avr单片机与pc机打印口高速双向数据通信接口

AVR单片机与PC机打印口高速 双向数据通信接口 胡平平王晶杰 (北京机械工业学院计算机及自动化系，北京100085) 摘 要 文章给出了一个简单而又实用的利用PC机打印口进行高速双向数据通信的接口，详细介绍了接口的原理和 Windows环境下驱动程序的，并以该接口与AVR单片机的连接为例，介绍了它的使用方法。最后给出了各种情况下 通信性能的测试结果。 关键词数据通信EPP接口Windows驱动程序单片机 文章编号1002—8331一(2005)25—0112—04文献标识码A 中图分类号TP334 TheHighSpeedBidirectionalDataCommunicationInterface betweenAVRSCMandPCPrinterPort HuPingpingWangJingjie (Computer&AutomationDepartment，BeijingInstituteofMachinery，Beijing100085) Abstract：Asimpleandpracticalhigh-speedbidirectionaldatacommunicationinterfacewithPCprinterportisgiven． ItshardwareprincipleanddriverprogrammingforWindowssystemarediscussedindetail．ItsapplicationbetweenAVR SCMandPCprinterportisgivenandtheperformencesinseveralcasesaretestedanddiscussed． Keywords：datacommunication，EPPinterface，Windowsdriver，SCM 基于PC机的数据采集和监测控制系统往往用各种单片 机构成现场部件．因为它具有高可靠、低成本、小体积和抗干扰 性好的特点，而PC机则完成数据处理和构成友好易用的 人机界面。在这样的系统中，单片机与PC机间的数据通信是 不可缺少的一个环节。传统系统多利用PC机的串行接口与单 片机进行数据通信。一则因为系统的数据量不大，--贝tl因为大 多数单片机都内置了串行接口，数据通信只需要简单的软件编 程即可实现。 随着计算机的发展，一方面传统串行接口因速率太低而逐 渐被淘汰，尤其是便携计算机．已很少再配备传统的串行接 13了；另一方面，应用系统要求的数据通信量也不断增加， 传统串行接口已不能满足要求。虽然新型USB串行接口的 出现解决了PC机传统串行接口速率低的问题，但同时也大 大增加了通信的软硬件成本，造成用于通信的成本和复杂 性大于现场设备本身的现象。在批量较少的情况下，问题更 为突出。 在PC机提供的各种接13中，打印接口一直是必备的接 口．而且已经从SPP方式的单向输出接El扩充为EPP和ECP 方式的双向接口，其通信速率也可以达到500KBytes／s到 2MBytes／s。利用PC机打印接口进行数据双向通信的成本和 复杂性又远比USB接口低，因此是单片机与PC机问数据通 信的一个较好的替代。与利用传统的串行接口通信方案 相比．该方案涉及到硬件接口设计和Windows驱动程序设计 两个额外的问题，本文就这两方面的问题给出了较为详细的 论述。 基金项目：北京市科委资助科技项目(编号：KM200311232136) 1122005．25计算机工程与应用 l EPP端口通信原理 1．1 EPP端口的引脚和定义 用于进行数据双向通信的EPP端口相关的引脚和定义如 表1所示。 表1 EPP端口相关引脚的定义和说明 7 注：Base表示EPP端口的基地址，一般为378h；!表示状态相反。 1．2 EPP端口的操作 EPP端口的操作分数据和地址两种，通过对数据寄存器和 地址寄存器的读写操作可以完成数据和地址的输入和输出。在 端口上，则以nDStrb和nAStrb分别为低加以区分。除了这两个 信号外，数据和地址操作的其他信号状态完全一样。每一条对 数据或地址寄存器的读写指令，便会自动启动并完成一次EPP 端口的输入或输出操作。EPP端口的寄存器地址和定义如下： 基地址(378h)：端口数据输出，锁存输入地址。 基地址+1(379h)：状态输入端口，bit6～bit3分别为端口引 脚10，12，13和15的状态。 万方数据 基地址+2(37Ah)：控制输入／输如端口(该端Elbit4必须 置l才能使外部中断信号线nIntr的上升沿产生打印端口 中断)。 基地址+3(37Bh)：地址寄存器。 基地址+4(37Ch)：数据寄存器。 1．3 EPP端口输入操作时序 任何时候，当nWait为低时读数据或地址寄存器的指令将 产生图1所示的输入操作时序。在IOR为低后，nWrite保持为 高表示输入，主机检测到nWait为低后使nDStrb或nAStrb变 低．表示开始输入操作。