《單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)》課件第3章

項(xiàng)目3單片機(jī)與PC機(jī)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1項(xiàng)目要求

3.2理論知識(shí)

3.3項(xiàng)目分析及實(shí)施

3.4項(xiàng)目小結(jié)

習(xí)題

3.1項(xiàng)目要求

單片機(jī)與外部PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信可以通過并行接口和串行接口兩種方式來實(shí)現(xiàn)。通常，單片機(jī)與外圍芯片之間，如與存儲(chǔ)器、I/O接口等之間常采用并行通信方式；而單片機(jī)與外部系統(tǒng)之間，如單片機(jī)與單片機(jī)、單片機(jī)與PC機(jī)等之間常采用串行通信方式。

本項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)的就是單片機(jī)與PC機(jī)之間的雙向串行數(shù)據(jù)通信，利用單片機(jī)的串行口工作，連接單片機(jī)和PC機(jī)，使雙方可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和交換。通過這個(gè)項(xiàng)目要求掌握單片機(jī)串行口的工作方式，以及如何實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換。項(xiàng)目重難點(diǎn)：

(1)串行通信的基本知識(shí)；

(2)串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)RS-232C；

(3)51單片機(jī)串行通信接口的組成；

(4)51單片機(jī)的串行口工作原理；

(5)51單片機(jī)與外設(shè)通信的軟件編寫。

技能培養(yǎng)：

(1)掌握51單片機(jī)串行口工作原理及應(yīng)用；

(2)掌握51單片機(jī)串行口工作電路的分析與設(shè)計(jì)方法；

(3)熟練編寫單片機(jī)串行口通信的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)程序；

(4)掌握PC機(jī)與單片機(jī)串行口通信的工作方法。

3.2理論知識(shí)

3.2.1串行通信

1．串行通信的分類

按照串行數(shù)據(jù)的時(shí)鐘控制方式，串行通信可分為同步通信和異步通信兩類。

1)異步通信

在異步通信中，數(shù)據(jù)通常是以字符為單位組成字符幀傳送的。字符幀也稱數(shù)據(jù)幀，由起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位和停止位等４部分組成，異步通信的字符幀格式如圖3-1所示。圖3-1串行異步通信的字符幀格式

(1)起始位：位于字符幀開頭，只占1位，為邏輯低電平“0”，用來通知接收設(shè)備，發(fā)送端開始發(fā)送數(shù)據(jù)。線路上在不傳送字符時(shí)應(yīng)保持為“1”。接收端不斷檢測線路的狀態(tài)，若連續(xù)為“1”，以后又測到1個(gè)“0”，就知道將要發(fā)來1個(gè)新字符，應(yīng)馬上準(zhǔn)備接收。

(2)數(shù)據(jù)位：數(shù)據(jù)位(D0～D7)緊接在起始位后面，通常為5～8位，依據(jù)數(shù)據(jù)位由低到高的順序依次傳送。

(3)奇偶校驗(yàn)位：奇偶校驗(yàn)位只占1位，緊接在數(shù)據(jù)位后面，表征串行通信中采用奇校驗(yàn)還是偶校驗(yàn)，也可用這1位(I/O)來確定這一幀中的字符所代表信息的性質(zhì)(地址/數(shù)據(jù)等)。

(4)停止位：位于字符幀的最后，表征字符的結(jié)束，它一定是高電平(邏輯“1”)。停止位可以是1位、1.5位或2位。接收端收到停止位后，知道上一字符已傳完，同時(shí)也為接收下一字符作好準(zhǔn)備(只要再收到“0”就是新的字符的起始位)。若停止位以后不是緊接著傳送下一個(gè)字符，則讓線路上保持為“1”。圖3-1(a)表示１個(gè)字符緊接１個(gè)字符傳送的情況，上一個(gè)字符的停止位和下一個(gè)字符的起始位是緊相鄰的；圖3-1(b)則是2個(gè)字符間有空閑位的情況，空閑位為“1”，線路處于等待狀態(tài)。存在空閑位正是異步通信的特征之一。在異步通信中，字符幀由發(fā)送端一幀一幀地發(fā)送，每一幀數(shù)據(jù)均是低位在前，高位在后，通過傳輸線被接收端一幀一幀地接收。一幀字符與一幀字符之間可以是連續(xù)的，也可以是間斷的，這完全由發(fā)送方根據(jù)需要來決定。在進(jìn)行異步傳送時(shí)，發(fā)送端和接收端可以有各自獨(dú)立的時(shí)鐘脈沖控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，這兩個(gè)時(shí)鐘彼此獨(dú)立，互不同步。由于發(fā)送端不需要傳送同步時(shí)鐘到接收端，因此異步通信對硬件要求較低，實(shí)現(xiàn)起來比較簡單、靈活，適用于數(shù)據(jù)的隨機(jī)發(fā)送/接收。但因其每個(gè)字節(jié)都要建立一次同步，即每個(gè)字符都要額外附加兩位，所以傳輸速度較低。在單片機(jī)中主要采用異步通信方式。

