《8051單片機(jī)原理及應(yīng)用》 課件 第六章 串行通信系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院網(wǎng)絡(luò)安全基礎(chǔ)技術(shù)應(yīng)用第六章串行通信系統(tǒng)授課人：目錄CONTENT6.1.通信協(xié)議6.2.工作模式6.3.波特率6.4.串行通信接口寄存器6.5.串口通信接口的管腳選擇6.1.通信協(xié)議最簡單的通信系統(tǒng)模型如圖6.1-1所示，由信源、信道和信宿三部分組成。信源是信息的發(fā)源地，是提供消息的人、設(shè)備或事物；信道是信息的傳遞媒介，如烽火、鴿子、通信線纜、無線電波等；信宿是信息傳遞的接收者。信源信宿信道圖6.1-1最簡通信模型6.1.通信協(xié)議單片機(jī)內(nèi)部集成了串行通信模塊。所謂串行通信是指數(shù)據(jù)一位一位地順序傳送，通信線路簡單，只要一對傳輸線就可以實(shí)現(xiàn)雙向通信。與“串行”相對的是“并行”，所謂并行通信是8根數(shù)據(jù)線并列放置同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)。單片機(jī)內(nèi)部集成的串行通信模塊遵守RS232協(xié)議，信道是RS232通信線纜，信源和信宿是單片機(jī)設(shè)備或電腦。單片機(jī)和電腦、單片機(jī)和單片機(jī)、以及單片機(jī)和其他有串行通信模塊的芯片都能利用串行通信模塊進(jìn)行通信。通信雙方要互相“聽”得懂彼此的話，通信協(xié)議非常重要。6.1.通信協(xié)議通信協(xié)議是指為了進(jìn)行數(shù)據(jù)交換而制定的規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)或約定，可以簡單地理解為計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行相互會話所使用的共同協(xié)議，通信雙方必須使用相同的協(xié)議。單片機(jī)串行通信使用RS232協(xié)議，全稱EIA-RS-232C標(biāo)準(zhǔn)，EIA（ElectronicIndustryAssociation）代表美國電子工業(yè)協(xié)會，RS（Recommendedstandard）代表推薦標(biāo)準(zhǔn)，232是標(biāo)識號，C是版本號，協(xié)議規(guī)定了電氣特性和機(jī)械接口。1.電氣特性：RS232總線上傳送的數(shù)字量采用負(fù)邏輯，并且關(guān)于地對稱。邏輯1：-3V~-15V，當(dāng)電平低于-3V是邏輯1。邏輯0：+3V~+15V，當(dāng)電平高于+3V，是邏輯0。在個(gè)人電腦PC的COM口，為了保證通訊準(zhǔn)確及通訊距離，電壓一般為±9V到±15V。2.電纜長度：在通信速率低于20kb/s時(shí)，RS-232C直接連接的最大物理距離為15m（50英尺）。機(jī)械接口：RS232通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)接口是DB9接口，也稱COM口，如圖6.1-2所示。圖6.1-2DB9接口6.1.通信協(xié)議4.電路設(shè)計(jì)：(1)上位機(jī)是DB9接口當(dāng)單片機(jī)要和電腦的DB9接口連接時(shí)，電路設(shè)計(jì)方法如圖6.1-3所示電腦DB9接口電壓在±9V到±15V之間，單片機(jī)工作電壓0~5V，因此在單片機(jī)開發(fā)板增加Max232芯片實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。DB9接口有利于遠(yuǎn)距離傳輸（3米），但是笨重。圖6.1-3單片機(jī)串行口和電腦DB9接口連接示意圖6.1.通信協(xié)議（2）上位機(jī)是USB接口USB接口輕巧簡便，即插即用，所以現(xiàn)在筆記本電腦都向用戶提供USB接口，卻無DB9接口。此時(shí)串行通信電路設(shè)計(jì)方法如圖6.1-4所示，在單片機(jī)開發(fā)板上增加CH340等芯片實(shí)現(xiàn)通信數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。電腦端USB接口不僅與單片機(jī)通信，同時(shí)還能為單片機(jī)開發(fā)板提供5V電源。圖6.1-4單片機(jī)串行口和電腦USB接口的連接示意圖6.1.