單片微型計算機與接口技術（第2版）第八章串行口

1、本章介紹的主要內(nèi)容串行通信的基本概念串行通信接口結構和工作原理串行通信的控制寄存器串行通信的應用編程 8 1 概 述 單片機應用與數(shù)據(jù)采集或工業(yè)控制時，往往作為前端機安裝在工業(yè)現(xiàn)場，遠離主機，現(xiàn)場數(shù)據(jù)采用串行通信方式發(fā)往主機進行處理，以降低通信成本，提高通信可靠性。如下圖所示。 數(shù)據(jù)通信方式有兩種：并行通信與串行通信并行通信： 所傳送數(shù)據(jù)的各位同時發(fā)送或接收， 數(shù)據(jù)有多少位就需要多少根數(shù)據(jù)線。 特點： 速度快，成本高，適合近距離傳輸 如計算機并口，打印機，8255 。 串行通信：所傳送數(shù)據(jù)的各位按順序一位一位 地發(fā)送或接收。 只需一根數(shù)據(jù)，一根地線，共2 根 （如雙向通信發(fā)送和接收各需1根數(shù)據(jù)

2、線。） 特點：成本低，硬件方便，適合遠距離通信， 傳輸速度低。 串行通信的分類：同步串行通信和異步串行通信 一、異步通信： 通信的雙方應該有一個約定，什么時候開始發(fā)送，什么時候發(fā)送完畢；接收方收到的信息是否正確等，這就是通信協(xié)議。 異步串行通信一幀數(shù)據(jù)格式： 一個起始位 “0”,表示字符的開始，然后是58位數(shù)據(jù)即該字符的代碼，規(guī)定低位在前，高位在后，接 下來是奇偶校驗位(可省略)，最后以停止位“1”表示字符的結束。優(yōu)點：硬件結構簡單。缺點：傳輸速度慢。P1D0D1D2D3D4D5D6D7P10第n個字符（一幀）n-1n+10D0起始位數(shù)據(jù)位（58位）校驗位停止位二、同步通信 在同步通信中，發(fā)送

3、方在數(shù)據(jù)或字符開始處就用同步字符(常約定12個字節(jié))指示一幀的開始 ，由時鐘來實現(xiàn)發(fā)送端和接收端同步，接收方一旦檢測到與規(guī)定的同步字符符合，下面 就連續(xù)按順序傳送若干個數(shù)據(jù) ，最后發(fā)校驗字節(jié)。見下圖：SYN字符1SYN字符2數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2.數(shù)據(jù)n連續(xù)傳送n 個數(shù)據(jù)校驗三、單工、半雙工、全雙工通信方式 按通信方向分類：單工、半雙工、全雙工通信方式 1 單工方式: 一端是發(fā)送端，另外一端是接收端： 2. 半雙工方式 每端口有一個發(fā)送器和一個接收器，通過開關連接在線路上，數(shù)據(jù)可以雙向傳送，但不能同時發(fā)送和接收. 要通過換向器轉換方向。3. 全雙工方式 通信雙方用兩個獨立的收發(fā)器單獨連接,可以同時發(fā)送和

4、接收數(shù)據(jù),因而提高了速度。 1.實現(xiàn)數(shù)據(jù)格式化 因為CPU發(fā)出的數(shù)據(jù)是并行數(shù)據(jù)，接口電路應實現(xiàn)不同串行通信方式下的數(shù)據(jù)格式化任務， 如自動生成起止方式的幀數(shù)據(jù)格式(異步方式)或在待傳送的數(shù)據(jù)塊前加上同步字符等。 在串行傳輸中，通信的雙方都按通信協(xié)議進行，所謂通信協(xié)議就是通信雙方必須共同遵守的 一種約定，約定包括數(shù)據(jù)的格式、同步的方式、傳送的步驟、檢糾錯方式及控制字符的定義 等。 串行接口的基本任務就是： 2.進行串、并轉換 在發(fā)送端，接口將CPU送來的并行信號轉換成串行數(shù)據(jù)進行傳送；而在接收端，接口要將接 收到串行數(shù)據(jù)變成并行數(shù)據(jù)送往CPU，由CPU進行處理。3.控制數(shù)據(jù)的傳輸速率 接口應具備

