การสื่อสารผ่านพอร์ทอนุกรม

วิกินี้เป็นส่วนหนึ่งของรายวิชา 01204223

เนื้อหา

1 แนะนำพอร์ทอนุกรมบนไมโครคอนโทรลเลอร์
2 การติดตั้งไดรเวอร์สำหรับอะแดปเตอร์
3 การเชื่อมอะแดปเตอร์เข้ากับบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์
4 โค้ดเฟิร์มแวร์สำหรับส่งข้อมูลสู่พอร์ทอนุกรม
5 ปัญหาที่อาจพบ
6 โปรแกรมทางฝั่งคอมพิวเตอร์
- 6.1 ตัวอย่างโปรแกรมภาษาจาวา
- 6.2 ตัวอย่างโปรแกรมภาษาไพทอน
7 ข้อมูลเพิ่มเติม

แนะนำพอร์ทอนุกรมบนไมโครคอนโทรลเลอร์

ไมโครคอนโทรลเลอร์ส่วนใหญ่ (รวมถึงเบอร์ ATMega168/328 ที่ใช้ในรายวิชา) มีความสามารถในการรับส่งข้อมูลระหว่างอุปกรณ์อื่นและคอมพิวเตอร์ผ่านพอร์ทอนุกรม (serial port) เราจึงสามารถนำคุณสมบัตินี้มาใช้ในการแสดงผลลัพธ์การทำงานของบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ให้รายละเอียดมากกว่าการแสดงผลผ่าน LED เพียงอย่างเดียวได้ อีกทั้งสภาพแวดล้อมของ Arduino ยังมีคำสั่งจำพวก Serial.print ที่นำไปใช้ในการส่งข้อความมาแสดงผลบนหน้าจอคอมพิวเตอร์ได้ทันที การสื่อสารแบบอนุกรมนั้นต้องการใช้สายสัญญาณเพียงเส้นเดียวต่อการส่งสัญญาณหนึ่งทิศทาง ดังนั้นการเชื่อมต่ออุปกรณ์เข้าด้วยกันจึงต้องการสายไฟเพียง 3 เส้น เป็นสายสัญญาณสองเส้นเพื่อรับส่งข้อมูลสองทิศทาง และสายอ้างอิงศักย์ไฟฟ้า (หรือกราวนด์) อีกหนึ่งเส้น ตามภาพ

การเชื่อมต่อกับอุปกรณ์อื่นผ่านการสื่อสารแบบอนุกรม

คอมพิวเตอร์รุ่นใหม่โดยเฉพาะอย่างยิ่งคอมพิวเตอร์แบบโน้ตบุ๊กในปัจจุบันมักไม่มีพอร์ทอนุกรมติดมาให้ จึงต้องอาศัยอุปกรณ์เสริมที่เรียกว่า USB to serial adapter หรือ USB-Serial dongle ที่เพิ่มพอร์ทอนุกรมให้กับคอมพิวเตอร์ ตามมาตรฐานการสื่อสารผ่านพอร์ทอนุกรมนั้นมีการใช้หัวเชื่อมต่อแบบ DE-9 ที่มีลักษณะดังภาพ

อะแดปเตอร์ USB-Serial ที่มีหัวเชื่อมต่อแบบ DE-9 ตัวผู้

ในรายวิชา 01204223 เราจะใช้อะแดปเตอร์ USB-Serial ชนิดที่รับข้อมูลจากพอร์ท USB แล้วแปลงเป็นสัญญาณแบบ TTL โดยตรง ทำให้นำไปใช้เชื่อมต่อกับบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ได้ทันทีโดยไม่ต้องผ่านหัวเชื่อมต่อแบบ DE-9 ดังภาพ

USB-Serial Dongle ที่ใช้ในรายวิชา

การติดตั้งไดรเวอร์สำหรับอะแดปเตอร์

เครื่องที่ใช้ระบบปฏิบัติการลินุกซ์จะมีไดรเวอร์สำหรับอะแดปเตอร์ติดตั้งมาให้พร้อมใช้งานอยู่แล้ว สำหรับระบบปฏิบัติการอื่น ๆ ให้ดาวน์โหลดและติดตั้งไดรเวอร์จากเว็บ http://www.silabs.com/products/mcu/pages/usbtouartbridgevcpdrivers.aspx

การเชื่อมอะแดปเตอร์เข้ากับบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์

