.

 

Empfangen (vom PC zum PIC): Der PC sendet mit +12V und -12V-Pegel. Beide Pegel sind für den PIC tödlich, wenn keine spezielle Vorkehrung getroffen werden. Als Schutz reicht ein Widerstand von 22kOhm oder 27kOhm, der zwischen dem Datenausgang des PC (Pin3 des 9-poligen Anschlusses)  und dem Eingangspin des PIC (vorzugsweise am Port A) geschaltet wird. Die Masseverbindung und die zwei Brücken müssen wie beim Senden gezogen werden. Es eignet sich z.B. die 16F84-Testplatine oder  die 16F84-Miniplatine mit einer LED-Platine am Port B. In jedem Fall muss noch das Kabel mit dem Widerstand R2 und der 9-poligen Buchse beschafft werden.

Hinweis:
Wer die obigen Schaltungen mit richtigen RS232-Treibern (MAX222 o.ä.) komplettieren will, muss die Software so ändern, dass beim Senden die RS232-Signale invertiert werden, und dass beim Empfangen inverse Pegel erwartet werden.

Programmablauf

Senden:

• Das verwendete PIC-Pin muss zunächst auf Ausgang eingestellt werden. Das Portpin wird auf 1 gesetzt, das ist hier Ruhepegel. Dieser Pegel muss mindestens für die Länge eines Bit lang anliegen.

Dann können "Eins-Bits" und "Null-Bits" übertragen werden. Eine "Eins" ist 0-Pegel (0V) eine "Null" ist 1-Pegel (+5V). Die Länge einer "Eins" und einer "Null" ist durch die Baudrate bestimmt. Bei 9600 Baud ist jedes Signal genau 0,104 ms lang. Eine Toleranz von 5% bei der Bitlänge ist gerade noch vertretbar.
• Jedes zu sendende Byte wird mit einem "Null-Bit" eingeleitet (Start-Bit).
• Dann folgen die 8 Bit des Bytes beginnend mit dem niederwertigsten Bit (Bit 0).
• Nach dem letzten Bit des Byte (Bit7) folgt dann noch eine "Eins" als Stopp-Bit.
• Zum Schluss bleibt der Ausgang auf 1, Ruhepegel.

Empfangen:

• Das Eingangspin wird in einer Schleife ständig eingelesen. Man wartet auf das Startbit. Wird 0 eingelesen, so beginnt gerade das Startbit. Nun wird das Datenwort eingelesen.
• Man wartet in einer Warteschleife für eine Zeit, die der Länge von 1,5 Bit entsprechen. Bei 9600 Baud sind das ca. 0,156 ms.
• Nun wird der Pegel vom Eingangspin eingelesen. Das ist das invertierte Bit 0 des zu empfangenden Datenbytes. Es wird invertiert, und in ein Register geschoben.
• Nun wartet man in einer Warteschleife für eine Zeit, die der Länge von 1 Bit entsprechen. Bei 9600 Baud sind das ca. 0,104 ms.
• Der nächste Wert wird vom Portpin gelesen invertiert und in das Register geschoben.
• Die vorigen Beiden Schritte werden noch 7 mal wiederholt (Bit 1 bis Bit 7). Nun ist das gesamte Bit eingelesen, und kann ausgegeben werden, z.B. an Leuchtdioden am Port B.

Programmdetails

Senden:
Die Routine Send_RS sendet zunächst ein Stop-Bit (1), dann ein Start-Bit (0), dann nacheinander die 8 Bits des zu sendenden Bytes und schließlich ein Stop-Bit (1). Dafür wird jeweils das Pin RA2 auf den entsprechenden Pegel gesetzt (1=low und 0= high) und anschließend für die Länge eines Bits gewartet.

Diese Wartezeit von 1 Bit wird mit der Routine Warte_s erledigt. Die Wartezeit ist von der gewünschten Baudrate der RS-232-Verbindung und vom PIC Takt abhängig. Das Prinzip der Warteschleifen habe ich schon in einem anderen Beispiel erläutert.

Bei 9600 Bps ist ein Bit genau 1/9600 Sekunde lang, das sind 104 µs.
Bei einem PIC-Takt von 4 MHz, werden Befehle im PIC mit einem Zyklustakt von 1 MHz abgearbeitet. Jeder Befehl (mit Ausnahme der wenigen Befehle, die 2 Zyklen lang sind) dauert folglich 1 µs.
Die Schleife von 'Warte1' bis zu 'goto Warte1' ist im Programm 6 Zyklen lang (goto benötigt 2 Zyklen), ein Durchlauf benötigt folglich 6 µs. Um 1 Bit lang (also 104µs) zu verzögern, muss man die Schleife 15 mal durchlaufen. Diese Durchläufe benötigen 90µs. Die noch verbleibenden 14 µs verbrauchen der Aufruf  von Warte_s, das Laden von cycl_2 sowie das Return.
 

;********************************************************** ;ein Bit Zeitverzoegerung mit einer Warteschleife ; ; senden            4 MHz    10 MHz ; 2400 Bps =          69d    173d ; 9600 Bps =          15d     43d Warte_s movlw   D'15'           ; 9600 Bps / 4 MHz senden         movwf   cycl_2          ;  Warte1          nop         nop         nop         decfsz  cycl_2, 1          goto    Warte1         return

Programmlisting

Senden:
Das Testprogramm sendet in einer Endlosschleife den Buchstaben "A". Als PIC-Takt muss 4 MHz verwendet werden. Die Datenrate ist 9600 Baud. Die übrigen Parameter sind: 8 Bit, 1 Startbit, 2 Stopbits, kein Paritätsbit.
Für andere Datenraten oder einen anderen PIC-Takt müssen die Timings im Quelltext verändert werden.

• Assemblerlisting und HEX-File für den Sender (2 kByte)

• Assemblerlisting und HEX-File für den Empfänger (2 kByte)