5、對數(shù)據(jù)傳輸率波特率的控制選擇能力，即具有波特率發(fā)生器。4.進行傳送錯誤檢測 在發(fā)送時，對傳送的數(shù)據(jù)自動生成校驗位或校驗碼，在接收端能檢查校驗位或校驗 碼，以確定傳送中是否有誤碼。 51系列單片機內(nèi)有一個全雙工的異步通信接口，通過對串行接口寫控制字可以選擇其數(shù)據(jù)格 式，同時內(nèi)部有波特率發(fā)生器，提供可選的波特率，可完成雙機通信或多機通信。四、 波特率 單位時間內(nèi)傳送的信息量。在計算機中，以每秒傳送的二進制位數(shù)為單位。例如：100字符/秒，1個字符11位， 波特率為：10011=1100（波特） 平均每位傳送占用時間 Td = 1/1100=0.909ms（一）通信線的連接 通信速率和通信距離這兩個

6、方面是相互制約的，降低通信速率，可以提高通信距離. 不同的通信距離，串行通信電路有不同的連接方法五. 串行通信總線標準及接口 RXD TXD GNDRXDTXDGNDRXDTXDGND電平轉換RXDTXDGNDRXDTXDGND電平轉換RXDTXDGND微機微機其他設備較遠距離傳送電路近距離傳送電路微機接口調(diào)制解調(diào)器調(diào)制解調(diào)器接口微機電話分機電話分機遠距離傳送電路 數(shù)字信號通過調(diào)制器變成模擬信號通過電話線傳送到對方，接收方通過解調(diào)器將模擬信號轉換成數(shù)字信號接收。（二）串行通信接口總線標準 測控系統(tǒng)中，計算機通信主要采用異步串行通信方式，常用的異步總線標準有三種：RS-232（RS-232A R

7、S-232B RS-232C）RS-449 （RS422 RS423 RS485）20mA電流環(huán) 這里重點介紹RS-232 RS-232C：速率：20Kbit/S， 最大通信距離 ： 15m RS422： 10Mbit/s， : 300m 90Kbit/s， ：1200m12. 抗干擾能力 采用標準的通信接口，本身具有一定的抗干擾能力，但是工業(yè)現(xiàn)場的情況往往很惡劣，因而要根據(jù)具體情況進行選擇。 RS232C：一般場合 RS422： 共模信號比較強 光纖： 電磁干擾較強二、RS232C 美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）公布的一種異步通信標準。 RS232C標準是：設備之間通信的距離不大于15米最大傳輸

8、速率20KB/S采用負邏輯：“1” 5V 15V “0” +5V + 15V不帶負載時輸出電平：25V +25V輸出短路電流： 0.5A最大負載電容: 2500pF 當計算機采用RS232標準時必須通過電平，MAX232 是EIA和TTL電平轉換芯片。內(nèi)部具有電壓提升電路，并有兩路接收器和發(fā)送器。其連線和引腳如圖T1INT2INR1OUTR2OUTV+V-T1OUTT2OUTR1INR2IN+5V1.01.01.0 1.01.0+10V-10VTTL/CMOSTTL/CMOSRS-232RS-232VCCV+V-T2OUTT1OUTR2INVCCR1INR1OUTT1INT2INR2OUTGN

9、DMAX232MAX232 連線圖MAX232 引腳圖 TTL電平可以由專用集成電路轉換成RS232C標準; 如: MC1488 或 75188 TTL RS232C 從MC1489 或 75189 RS232C TTL 由于MC1488需要采用12V電源，一般在單片機通信中大量使用的是只需要+5V電源、具有發(fā)送和接收的一體化芯片，如：MAX232、ICL232、ADM202等。 MCS51之間的雙機通信 RXD TXD GNDTXDGND8xx518xx51RXDMCS51和PC機的雙機通信MCS51和PC機的雙機通信見下圖VCCRSTXTAL1XTAL2TXDRXD89C51C1C2T1I