ตามหลักการแล้วการเชื่อมต่ออุปกรณ์สองชิ้นเข้าด้วยกันผ่านการสื่อสารแบบอนุกรมนั้นทำได้โดยการเชื่อมขา TX (Transmit) เข้ากับขา RX (Receive) ของอุปกรณ์ตรงข้ามให้ครบทั้งสองทิศทางดังรูปด้านบน กรณีที่เราต้องการส่งข้อมูลจากบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ไปยังคอมพิวเตอร์เพียงทิศทางเดียวนั้นจะใช้สายเชื่อมเพียงสองเส้น คือ

ขา Tx จากบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ (ขาเดียวกับ PD1) เชื่อมกับขา Rx ของอะแดปเตอร์
ขา GND จากบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ เชือมกับขา GND ของอะแดปเตอร์

สังเกตว่าขา Tx และ Rx ของไมโครคอนโทรลเลอร์เป็นขาเดียวกับ PD1 และ PD0 ตามลำดับ จึงต้องมีการบัดกรีคอนเน็คเตอร์แบบ 5x2 ลงไปที่ตำแหน่งพอร์ท D ก่อนจึงจะใช้งานได้

ผังภาพการเชื่อมต่อบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์เข้ากับอะแดปเตอร์ USB-Serial (รุ่นสีดำ/น้ำเงิน)

อย่างไรก็ตาม อะแดปเตอร์รุ่นสีแดงบางรุ่นจะมีการใช้ขา Tx เป็นขารับสัญญาณ จึงต้องต่อขา Tx (PD1) จากบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์เข้ากับขา Tx ของอะแดปเตอร์แทน ดังรูป

ผังภาพการเชื่อมต่อบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์เข้ากับอะแดปเตอร์ USB-Serial (รุ่นสีแดง)

จากนั้นเสียบทั้งบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์และอะแดปเตอร์ USB-Serial เข้ากับพอร์ท USB ของคอมพิวเตอร์ดังภาพ

ตัวอย่างการเชื่อมต่อบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์เข้ากับอะแดปเตอร์ USB-Serial

โค้ดเฟิร์มแวร์สำหรับส่งข้อมูลสู่พอร์ทอนุกรม

อุปกรณ์สองฝั่งของการเชื่อมต่อจะสามารถสื่อสารกันได้นั้นต้องมีการกำหนดความเร็วในการรับส่งข้อมูลให้สอดคล้องกัน ในงานทั่วไปที่ไม่ต้องการการแลกเปลี่ยนข้อมูลในปริมาณมากมักจะมีการกำหนดความเร็วไว้ที่ 9,600 บิตต่อวินาที เฟิร์มแวร์ที่พัฒนาด้วยภาษาซีตรง ๆ ต้องมีการตั้งค่าให้กับรีจีสเตอร์ที่เกี่ยวข้องได้แก่ UBRR0H, UBRR0L และ UCSR0C แล้วจึงค่อยป้อนข้อมูลที่จะส่งทีละไบท์ให้กับรีจีสเตอร์ UDR0 รายละเอียดสามารถดูเพิ่มเติมได้จากดาต้าชีตของไมโครคอนโทรลเลอร์เบอร์ ATMega168

เพื่อความสะดวกผู้สอนได้เตรียมโค้ดเบื้องต้นเอาไว้สำหรับส่งข้อความออกทางพอร์ท UART ด้วยฟังก์ชัน printf() ดาวน์โหลดโค้ดได้จากลิ้งค์ https://www.cpe.ku.ac.th/~cpj/204223/avr-serial.zip แตกไฟล์และนำไฟล์ serial.c มาคอมไพล์ร่วมกับโค้ดเฟิร์มแวร์ โค้ดตัวอย่างด้านล่างจะส่งข้อความ Hello, Serial ออกไปยังพอร์ทอนุกรมพร้อมกับ LED สีเขียวบนบอร์ดหลักกระพริบทุก ๆ ครึ่งวินาที

#include <avr/io.h>
#include <util/delay.h>

#include "serial.h"
 
int main()
{
  serial_init();
  DDRD |= (1<<PD3);  // ให้ PD3 เป็นเอาท์พุท
 
  for (;;)
  {
    printf("Hello, Serial\n");
    PORTD ^= (1<<PD3);   // ใช้ตัวดำเนินการ XOR เพื่อสลับลอจิกของขา PD3
    _delay_ms(500);
  }
}