当有效的输人数据在ADO～AD8上准 备好时，外设可以使nWait变高，这时主机使nDStrb或nAStrb 变高，数据(地址)被读人到特定的寄存器，输入操作结束。为进 行下一次操作，外设必须使Wait变低。 IOR：——_＼!塑旦堕墅兰兰笪!!厂——一 nWrite： nDStrb／nAStrb：———]、厂——一 nWait：厂————、ADO--AD7：二二二二二二二]C巫匾巫匾X二 图1 EPP端口输入操作时序 1．4 EPP端口输出操作时序 任何时候，当nWait为低时写数据或地址寄存器的指令将 产生图2所示的输出操作时序。在10W为低后，nWrite也变为 低表示输出，同时将有效的输出数据送到ADO～AD8。主机检测 到nWait为低后使nDStrb或nAStrb变低，表示开始输出操作， 外设得到数据后，可以使nWait变高，这时主机使nDStrb或 nAStrb变高，输出操作结束。为进行下一次操作，外设必须使 Wait变低。 (端口内部参考信号) 10W nWrite nDStrb／nAStrb ADO竺AD7兰支兰兰三j三～ ：一—————j—————』，、L———二———～LLj—————／，L————一 图2 EPP端口输出操作时序 由上述操作时序可知，EPP的输入和输出操作可以在一个 ISA总线的I／0读写周期内完成，因而其速度非常快，可以达 到500KBytes／s到2MBytes／s。 2 EPP接口设计 从上面的介绍可以看到，EPP数据传输采用的是异步应答 方式．尽管其最高传输速率可以达到ISA总线的I／O读写速 率．但在实际应用中的传输速率要取决于外设的使用和处理方 式。EPP端口和单片机最简单的连接是在单片机方采用软件控 制方式．由软件产生响应的应答信号，这种方式需要几个单片 机的指令才能完成一次数据的传输，是最慢的方式。用少量的 芯片构成EPP接口，以便自动产生EPP的应答信号并提供必 要的状态信号，这种方式可以最大限度地提高数据的传输速 率。图3给出一种EPP接口的原理图，下面做一简单介绍。 图3中的接口没有使用EPP端口的nAStrb信号，因此只 能进行数据的输入和输出。图的左端为与EPP端口相连的各 种信号线。右端为与单片机相连的各种信号线。 图3 EPP数据传送接口的原理图 主机向单片机送数据：在OBE为高时。主机可以向EPP的 数据寄存器写数据，该操作使nWrite和nDStrb先后变低，两者 的或信号使INTa／IBEa(OBE)变低，由于nDStrb变低导致 nWait为高．于是主机将使nDStrb变高，这个高电平将ADO— AD7的数据锁存到锁存器A中。而此时nWait变低，一次EPP 数据输出结束。INTa／IBEa(OBE)为低一方面通知单片机可以 取走数据．另一方面通知主机不能再输出数据。单片机方在 INTa／IBEa为低时，可以使OEa为低从锁存器A读出数据到 DBIa上，为低的OEa信号又使INTa／IBEa(OBE)变高，一次数 据传输结束。 单片机向主机送数据：在OBFa为低时。单片机可以在CPa 上产生一个高电平脉冲把DBOa上的输出数据锁存到锁存器 B中，CPa变高时，其反信号将nIntI／IBF(0BFa)信号变高，一 方面通知主机可以取走数据，另一方面通知单片机不能再输出 数据。主机在nIntr／IBF信号变高时，便可以从EPP的数据寄存 器读数据，该操作将使nDStrb变低，于是锁存器B的OE为 低，一方面使锁存器B的数据送到EPP的ADO—AD7上，另一 方面使nIntr／IBF(OBFa)信号变低。由于nDStrb变低导致nWait 为高，于是主机将使nDStrb变高。将数据读入主机，此时nWait 变低，一次数据传输结束。 图3中除了两个锁存器外，其余的电路可以很方便地用一 片GALl6V8实现。该GAL的编程方程如下所示： module_EppAvr titleqnterfaceforEPPandAVRdataexchange’ EppAvrdevice"P16V8C’； ”InputPins nDStrb，nWrite，OEa，CPapin1，2，3，4； ”OutputPins nWait，OE，CP，INTa，nIntrpin12，13，14，15，16； EQUATIONS CP=nDStrb#nWrite： OE=nDStrb#!nWrite； nWait=!nDStrb； INTa=!(OEa＆!(CP＆INTa))； nIntr=!(!CPa＆!(OE&nIntr))； end 计算机工程与应用2005．25113 万方数据 3接口的使用 接口中各信号与EPP端口的连接如表1同名信号所示． OBE可以连接到EPP端口引脚12、13和15中的任何一个(这 里假设连接到引脚12上)。