通信協(xié)議（3）單片機(jī)和單片機(jī)之間通信當(dāng)單片機(jī)和單片機(jī)連接或者單片機(jī)與其他有串口模塊的設(shè)備通信時(shí)，兩個(gè)串行接口之間直接相連，不需要轉(zhuǎn)換芯片，如圖6.1-5所示。注意數(shù)據(jù)流向要一致，發(fā)送方的TXD管腳與接收方的RXD連接。圖6.1-5單片機(jī)和單片機(jī)的連接示意圖6.1.通信協(xié)議5.串行異步通信格式串行通信的數(shù)據(jù)傳輸有異步和同步兩種方式。（1）所謂“同步”是指在約定的通信速率下，發(fā)送端和接收端的時(shí)鐘信號頻率和相位始終保持一致，收發(fā)兩端共用一根時(shí)鐘線，通常RXD是數(shù)據(jù)線，TXD是時(shí)鐘線。（2）所謂“異步”是以字符為單位進(jìn)行傳輸，收發(fā)雙方的時(shí)鐘各自獨(dú)立，字符之間沒有固定的時(shí)間間隔，但以固定速率傳送。異步通信設(shè)置起始位和停止位實(shí)現(xiàn)同步。單片機(jī)支持異步通信時(shí)，全稱為通用異步串行發(fā)送/接收器（UniversalAsychronousReceiver/Transmitter），簡稱UART。單片機(jī)既支持同步傳輸也支持異步傳輸時(shí)，全稱通用同步/異步串行接收/發(fā)送器（UniversalSynchronous/AsychronousReceiver/Transmitter），簡稱USART。實(shí)際使用中，單片機(jī)大多采用異步通信。圖6.1-6是10位異步通信格式，由起始位（StartBit）、8位有效數(shù)據(jù)字符（D0~D7）、停止位（StopBit）構(gòu)成；圖6.1-7是11位異步通信格式，由起始位、8位有效數(shù)據(jù)字符、校驗(yàn)位（TB8、RB8）、停止位構(gòu)成。6.1.通信協(xié)議圖6.1-6串行通信模塊10位數(shù)據(jù)異步傳輸收發(fā)時(shí)序6.1.通信協(xié)議圖6.1-7串行通信模塊11位數(shù)據(jù)異步傳輸收發(fā)時(shí)序6.2.工作模式傳統(tǒng)的8051單片機(jī)只有1個(gè)串行通信接口，增強(qiáng)型單片機(jī)普遍提供2~4個(gè)串行通信接口。表6.2-1展示了STC單片機(jī)不同型號的串行通信接口數(shù)量表。以下串行通信接口簡稱串口：串行通信接口名傳統(tǒng)8051STC8H8K64USTC32G12K128串口1√USART√USART√USART串口2

√UART√USART串口3

√UART√UART串口4

√UART√UART傳統(tǒng)8051單片機(jī)只有一個(gè)串口，是USART通信方式，即可同步傳輸，也可異步傳輸，有四種工作模式?，F(xiàn)代單片機(jī)串口數(shù)量多，其中串口1（STC32系列還有串口2）繼承了傳統(tǒng)8051串口模塊的功能；串口2及以上（STC32系列是串口3以上）是UART異步傳輸通信方式，只有兩種工作模式。所謂工作模式，是指串口以什么樣的方式接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)格式（圖6.1-6、圖6.1-7所示）選擇、通信方式（同步還是異步）選擇、波特率（固定還是可變）選擇，以上三種選擇方式構(gòu)成了串口的工作模式。6.2.工作模式表6.2-2列出了USART四種工作模式；表6.2-3列出了UART兩種工作模式。工作模式功能說明傳統(tǒng)8051串口1STC8H系列串口1STC32G系列串口1、2模式0同步移位串行方式√√√模式1可變波特率10位數(shù)據(jù)方式√√√模式2固定波特率11位數(shù)據(jù)方式√√√模式3可變特率11位數(shù)據(jù)方式√√√表6.2-2USART四種工作模式工作模式功能說明STC8H系列串口2~4STC32G系列串口3-4模式0可變波特率10位數(shù)據(jù)方式√√模式1可變波特率11位數(shù)據(jù)方式√√表6.2-3UART兩種工作模式6.3.1.波特率的定義波特率（BaudRate）是指單位時(shí)間內(nèi)傳送的碼元符號（Symbol）的個(gè)數(shù)，串口通信的一個(gè)碼元就是一個(gè)二進(jìn)制符號（字符），所以波特率其實(shí)就是比特率，單位是比特每秒（bit/second，bps)。單片機(jī)常用的可變波特率如表6.3-1所示：波特率bps(比特/秒）波特率Kbps（103比特/秒）24002.448004.896009.61920019.23840038.4115200115.2表6.3-1單片機(jī)常用比特率6.3.1.波特率的定義圖6.3-1是1秒一個(gè)比特的示意圖。如果是9600bps，那么橫軸1s內(nèi)將有個(gè)9600個(gè)“1”或“0”比特。圖6.3-1