กรณีที่พัฒนาเฟิร์มแวร์ด้วย Arduino เราสามารถเรียกใช้คำสั่ง Serial.begin ในการตั้งอัตราการส่งข้อมูล และคำสั่ง Serial.print เพื่อพิมพ์ข้อความที่ต้องการออกทางพอร์ท UART ตัวอย่างด้านล่างให้พฤติกรรมเดียวกับกับโค้ดภาษาซีข้างต้น

void setup()
{
  pinMode(PIN_PD3, OUTPUT);
  Serial.begin(9600);
}

void loop()
{
  Serial.println("Hello, Serial");
  PORTD ^= (1<<PD3);  // ใช้ตัวดำเนินการ XOR เพื่อสลับลอจิกของขา PD3
  delay(500);
}

ทดลองคอมไพล์และอัพโหลดเฟิร์มแวร์เข้าสู่ไมโครคอนโทรลเลอร์ เชื่อมสายสัญญาณจากบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์เข้ากับอะแดปเตอร์ USB-Serial และเสียบอะแดปเตอร์เข้ากับพอร์ท USB ของเครื่องคอมพิวเตอร์ จากนั้นเลือกเมนู Tools → Serial Port และเลือกชื่อพอร์ทที่ปรากฏขึ้นมา (บนลินุกซ์มักปรากฏเป็นชื่อ /dev/ttyUSB0)

การเลือกพอร์ทอนุกรมที่ต้องการเชื่อมต่อใน Arduino IDE

เลือกเมนู Tools → Serial Monitor ดังแสดง

การเปิดโปรแกรม Serial Monitor

ให้แน่ใจว่าอัตราการส่งข้อมูลถูกตั้งไว้ที่ 9600 baud (หมายถึง 9600 บิตต่อวินาที) หน้าจอ Serial Monitor ควรปรากฏผลลัพธ์เป็นข้อความ Hello, Serial ทุก ๆ ครึ่งวินาที พร้อมกับ LED สีเขียวบนบอร์ดหลักกระพริบเป็นจังหวะเดียวกัน

ผลลัพธ์จากหน้าจอของ Serial Monitor

ปัญหาที่อาจพบ

Arduino IDE บน Ubuntu ไม่แสดงรายการพอร์ทอนุกรมในเมนู Tools → Serial Port

สาเหตุมักเกิดจากผู้ใช้ไม่ได้รับสิทธิ์ในการเข้าใช้พอร์ทอนุกรม แก้ไขโดยการระบุให้บัญชีผู้ใช้อยู่ในกลุ่ม dialout โดยใช้คำสั่ง

sudo adduser <ชื่อบัญชี> dialout

จากนั้นให้ล็อกเอาท์และล็อกอินกลับเข้ามาใหม่

Arduino IDE บน MAC OS X ไม่แสดงรายการพอร์ทอนุกรมในเมนู Tools → Serial Port

ติดตั้งไดรเวอร์สำหรับอะแดปเตอร์ USB-serial จากเว็บ http://www.silabs.com/products/mcu/pages/usbtouartbridgevcpdrivers.aspx

สายไฟที่ใช้เชื่อมบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์กับอะแดปเตอร์ยาวไม่พอ เนื่องจากพอร์ท USB อยู่ห่างกันเกินไป

มีทางเลือกในการแก้ปัญหาดังนี้

ใช้สาย USB ที่ปลายด้านหนึ่งเป็นตัวผู้และอีกปลายเป็นตัวเมียเพื่อช่วยเสริมความยาว
ใช้อุปกรณ์ USB hub
ในกรณีฉุกเฉินให้ถอดบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ออกหลังจากอัพโหลดเฟิร์มแวร์ แล้วเสียบอะแดปเตอร์แทนที่ในพอร์ท USB เดียวกัน จากนั้นป้อนไฟเลี้ยงให้กับบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ผ่านทางอะแดปเตอร์ USB-serial โดยเชื่อมขา VCC ของอุปกรณ์ทั้งคู่เข้าด้วยกัน ถอดอะแดปเตอร์ออกและเสียบบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์กลับที่เดิมเมื่อต้องการอัพโหลดเฟิร์มแวร์ใหม่

การจ่ายไฟเลี้ยงให้กับบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ผ่านอะแดปเตอร์ USB-serial

โปรแกรมทางฝั่งคอมพิวเตอร์

โปรแกรมที่ใช้รับข้อมูลผ่านพอร์ทอนุกรมทางฝั่งคอมพิวเตอร์สามารถเขียนขึ้นได้จากภาษาใดก็ได้ที่มีไลบรารีสำหรับเชื่อมต่อกับพอร์ทอนุกรม ในวิกินี้จะยกตัวอย่างสองภาษาคือภาษาจาวาและภาษาไพทอน