接13与单片机的连接是：DBIa和 DBOa分别接到单片机的8位输入和输出端13；对于没有读写 控制信号的单片机，Ea和CPa只能接到单片机的输出I／O线 上，通过多条指令完成数据的输出和输入；对于有读写控制信 号的单片机，Ea和CPa应该和读写控制及译码信号结合，用一 条指令便可完成数据的输出和输入。OBFa和IBEa分别接到单 片机的两个输入I／O线上(采用中断方式时，这两个信号应该 连接到单片机的外部中断线上)。 我们用AVR单片机AT90S8535构成的系统与上述接口 相连．由于资源限制，DBIa和DBOa都接到了8535的PORTC。 因此在数据的输入和输出转换时．都要对端口PORTC的方向 进行重新设置；又因为8535没有读写控制信号．每次输入和输 出都需要多条指令完成，因而对数据通信的最高速度会有一定 的限制。在交替输入和输出的情况下，一次数据的输入或输出 需要五条指令；在连续输人或输出的情况下，一次数据的输入 或输出需要三条指令。如果在8MHz的主频下单片机每条指令 需要0．125us，因此两种情况下的最高通信速率限制分别约为 1．6MB／s和2．6MB／s，基本上与EPP端口的最高速率相当。从 本文后面给出的结果可以看到，单片机方面的这一限制并不是 影响通信速度的主要因素。 查询方式数据传输：主机端通过读I／O地址Base+l得到 nIntr和OBE的状态，当nIntr为1时，表示有数据从单片机送 来，主机可以读I／O地址Base+4得到数据；当OBE为1时．表 示单片机已取走数据，主机可以将数据写到I／O地址Base+4 将其发送到接口供单片机读取。单片机方面．当IBEa为O时。 表示有数据从主机送来，单片机可以将OEa置低从DBIa得到 数据；当OBFa为0时，表示主机已取走数据，单片机可以将数 据送到DBOa上然后在CPa上产生一个正脉冲将数据发送给 主机。 中断方式数据传输：将EPP的L／0地址Base+2的bit4置 l，nIntr由低变高时可以产生主机的打印中断，INTa(低电平有 效)则可以当作单片机的中断信号，从而在两方都能实现数据 的中断接收。此外。OBFa的低电平状态也可以当作单片机的另 一路中断信号，以实现数据从单片机到主机的中断方式发送。 双方对数据的读写方法与查询方式一样。 4 EPP数据传输驱动程序的编写 上面介绍的数据通信过程中涉及到主机对EPP的啪端 口的读写操作，这在Windows环境的应用程序中是无法实现 的，必须靠驱动程序来实现。下面简单介绍一下用WinDriver 编写驱动程序进行EPP数据通信的方法。 4．1编写驱动程序 启动WinDriver的DriverWizard。选择Createanewdriver project。在SelectYourDevice页面的列表中选中Parallelport。 在DefineandTestResourceforYourDevice页面的各选项单 中做如下设置： I／O选项单：IORangel的范围设置为0x378到0x37f(默 认值)。 Interrupts选项单：In认的InterruptNumber值设置为7．触 1142005．25计算机工程与应用 发方式为EdgeTriggered(默{)A．值)。 Registers选项单：保留control(2)，status(1)和strobe_data0 (4)三个寄存器即可(括号内数字为地址偏移量offset的值)。 在SelectCodeGenerationOptions页面选中C和MSDe． veloperStudio6，5。 最后为项目文件取名并保存到某个文件夹中。按Finish结 束后，MSVC++IDE将自动打开项目文件，编译连接，可以得 到WinDriver生成的一个基于控制台的测试程序，在该程序的 基础上便可以编制EPP端口的数据通信程序。 4．2查询方式EPP数据通信程序 在WinDriver生成的EPPDRV_diag．C中(其中EPPDRV是 您为项目取的名字)，保留对EPPDRV_Open(&hEPPDRV)和 EPPDRV』lose(hEPPDRV)的调用，将其间的代码改为您自己 的通信代码，即可完成Windows环境下基于控制台的查询方式 EPP数据通信程序。这里给出从EPP端口读和写一个字节的 子程序。 #defineOBE0x20 ／／OBE连接到EPP端口的12脚，为1时可以输出 #defineIBFOx40 ／／IBF(即nIntr)连接到EPP端口的10脚，为1时输入有效 #defineINTEN0x10 ／／控制端口的中断允许位 从EPP读人一个字节，返回一1表示无可用数据：返回0—255为读 到的数据 intReadEppByte(EPPDRVHANDLEhEPPDRV) f if(EPPDRV_Readstatus(hEPPDRV)&IBF) returnEPPDRV_Readstrobe_data_0(hEPPDRV)&Oxff； elsereturn一1； j 将一个字节输出到EPP，返回FALSE表示不能输出(上一 次输出还没有取走)，返回TRUE表示输出成功 BOOLWriteEppByte(EPPDRV—HANDLEhEPPDRV，BYTEData) f if(EPPDRVReadstatus(hEPPDRV)&OBE) { EPPDRV_Wntestrobedata0(hEPPDRV，Data)； returnTRUE； l elseretumFALSE； J 4．