1bps示意圖單片機(jī)波特率有兩種發(fā)生方式。當(dāng)波特率固定，波特率由時(shí)鐘電路提供；當(dāng)波特率可編程，由定時(shí)器溢出率產(chǎn)生。6.3.2.波特率的發(fā)生以STC單片機(jī)串行通信接口1為例，波特率發(fā)生情況如表6.3-2所示。工作模式串口1工作特點(diǎn)波特率發(fā)生模式0串行通信同步傳輸，波特率固定。波特率直接由單片機(jī)時(shí)鐘電路提供。ART_M0x6是通訊速度控制位，0表示波特率不加倍；1表示波特率6倍速。模式1串行通信異步傳輸，10位數(shù)據(jù)格式，波特率可變。波特率與定時(shí)器的溢出率有關(guān)，由定時(shí)器1或者定時(shí)器2產(chǎn)生。SMOD位是串口1波特率倍頻控制位，0表示不倍頻，1表示倍頻。模式2串行通信異步傳輸，11位數(shù)據(jù)格式，波特率固定波特率直接由單片機(jī)時(shí)鐘提供。模式4串行通信異步傳輸，11位數(shù)據(jù)格式，波特率可變。波特率與定時(shí)器的溢出率有關(guān)，由定時(shí)器1或者定時(shí)器2產(chǎn)生。波特率計(jì)算公式同模式1。6.3.2.波特率的發(fā)生單片機(jī)串口1工作模式1和4波特率可變，其工作原理如圖6.3-2所示，串行通信模塊由數(shù)據(jù)緩沖器（SBUF）、移位寄存器、發(fā)送控制器、接收控制器、以及波特率發(fā)生器等組成。當(dāng)SBUF里的數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，TI置“1”，發(fā)出中斷請求；當(dāng)SBUF接收到完整的一個(gè)字節(jié)，RI置“1”，發(fā)出中斷請求。圖6.3-2單片機(jī)串口1的內(nèi)部工作示意圖（波特率由定時(shí)器產(chǎn)生）6.3.2.波特率的發(fā)生串口2~4的波特率都可編程，默認(rèn)由定時(shí)器2發(fā)生，也可以選擇其他定時(shí)器發(fā)生，具體如表6.3-3所示。串口名波特率默認(rèn)發(fā)生器及計(jì)算公式可選波特率發(fā)生器及計(jì)算公式串口2定時(shí)器2：無串口3定時(shí)器3：串口4定時(shí)器4：6.3.2.波特率的發(fā)生單片機(jī)串口波特率的發(fā)生和配置初始化語句，可通過STC-ISP助手獲得如圖6.3-3所示。圖6.3-3串口初始化的STC-ISP助手使用方法6.3.2.波特率的發(fā)生步驟如下：1.選擇芯片型號2.選擇串口波特率計(jì)算器3.選擇系統(tǒng)頻率和波特率。此頻率和左邊的IRC頻率一致。4.選擇串口名、通信幀格式、波特率發(fā)生器以及定時(shí)器時(shí)鐘。5.點(diǎn)擊“生成C代碼”。6.將復(fù)制的C代碼粘貼在Keil工程文件中。6.4.串行通信接口寄存器單片機(jī)內(nèi)置的串行通信模塊盡管內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但是“自動(dòng)化工作”水平很高。用戶要使用串行通信功能，只需配置控制寄存器SCON，然后讀寫數(shù)據(jù)寄存器SBUF。假設(shè)單片機(jī)已經(jīng)開啟串口通信功能，且已開啟波特率發(fā)生器，根據(jù)圖6.3-2，單片機(jī)串口通信讀一個(gè)字節(jié)的語句：If(RI)//檢查到有數(shù)據(jù)Data=SBUF;//將串口數(shù)據(jù)寄存器里的數(shù)據(jù)讀出來RI=0;//清除RI標(biāo)注，接收下一個(gè)字節(jié)的內(nèi)容。同理，單片機(jī)串口通信發(fā)送一個(gè)字節(jié)的語句：SBUF=data；//將要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫到串口數(shù)據(jù)寄存器里；while(TI==0);//如果sbuf里的位沒有發(fā)送完畢，就一直等待TI=0;//sbuf數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，清除TI，發(fā)送下一個(gè)字節(jié)的內(nèi)容以下內(nèi)容介紹串口1和串口2的初始化方法。6.4.1.串口1相關(guān)寄存器1.串口1控制寄存器SCON，可位尋址。