2)同步通信

同步通信時(shí)，發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備采用同步時(shí)鐘頻率，發(fā)送設(shè)備先發(fā)送串行通信數(shù)據(jù)同步信號(hào)給接收設(shè)備，接收設(shè)備接收到同步信號(hào)后，開始進(jìn)行串行數(shù)據(jù)塊的傳送，當(dāng)串行數(shù)據(jù)塊傳送完畢時(shí)，發(fā)送設(shè)備發(fā)送結(jié)束串行通信同步數(shù)據(jù)，停止串行通信。同步通信的數(shù)據(jù)塊格式如圖3-2所示。同步串行通信一次發(fā)送的數(shù)據(jù)量大，但需要發(fā)送和接收設(shè)備的串行控制時(shí)鐘頻率保持嚴(yán)格同步，這在實(shí)際系統(tǒng)中較難實(shí)現(xiàn)也不經(jīng)濟(jì)。圖3-2串行同步通信的數(shù)據(jù)塊格式

2．串行通信的波特率

在串行通信中，數(shù)據(jù)是按位進(jìn)行傳送的，每秒內(nèi)傳送的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)就是波特率。單位是位/秒，用ｂ/ｓ表示。例如，某串行通信系統(tǒng)的波特率為9600ｂ/ｓ，就是說該串行通信系統(tǒng)每秒傳送9600個(gè)二進(jìn)制位。如果每個(gè)字符格式包含10個(gè)代碼位(個(gè)起始位和１個(gè)停止位、8個(gè)數(shù)據(jù)位)，則該串行通信系統(tǒng)每秒傳送960個(gè)字符。

波特率是串行通信的重要指標(biāo)，用于表征數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?。波特率越高，?shù)據(jù)的傳輸速度越快。異步傳送方式的波特率一般為50～9600ｂ/ｓ，同步傳送方式的波特率可達(dá)56ｋｂ/ｓ或更高。

3．串行通信方式

串行通信根據(jù)數(shù)據(jù)傳送的方向及時(shí)間關(guān)系可分為單工、半雙工和全雙工三種制式，如圖3-3所示。圖3-3串行通信的三種制式

4．串行通信協(xié)議

通信協(xié)議是指單片機(jī)之間進(jìn)行信息傳輸時(shí)的一些約定，包括通信方式、波特率、雙機(jī)之間握手信號(hào)的約定等。為了保證單片機(jī)之間能準(zhǔn)確、可靠地通信，相互之間必須遵循統(tǒng)一的通信協(xié)議，在通信之前一定要設(shè)置好。

串行通信的格式及約定(如同步方式、通信速率、數(shù)據(jù)塊格式、信號(hào)電平等)不同，就形成了多種不同的串行通信的協(xié)議與接口標(biāo)準(zhǔn)。其中常見的有通用異步收發(fā)器(UART)、通用串行總線(USB)、I2C總線、CAN總線、SPI總線、RS-485，RS-232C，RS-449，RS-422A標(biāo)準(zhǔn)等。通用異步收發(fā)器UART(UniversalAsynchronousReceiver/Transmitter)是串行接口的核心部件，同步通信的接口電路稱為USRT(UniversalSychronousReceiver/Transmitter)，異步和同步通信共用的接口電路稱為USART(UniversalSychronousAsychronousReceiver/Transmitter)。

3.2.2串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)RS-232C

1.RS-232C信息格式標(biāo)準(zhǔn)