3 中断方式EPP数据通信程序 对上面查询方式EPP数据通信程序进行如下改动： (1)在EPPDRV_Open(&hEPPDRV)调用成功后加入下面 语句允许中断并使能打印口中断： EPPDRV_IntAEnable(hEPPDRV， EPPDRV_IntAHandlerRoutine)； EPPDRVWriteeontrol(hEPPDRV， (BYTE)(EPPDRV—Readeontrol(hEPPDRV)IINT_EN))； ／／读一次数据以便能产生下一次中断 EPPDRV_Readstrobe_data．_0(hEPPDRV)； (2)在EPPDRV—Close(hEPPDRV)调用之前加入下面语句 禁止中断： if(EPPDRVIntAIsEnabled(hEPPDRV)) 万方数据 EPPDRV_IntADisable(hEPPDRV)； EPPDRV_Wfitecontrol(hEPPDRV． (BYTE)(EPPDRVReadcontrol(hEPPDRV)&～ INT_ENABLE_BIT))； (3)修改中断响应程序，在其中加入对EPP端13数据的读 入处理 void EPPDRV_IntAHandlerRoutine(EPPDRV_HANDLE hEPPDRV，EPPDRV_IntA_RESULT女intResuh) ( if(EPPDRV_Readstatus(hEPPDRV)＆IBF) f ／／取新收到的数据 RecData=EPPDRV_Readstrobe_data_0(hEPPDRV)； DataOk=TRUE：／／置数据收到标志 IntNum++； 】 ) 其中RecData、DataOk和IntNum都是全局变量，当DataOk 为TRUE时，RecData则为新收到的数据，主程序中用完该数 据后应将DataOk置为FALSE，以免重复使用；IntNum则用于 计算中断接收数据的个数。另外，为保证中断方式数据通信成 功．应在Windows系统的硬件设备管理中允许打印端I：1使用中 断并将其中断号设定为7。 5 结论 我们将上述EPP接13电路和AVR单片机AT90S8535构 成的系统相连，验证了接13的正确性，并在主机不同操作系统 下进行测试，得到如表2所示的数据。 表2中单片机方的程序是用AVR汇编语言编写的，均采 用查询方式；主机方WinXP和Win98下的程序都是WinDriver 生成的VC++控制台程序，主机方Win98DOS下的程序是用基 于DOS的X86宏汇编语言编写的(WinXP下的命令提示符环 境已经不支持基于DOS的X86宏汇编程序对某些端El的访 问)。测试使用的主机为SamSungV30笔记本电脑(P4-2．66G)。 表2 EPP端口通信测试结果 运行环境和方式 双方同时收发 主机发单片机收单片机发主机收 从表2的数据可以得到下述结论： (1)Windows系统下程序对端口的访问速度不如DOS系 统下的程序。 (2)WinXP系统下程序对端口的访问速度优于Win98 系统。 (3)WinDriver用户方式下的驱动程序中断方式的执行效 率不如查询方式，即中断处理的代价比较大。 (4)对EPP端口通信速度的限制因素主要在主机方而不 是单片机方。 鉴于上述情况，在Windows系统下对EPP端口的处理，最 好用查询方式．将数据输入和输出查询程序分别放在两个独立 的线程中去完成．这样即可以得到较高的数据通信速率，又易 于编程实现通信程序各种处理任务。(收稿日期：2005年1月) 参考文献 1．IntroductiontotheIEEE1284ParallelPortStandard．http：／／www． f却o．com／1284int．htm 2．伍丁红．增强并行口EPP及高速并行口A／D转化转换器的设 计【J]．电子技术应用，1998；(2)：47-48 3．朱世鸿．可编程逻辑器件PLD实用设计技术[M】．北京：电子工业出版 社．1994 (上接105页) 优化控制还缺乏一个有效的手段，只能通过建议的方法提出优 化策略，最终由人工完成对数据库的调整。未来可以在这方面 进行更深入的研究[sJ。 (3)7rPCCkader为数据库系统的性能优化和自管理研究 提供了一个平台，未来可以进一步将它的研究成果扩展到其他 应用程序和数据库自管理程序中唧。(收稿日期：2005年5月) 参考文献 1．TransactionProcessingPerformanceCouncil(TPC)TPCBENCH— MARKTMC StandardSpecificationRevision5[S]．