10、NR1OUTR1INT1OUTV-V+VCCC3C4C5GNDGNDC1=C2=C3=C4=C5=1MAX23215PC機COM1或COM212346789+5V+5V8.2 MCS-51的串行口結構 51單片機有一個可編程的全雙工異串行通信接口，它可作UART用，也可作同步移位寄存器，其幀格式可有8位、10位或l l位，并能設置各種波特率，給使用者帶來很大的靈活性。 一、串行口的內(nèi)部結構 發(fā)送SBUF（99H）門88 圖8.7 串行口結構框圖 RXD(P3.0)TXD(P3.1)中斷接收SBUF（99H）定時器T1fosc2分頻器發(fā)送控制器接收控制器串寄行存控器制 SCON （98H）輸入移

11、位寄存器TIRI內(nèi) 部 總 線 5 l 單片機通過引腳RXD(P3.0)串行數(shù)據(jù)接收端)和引腳TXD(P3.l)串行數(shù)據(jù)發(fā)送端)與外界進行通信。 圖中有兩個物理上獨立的接收、發(fā)送緩沖器SBUF，它們占用同一地址99H，可同時發(fā)送、接收數(shù)據(jù)。 發(fā)送緩沖器只能寫入，不能讀出，CPU寫SBUF，一方面修改發(fā)送寄存器，同時啟動數(shù)據(jù)串行發(fā)送； 接收緩沖器只能讀出、不能寫入。讀SBUF，就是讀接收寄存器。串行控制寄存器SCON 用以存 放串行口的控制和狀態(tài)信息。8XX51串行口正是通過對上述專用寄存器的設置、檢測與讀取 來管理串行通信的。特 殊功能寄存器PCON的最高位SMOD為串行口波特率的倍增控制位。

12、波特率發(fā)生器 可以有兩種選擇：1. 定時器T1作波特率發(fā)生器，改變計數(shù)初值就可以改變串行通信的速率，稱為可變波特率。2. 以內(nèi)部時鐘的分頻器作波特率發(fā)生器，因內(nèi)部時鐘頻率一定，稱為固定波特率shiftMOV A , SBUF串行數(shù)據(jù)CPUCPU SBUF SBUFshiftMOV SBUF , A并行數(shù)據(jù)并行數(shù)據(jù)甲方（發(fā)送）乙方（接收） 甲方發(fā)送時，CPU執(zhí)行指令 MOV SBUF , A 啟動了發(fā)送過程，數(shù)據(jù)并行送入SBUF ，在發(fā)送時鐘 shift的控制下由低位到高位一位一位發(fā)送，乙方在接收時鐘 shift 的控制下由低位到高位 順序進入移位寄存器SBUF ，甲方一幀數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，置位發(fā)送

13、中斷標志二、串行通信的傳送過程用下面簡圖說明TIRITI，該位可作為查詢標志（或引起中斷），CPU可再發(fā)送下一幀數(shù)據(jù) 。乙方一幀數(shù)據(jù)到齊即接收緩沖器滿，置位接收中斷標志RI，該位可作為查詢標志（或引起接收中斷），通過MOV A ,SBUF CPU將這幀數(shù)據(jù)并行讀入。由上述可知：甲、乙方的移位時鐘頻率應相同，即應具有相同的波特率，否則會造成數(shù)據(jù)丟失。發(fā)送方是先發(fā)數(shù)據(jù)再查標志，接收方是先查標志再收數(shù)據(jù)。 51單片機串行口是一個可編程接口，對它的編程只用兩個控制字分別寫入特殊功能寄存器： 串行口控制寄存器SCON(98H) 電源控制寄存器PCON(97H) 三、串行口的控制寄存器 3.CPU通過指令