寄存器名稱地址Bit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0SCON98HSM0/FESM1SM2RENTB8RB8TIRISM0、SM1是工作模式選擇位。SM0SM1工作模式00模式0，同步移位串行方式01模式1，可變波特率8位數(shù)據(jù)方式10模式2，固定波特率9位數(shù)據(jù)方式11模式3，可變波特率9位數(shù)據(jù)方式表6.4-1SM0、SM1的設(shè)置6.4.串行通信接口寄存器SM2：多機(jī)通訊控制位。在多機(jī)通信時(shí)必須采用9位數(shù)據(jù)位模式（圖2.2-18），此時(shí)數(shù)據(jù)位的第TB8或者RB8標(biāo)記該字節(jié)是地址幀。REN：允許/禁止串口接收控制位。0——禁止串口接收數(shù)據(jù)；1——允許串口接收數(shù)據(jù)。TB8：數(shù)據(jù)校驗(yàn)位，模式2或3有用。RB8：數(shù)據(jù)校驗(yàn)位，模式2或3有用。TI：TransmitInterrupt，串口1發(fā)送中斷請求標(biāo)志位。當(dāng)串口1串行數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，該位置1，向主機(jī)請求中斷。TI必須軟件清零。RI：ReceiveInterrupt，接收中斷。當(dāng)串行數(shù)據(jù)接收完畢，該位置1，向主機(jī)請求中斷。RI必須軟件清零。6.4.1.串口1相關(guān)寄存器2.串口1數(shù)據(jù)寄存器SBUF，不可位尋址。寄存器名稱地址Bit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0SBUF99HSBUF實(shí)際是2個(gè)同名的寄存器，分別對應(yīng)圖6.3-2中寫SBUF，讀SBUF。3.輔助寄存器AUXR，可位尋址，上電復(fù)位值00000001。寄存器名地址Bit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0AUXR8EHT0x12T1x12UART_M0X6T2RT2_C/TT2X12EXTRAMSIST2UART_M0x6:串口1模式0的通訊速度控制，UART_M0x6=0，表示波特率不加倍；UART_M0x6=1，表示波特率6倍速。SIST2：串口1波特率發(fā)生器選擇位0：選擇定時(shí)器1作為波特率發(fā)生器，可選模式。1：選擇定時(shí)器2作為波特率發(fā)生器，默認(rèn)模式。6.4.2.串口2相關(guān)寄存器1.串口2控制寄存器S2CON，可位尋址。寄存器名稱地址Bit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0S2CON9AHS2SM0-S2SM2S2RENS2TB8S20RB8S2TIS2RI串行口2只有兩種工作模式，由S2SM0決定，當(dāng)S2SM0=0，8位UART，波特率可變；當(dāng)S2SM0=1，9位UART，波特率可變。寄存器的其余位的功能與SCON里的位定義一致。6.4.2.串口2相關(guān)寄存器2.串口2數(shù)據(jù)寄存器S2BUF，不可位尋址。S2BUF是串口2的數(shù)據(jù)接收/發(fā)送緩沖區(qū)，其用法與串口1的SBUF完全一致。以上介紹了串口1、串口2主要寄存器，串口2及以上寄存器名稱總結(jié)如下：STC8、STC32系列單片機(jī)的串口2~4主要寄存器：SnCON——n=2，3，4。串口2、3、4的控制寄存器，位定義同串口1的SCON一致，但是工作方式只有2種。SnBUF——n=2，3，4。串口2、3、4的數(shù)據(jù)寄存器，是串行口的發(fā)送/接收緩沖區(qū)。寄存器名稱地址Bit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0S2BUF9BH6.4.3.電源管理器PCON電源管理器PCON的一個(gè)作用是控制串口1波特率的倍頻。寄存器名稱地址Bit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0PCON87HSMODSMOD0LVDFPOFGF1GF0PDIDLSMOD：串口1波特率倍頻控制位0：串口1的波特率不加倍；1：串口1的波特率加倍。SMOD0：幀錯(cuò)誤檢測控制位0：無幀錯(cuò)檢測功能1：使能幀錯(cuò)誤檢測功能。此時(shí)SCON的SM0/FE為FE功能，即為幀錯(cuò)誤檢測標(biāo)志位。6.5.串口通信接口的管腳選擇串口通信接口的管腳可以切換。通過設(shè)置特殊功能寄存器AUXR1/P_SW1、P_SW2實(shí)現(xiàn)。