ตัวอย่างโปรแกรมภาษาจาวา

ภาษาจาวาไม่ได้มีไลบรารีสำหรับสื่อสารกับพอร์ทอนุกรมมาให้ตั้งแต่แรก จึงต้องมีการติดตั้งเพิ่มเติม ไลบรารีที่นิยมใช้กันได้แก่ RXTX โค้ดตัวอย่างด้านล่างรอรับข้อมูลจากพอร์ทอนุกรมที่ระบุไ้ว้ในคอมมานด์ไลน์อาร์กิวเมนต์ และพิมพ์อักขระที่รับมาได้ทั้งหมดออกมาทางหน้าจอ

import java.io.InputStream;
import gnu.io.*;
 
public class SerialMonitor {
 
    public static void main(String[] args) throws Exception
    {
        if (args.length != 1)
        {
            System.err.println("Usage: java SerialMonitor <serial-dev>");
            System.exit(1);
        }

        String dev = args[0];

        System.out.println("Monitoring serial stream on " + dev);
        CommPortIdentifier portIdentifier = CommPortIdentifier.getPortIdentifier(dev);
        if (portIdentifier.isCurrentlyOwned()) 
        {
            System.out.println( "Error: Port is currently in use" );
        }
        else
        {
            int timeout = 2000;
            CommPort commPort = portIdentifier.open("serial",timeout);
 
            if (commPort instanceof SerialPort) 
            {
                SerialPort serialPort = (SerialPort) commPort;
                serialPort.setSerialPortParams(9600,
                        SerialPort.DATABITS_8,
                        SerialPort.STOPBITS_1,
                        SerialPort.PARITY_NONE );
 
                InputStream in = serialPort.getInputStream();
                while (true) 
                {
                    int data = in.read();
                    if (data < 0) break;
                    System.out.print((char)data);
                }
            }
        }
    }
}

ศึกษาขั้นตอนการติดตั้งไลบรารี RXTX ได้จากวิกิ การติดตั้งไลบรารี RXTX

ตัวอย่างโปรแกรมภาษาไพทอน

เช่นเดียวกับภาษาจาวา ภาษาไพทอนไม่ได้มีไลบรารีสำหรับสื่อสารกับพอร์ทอนุกรมมาให้เช่นกัน ใช้คำสั่ง apt-get หรือ pip เพื่อติดตั้งไลบรารี pyserial ดังนี้

sudo apt-get install python-serial

หรือ

sudo pip install pyserial

โค้ดตัวอย่างด้านล่าง (สำหรับไพทอน 3.x) รอรับข้อมูลจากพอร์ทอนุกรมที่ระบุผ่านคอมมานด์ไลน์อาร์กิวเมนต์ และพิมพ์อักขระที่รับมาได้ทั้งหมดออกมาทางหน้าจอ

import sys
import serial
 
if len(sys.argv) != 2:
    print("Usage: %s <serial-dev>" % sys.argv[0], file=sys.stderr)
    exit(1)

dev = sys.argv[1]
print("Monitoring serial input stream on %s" % dev)
ser = serial.Serial(dev)
while True:
    data = ser.read()
    print(data.decode("utf8"),end="")
    sys.stdout.flush()   # force output to display

ข้อมูลเพิ่มเติม

Simple Serial Communications With AVR libc

การสื่อสารผ่านพอร์ทอนุกรม

เนื้อหา

แนะนำพอร์ทอนุกรมบนไมโครคอนโทรลเลอร์

การติดตั้งไดรเวอร์สำหรับอะแดปเตอร์

การเชื่อมอะแดปเตอร์เข้ากับบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์

โค้ดเฟิร์มแวร์สำหรับส่งข้อมูลสู่พอร์ทอนุกรม

ปัญหาที่อาจพบ

โปรแกรมทางฝั่งคอมพิวเตอร์

ตัวอย่างโปรแกรมภาษาจาวา

ตัวอย่างโปรแกรมภาษาไพทอน

ข้อมูลเพิ่มเติม

รายการเลือกการนำทาง

เครื่องมือส่วนตัว

เนมสเปซ

สิ่งที่แตกต่าง

ดู

เพิ่มเติม

ค้นหา

การนำทาง

เครื่องมือ