14、和SBUF并行交換數(shù)據(jù)，并不能控制數(shù)據(jù)的串行移位，它只能查詢標志位來確定數(shù)據(jù)的移位是否完成。8.3 串行口的控制寄存器 8.3.1 串行口的控制寄存器SCON 8XX51串行通信的方式選擇 ,接受和發(fā)送控制及串行口的標志均由專用寄存器SCON控制和指示,其格式如下:SM0SM1 SM2RENTB8RB8TIRI方式選擇多機控制串行接收允許/ 禁止欲發(fā)的第九位收到的第九位發(fā)送中斷有/無接收中斷有/無SM0.SM1:串行口工作方式控制位。 0 0-方式0, 0 1-方式1 1 0-方式2, 1 1-方式3REN：串行接收允許位。 0-禁止接收, 1-允許接收TB8: 在方式2,3中,TB8是發(fā)送機

15、要發(fā)送的第9位數(shù)據(jù)。RB8:在方式2,3中,RB8是接受機收到的第9位數(shù)據(jù), 該數(shù)據(jù)來自發(fā)送機的TB8。TI: 發(fā)送中斷標志位。發(fā)送前必須用軟件清零，發(fā) 送過程中TI保持零電平,發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)后，由 硬件置 “1”，如果再發(fā)送,必須用軟件再清零。RI: 接收中斷標志位。接收前,必須用軟件清零,接 收過程中RI保持零電平，接收完一幀數(shù)據(jù)后由 片內(nèi)硬件自動置“1”。如果再接收必須用軟件清 零。SM2:多機通信控制位，僅用于方式2和方式3。 當選擇方式2或方式3時,發(fā)送機設置SM2=1, 以發(fā)送第九位TB8為1作為地址幀尋找從機,以 TB8為0作為數(shù)據(jù)幀進行通信，從機初始化時設 置SM2=1,若接收

16、到的第九位數(shù)據(jù)RB8=0,不置位 RI,即不引起接收中斷,亦既不接收數(shù)據(jù)幀,繼續(xù) 監(jiān)聽,如接收到的RB8=1,置位RI,引起接收中斷, 中斷程序中判斷所接收的地址幀和本機的地址是否符合,若不符合,維持SM2=1,繼續(xù)監(jiān)聽,若符合,則 清SM2,接收對放發(fā)來的后續(xù)信息. 綜上所述,SM2的作用為:在方式2,3中，發(fā)送機SM2=1(程序設置). 接收機SM2=1,若RB8=1,激活RI,引起接收中斷. RB8=0,不激活RI,不引起接斷. SM2=0,無論RB8=1還是RB8=0均激活RI引起 接收中斷。在方式1中, 當接收時SM2=1, 則只有收到有效停止位才 激活RI，在方式 0 中, SM2

17、應置為0。 PCON的字節(jié)地址為87H,無位地址, 只能字節(jié)尋址.,初始化時SMOD=0.SMODXXXXXXXPCON87H8 .3. 2 電源控制寄存器PCON PCON的格式如下圖所示,串行通信只用其中的最高位SMODSMOD : 波特率加倍位。在計算串行方式 1、 2、 3 的波特率時， SMOD 0不加倍; SMOD 1 加倍 8.4 串行口的工作方式 根據(jù)串行通信數(shù)據(jù)格式和波特率的不同, 51系列單片機的串行通信有四種工作方式,通過編程進行選擇,各工作方式的特點如下:1.方式0 RXD為串行數(shù)據(jù)的發(fā)送端或接收端, TXD輸出頻率為fosc/12的時鐘脈沖。波特率固定為fosc/12

18、 (fosc為單片機晶振頻率)方式0的數(shù)據(jù)格式為8位,低位在前,高位在后 移位寄位器方式多用于接口的擴展,當用單片機構成系統(tǒng)時,往往感到并行口不夠用,此時可通過外接串入并出移位寄存器擴展輸出接口；通過外接并入串出移位寄存器擴展輸入接口，方式 0 也可應用于短距離的單片機之間的通信。2.方式1 為10位異步通信方式,幾每幀數(shù)據(jù)由1個起始位 “0”.八個數(shù)據(jù)位 和1個停止位“1”共10位構成.其 中起始位和停止位在發(fā)送時是自動插入的. 以TXD為串行數(shù)據(jù)的發(fā)送端,T1提供位時鐘,RXD 為數(shù)據(jù)的接收端,由T1提供移位時鐘,是波特率可 變方式波特率=(2SMOD/32)(TI的溢出率) =(2SMO