2004-04 2．Quest公司：BenchmarkFactoryReferenceManual．http：／／www quest．com 3．TPCCouncil．http：／／www．tpc．org／ 4．MartinP．Luri(IBM公司)：在Linux上模拟大规模并行数据库处理． http：／／www-900．ibm．com／developerWorks／cn／dmdd／library／techarti- cles／02031urie／02031urie_eng．shtml 5．GLanfranchi．PDellaPeruta，APerroneeta1．Towardanewlands— capeofsystemsmannagementinanautonomiccomputingenviron— mentiJ]．IBMSYSTEMSJOURNAL，2003；42(1) 6．人大金仓信息技术有限公司．KingbaseES管理员手册与JDBC开发 手册(KingbaseES产品技术文档) 7．Johnson．OCP：Oracle9i性能调整学习指南JosephC[M]．电子工业出 版社 8．LWRussell．SPMorgan．EGChron．Clockwork：Anewmovementin autonoticsystems[J】．IBMSYSTEMSJOURNAL，2003；42(1) 9．JKephart．DChess．TheVisionofAutonomicComputing[J]．Computer Magazine，IEEE，2003；(1) 10．印是．Java与面向对象程序设计教程【M]．第一版，高等教育出版社 计算机工程与应用2005．25115 万方数据 AVR单片机与PC机打印口高速双向数据通信接口 作者： 胡平平， 王晶杰， Hu Pingping， Wang Jingjie 作者单位： 北京机械工业学院计算机及自动化系,北京,100085 刊名： 计算机工程与应用 英文刊名： COMPUTER ENGINEERING AND APPLICATIONS 年，卷(期)： 2005，41(25) 引用次数： 0次 参考文献(3条) 1.Introduction to the IEEE 1284 Parallel Port Standard 2.伍丁红 增强并行口EPP协议及高速并行口A/D转换器的设计[期刊论文]-电子技术应用 1998(2) 3.朱世鸿 可编程逻辑器件PLD实用设计技术 1994 相似文献(5条) 1.期刊论文 汪洋.叶湘滨 利用EPP接口协议实现高速数据通信 -单片机与嵌入式系统应用2001(1) 如何实现PC与单片机系统间的高速数据通信,是测量控制系统中经常遇到的难题.本文系统地介绍利用EPP接口协议实现高速数据通信的原理,并从硬 件、软件两方面给出一个应用EPP接口协议的设计实例. 2.期刊论文 郭荣军 用嵌入式汇编检测打印机联机状态 -电脑开发与应用2003,16(4) 在Windows98环境下,详细介绍了打印机接口、数据通信原理、用C++Builder5.0的嵌入式汇编功能,通过直接对打印机端口的读写实现了打印机联机 状态的检测,实现很方便且检测到的状态比其他方法更好.最后提出了利用PC机的打印机接口应用于其他数据通信场合的设想. 3.期刊论文 汪洋.王湘祁.叶湘滨.隋卫平 基于EPP的便携式数据采集处理系统 -仪器仪表学报2001,22(z1) EPP(Enhanced Parallel Port,增强型并行口)接口协议解决了PC与数据采集系统间的高速双向数据通信问题。本文提出了利用EPP接口实现便携式数 据采集处理系统的一般架构，并举出了一个利用EPP接口实现PC与单片机数据采集系统的通信的实例。 4.会议论文 汪洋.王湘祁.叶湘滨.隋卫平 基于EPP的便携式数据采集处理系统 2001 EPP(Enhanced Parallel Port,增强型并行口)接口协议解决了PC与数据采集系统间的高速双向数据通信问题.本文提出了利用EPP接口实现便携式数 据采集处理系统的一般架构,并举出了一个利用EPP接口实现PC与单片机数据采集系统的通信的实例. 5.期刊论文 曹海燕.葛艳蕊.CAO Hai-yan.GE Yan-rui EPP协议及其在光释光断代仪中的设计与应用 -河北省科学 院学报2006,23(3) 在矿物研究、地质样品年龄测定以及考古等领域,光释光仪器有着举足轻重的地位,而如何实现仪器与计算机的高速数据通信是仪器运行的关键.作者 阐述了EPP协议,并给出了接口电路的.实验表明,EPP接口电路工作良好,符合要求. 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_jsjgcyyy200525034.aspx 下载时间：2010年1月4日