AUXR1/P_SW1輔助寄存器1專門用來控制外圍設(shè)備切換；P_SW2專門用來切換串口2、3、4的管腳。寄存器定義如下：1.AUXR1/P_SW1，寄存器地址A2H，不可位尋址，復(fù)位后的值0000，0000。寄存器名稱地址Bit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0AUXR1/P_SW1A2HS1_S1S1_S0CCP_S1CCP_S0SPI_S1SPI_S00DPS寄存器的bit7、bit6控制串口1（S1）的管腳切換：S1_S1S1_S0RXDTXD00P3.0P3.101P3.6/RXD_2P3.7/TXD_210P1.6/RXD_3P1.7/TXD_311P4.3/RXD_4P4.4/TXD_46.5.串口通信接口的管腳選擇2.P_SW2，寄存器地址BAH，不可位尋址，復(fù)位后的值是0000，0000。寄存器名稱地址Bit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0P_SW2BAH

S4_SS3_SS2_S寄存器bit0（S2_S）控制串口2的管腳切換，寄存器bit1、bit2分別控制串口3和串口4的管腳切換。串口2的管腳切換如下：S2_SRXDTXD0P1.0/RXD2P1.1/TXD21P4.6/RXD2_2P4.7/TXD2_2任務(wù)1.串口通信完成一個(gè)hello程序在任務(wù)1里使用STC單片機(jī)USB功能完成了一個(gè)Hello程序開發(fā)，現(xiàn)在使用串行通信模塊完成這個(gè)任務(wù)。任務(wù)要求：單片機(jī)開發(fā)板DB9接口和電腦連接，當(dāng)電腦發(fā)出“hello”，單片機(jī)回復(fù)“ok”。1.任務(wù)資訊：（1）單片機(jī)開發(fā)板電路如圖6.5-1所示。單片機(jī)串口2模塊與上位機(jī)通信。（2）DB9接口的2、3管腳通過SP3232芯片（電平轉(zhuǎn)換）與單片機(jī)串口2管腳P46、P47連接。（3）J2插座是串口DB9接口。（4）如果電腦端也是DB9接口，那么RS232線纜兩端都是DB9接口；如果電腦端是USB接口，那么RS232一端是DB9接口連接單片機(jī)，一端是USB接口連接電腦，此時(shí)RS232電纜線必須自帶RS232-USB轉(zhuǎn)換器。任務(wù)1.串口通信完成一個(gè)hello程序圖6.5-1串行通信電路任務(wù)1.串口通信完成一個(gè)hello程序2.任務(wù)分析：（1）利用單片機(jī)串口2實(shí)現(xiàn)此功能，使用STC-ISP軟件（如圖6.5-2所示）得到串口初始化代碼。（2）開啟單片機(jī)串行通信接口2中斷，當(dāng)單片機(jī)接收到上位機(jī)數(shù)據(jù)，單片機(jī)CPU響應(yīng)中斷。圖6.5-2串口2的波特率發(fā)生任務(wù)1.串口通信完成一個(gè)hello程序3.任務(wù)代碼：#include<STC8h.H>//包含此頭文件后，里面聲明的寄存器不需要再手動(dòng)輸入，避免重復(fù)定義#include"intrins.h"#include<stdio.h>typedefunsignedcharu8;typedefunsignedintu16;typedefunsignedlongu32;#defineUART2_BUF_LENGTH32u8TX2_Cnt;//發(fā)送計(jì)數(shù)u8RX2_Cnt;//接收計(jì)數(shù)bitB_TX2_Busy;//發(fā)送忙標(biāo)志任務(wù)1.串口通信完成一個(gè)hello程序bitRx2Ready=0;//接收字符串結(jié)束標(biāo)志u8idataRx2Buffer[UART2_BUF_LENGTH];//接收緩沖voidPrintString2(u8*puts);voidUart2Init(void) //115200bps@22.1184MHz{ S2CON=0x50; //8位數(shù)據(jù),可變波特率 AUXR|=0x04; //定時(shí)器時(shí)鐘1T模式 T2L=0xD0; //設(shè)置定時(shí)初始值 T2H=0xFF; //設(shè)置定時(shí)初始值 AUXR|=0x10; //定時(shí)器2開始計(jì)時(shí)}任務(wù)1.串口通信完成一個(gè)hello程序voidmain(void){voidGPIO_PxMxSet();Uart2Init();EA=1;//允許全局中斷 IE2|=1;//開啟串口2中斷 while(1){if(Rx2Ready)//收到完整字符串{