19、D/32)(fosc/12(256-x) )根據(jù)給定的波特率,可以計算T1的計數(shù)初值X。 11位異步發(fā)送/接收方式,即每幀數(shù)據(jù)由有一個起 始位“0”,9個數(shù)據(jù)位和1個停止位“1”組成.發(fā)送時 九個數(shù)據(jù)位,由SCON寄存器的TB8位 提供,接收 到的第九位數(shù)據(jù)存放在SCON寄存器的RB8位. 第九位數(shù)據(jù)可作為檢驗位,也可用于多機通信中 識別傳送的是地址還是數(shù)據(jù)的特征位。波特率固定為(2SMOD/64)fosc.3. 方式24. 方式3 數(shù)據(jù)格式同方式 3，所不同的是波特率可變，計算方式同方式 1。 請 看 下 一 節(jié)8.5 串行口的應用編程串行口的波特率有兩種方式：固定波特率可變波特率注意：使用

20、可變波特率時，先確定TI 的計數(shù)初值，并對TI 進行初始化。串行通信的編程方式：查詢方式: 查TI或RI 是否為“1”。中斷方式：如果預先開了中斷，當TI、RI 為“1”，會自動產(chǎn)生中斷。注意：兩種方式中當發(fā)送或接受數(shù)據(jù)后都要注意 清TI 或RI 。查詢方式發(fā)送程序： (先發(fā)后查） 發(fā)送一個數(shù)據(jù)查詢TI 發(fā)送下一個數(shù)據(jù)查詢方式接收程序：（先查后收） 查詢RI讀入一個數(shù)據(jù)查詢RI讀下一個數(shù)據(jù)中斷方式發(fā)送程序： 發(fā)送一個數(shù)據(jù)等待中斷，在中斷中再發(fā)送下一個數(shù)據(jù)。中斷方式接收程序： 等待中斷，在中斷中再接收一個數(shù)據(jù)。8.5.1 查詢方式查詢方式發(fā)送流程圖和接收流程圖見下頁T1初始化、啟動T1工作設定串

21、行通信方式置發(fā)送數(shù)據(jù)塊首址數(shù)據(jù)塊長度計數(shù)器清TI發(fā)送數(shù)據(jù)TI1？修改地址指針和塊長度計數(shù)器全部數(shù)據(jù)發(fā)送完？開始結束查詢方式發(fā)送流程圖YNYNT1初始化、啟動T1工作設定串行通信方式,允許接收置接收緩沖區(qū)首址接收數(shù)據(jù)塊長度清RIRI1？修改地址指針和塊長度計數(shù)器全部數(shù)據(jù)接收完？開始結束接收數(shù)據(jù)Y查詢方式接收流程圖YNYN8.5.2 中斷方式 中斷方式的初始化編程同查詢方式，不同的是要開中斷，即置位EA和ES，編寫中斷服務程序。中斷方式串行通信的程序流程見下圖：T1初始化、啟動T1工作設定串行通信方式置發(fā)送數(shù)據(jù)塊首址數(shù)據(jù)塊長度計數(shù)器發(fā)送數(shù)據(jù)全部數(shù)據(jù)發(fā)送完？YN中斷方式發(fā)送流程圖等待中斷1 EA,

22、1ES發(fā)送數(shù)據(jù)中斷返回0 EA, 0ES中斷服務程序主程序修改地址指針和塊長度計數(shù)器清TIYNT1初始化、啟動T1工作設定串行通信方式置接收數(shù)據(jù)塊首址數(shù)據(jù)塊長度計數(shù)器全部數(shù)據(jù)接收完？YN中斷方式接收流程圖等待中斷1 EA, 1ES中斷返回0 EA, 0ES中斷服務程序主程序修改地址指針和塊長度計數(shù)器清RI接收數(shù)據(jù)YN例8-1. 在內(nèi)部數(shù)據(jù)存貯器20H3FH單元中共有32個數(shù)據(jù)，要求采用方式 1 串行發(fā)送出去， 傳送速率為1200波特，設fosc12MHZ。方法：T1工作于方式 2 作波特率發(fā)生器，取SMOD0，T1的時間常數(shù)計算如下： 波特率 1200(1/32)1210 /12(256-x)

23、 x230E6H 2SMOD fosc12(256-x)326發(fā)送程序： ORG 0000H MOV TMOD， #20H ；T1方式2 MOV TH1， #0E6H MOV TL1， #0E6H ；T1時間常數(shù) SETB TR1 ；啟動T1 MOV SCON， #40H ；串行口工作于方式1 MOV R0， #20H ；R0指發(fā)送緩沖區(qū)首 MOV R7， #32 ；R7作發(fā)送數(shù)據(jù)計數(shù)LO: MOV SBUF，R0 ；發(fā)送數(shù)據(jù) JNB TI， ；一幀未發(fā)完繼續(xù)查詢 CLR TI ；一幀發(fā)完清TI INC R0 DJNZ R7， LO ；數(shù)據(jù)塊未發(fā)完繼續(xù) SJMP 接收程序： ORG 0000H

24、 MOV TMOD， #20H MOV TH1， #0E6H MOV TL1， #0E6H SETB TR1 ；初始化T1， 并啟動T1 MOV SCON， #50H ；設定串行方式1，并允許接收 MOV R0， #20H MOV R7， #32 LOOP：JNB RI， ；一幀收完? CLR RI ；收完清RI MOV R0， SBUF ；將數(shù)據(jù)讀入 INC R0 DJNZ R7， LOOP SJMP #includemain( ) unsingned char i;char *p;TMOD=0 x20;TH1=0 xe6;TL1=0 xe6;TR1=1;SCON=0 x40;p=0 x20

25、;for (i=0;i=32;i+) SBUF=*p p+ while (!TI); TI=0； #include main( ) unsingned char i;char *p;TMOD=0 x20;TH1=0 xe6;TL1=0 xe6;TR1=1;SCON=0 x50;p=0 x20;for (i=0;i=32;i+) while (!RI); RI=0; *p=SBUF； p+ 查詢方式 C 語言發(fā)送程序查詢方式 C 語言接收程序TMOD=0 x20;TH1=0 xe6;TL1=0 xe6;TR1=1;SCON=0 x40;p=0 x20;SBUF=*pfor (i=0;i32;)；

26、#includeTrs interrupt 4 TI=0； i+; p+; SBUF=*p; main( ) unsingned char i;char *p; 中斷方式 C 語言發(fā)送程序TMOD=0 x20;TH1=0 xe6;TL1=0 xe6;TR1=1;SCON=0 x50;p=0 x20;for (i=0;i32;)；#includeTrs interrupt 4 RI=0； i+; *p =SBUF; p+; main( ) unsingned char i;char *p; 中斷方式 C 語言接收程序RXD89C51TXDP1.0例8-2 接線如圖，編一個自發(fā)自收程序，檢查單片機

27、的串行口是否完好，f=12MHz，波特率600，取SMOD0。解：依據(jù)公式波特率 求得 匯編語言編程 MOV TMOD,#20H MOV TH1, #0CCH MOV TL1, #0CCH ; 設定波特率 SETB TR1 MOV SCON, #50HABC: CLR TI MOV P1, #0FEH ; LED滅 ACALL DAY ; 延時 MOV A, #OFFH MOV SBUF, A ; 發(fā)送數(shù)據(jù)FFH JNB RI, $ ;RI = 0等待 CLR RI MOV A, SBUF ; 接收數(shù)據(jù)，A=FFH MOV P1, A ; 燈亮 JNB TI, $ ;TI = 0 等待 ACALL DAY ; 延時 SJMP ABCDAY: MOV R0, #0DAL: MOV R1