RS-232C采用串行格式。其標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：信息的開始為起始位，信息的結(jié)束為停止位；信息本身可以是5、6、7、8位再加一位奇偶校驗(yàn)位。如果兩個(gè)信息之間無信息，則為“1”，表示空，如圖3-4所示。圖3-4

RS-232C信息格式

2.RS-232C引腳定義

RS-232C接口規(guī)定使用25針“D”型口連接器，連接器的尺寸及每個(gè)插針的排列位置都有明確的定義。在微型計(jì)算機(jī)通信中，常常使用的有9根信號(hào)引腳，所以常用9針“D”型接口(DB9)連接器替代25針連接器。連接器引腳定義如圖3-5所示。RS-232C接口的主要信號(hào)線的功能定義如表3-1所示。圖3-5

DB9型連接器定義表3-1

RS-232C標(biāo)準(zhǔn)接口主要引腳定義

3.RS-232C電器特性

RS-232C采用單端連接方式，所以接口電路采用一條信號(hào)地線。由于通過地線的串音干擾大，為了提高該標(biāo)準(zhǔn)的抗干擾能力，規(guī)定了較高的信號(hào)電平。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定驅(qū)動(dòng)器的輸出電壓為±5V～±15V，接收器的輸入門限電壓為－3V～＋3V。

RS-232C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定信號(hào)電平采用負(fù)邏輯，規(guī)定邏輯“１”為－5V～－15V，負(fù)載端要小于－3V，一般選用－12V。規(guī)定邏輯“０”為＋5V～＋15V，負(fù)載端要大于＋3V，一般選用＋12V。

RS-232電平與TTL電平不兼容。因此，當(dāng)計(jì)算機(jī)通過RS-232C與外設(shè)進(jìn)行通信時(shí)，必須經(jīng)過相應(yīng)的電平轉(zhuǎn)換電路。MC1488和MC1489芯片可以完成這種功能。

MC1488是總線驅(qū)動(dòng)器(發(fā)送器)，內(nèi)部有三個(gè)與非門和一個(gè)反相器，可將輸入的TTL電平轉(zhuǎn)換為RS-232C標(biāo)準(zhǔn)電平；MC1489是總線接收器，內(nèi)部有4個(gè)反相器，可將RS-232C電平轉(zhuǎn)換為TTL電平。而目前使用較多的電平轉(zhuǎn)換電路是MAX232、MAX202、HIN232等芯片，它們同時(shí)集成了RS-232電平與TTL電平之間的互換。如圖3-6所示。其第一部分是電荷泵電路，由1、2、3、4、5、6腳和4只電容構(gòu)成，功能是產(chǎn)生+12V和-12V兩個(gè)電源，提供給RS-232串口電平的需要；第二部分是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道，由7、8、9、10、11、12、13、14腳構(gòu)成兩個(gè)數(shù)據(jù)通道，其中13腳(R1IN)、12腳(R1OUT)、11腳(T1IN)、14腳(T1OUT)為第一數(shù)據(jù)通道，8腳(R2IN)、9腳(R2OUT)、10腳(T2IN)、7腳(T2OUT)為第二數(shù)據(jù)通道，TTL/CMOS數(shù)據(jù)從T1IN、T2IN輸入轉(zhuǎn)換成RS-232數(shù)據(jù)從T1OUT、T2OUT送到電腦DB9插頭，DB9插頭的RS-232數(shù)據(jù)從R1IN、R2IN輸入轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS數(shù)據(jù)后從R1OUT、R2OUT輸出；第三部分是供電，15腳DNG、16腳VCC(+5V)。圖3-6

RS-232C電平轉(zhuǎn)換芯片由MAX232組成的通信接口電路如圖3-7所示。圖3-7

MAX232通信接口電路3.2.3

51單片機(jī)內(nèi)部串行口

51單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)可編程全雙工異步串行通信接口，它通過數(shù)據(jù)接收引腳RXD(P3.0)和數(shù)據(jù)發(fā)送引腳TXD(P3.1)與外設(shè)進(jìn)行串行通信，可以同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。這個(gè)串行口既可以實(shí)現(xiàn)異步通信，又可以用于網(wǎng)絡(luò)通信，還可以作為同步移位寄存器使用。其幀格式有8位、10位和11位，并能設(shè)置各種波特率。

1.串行口內(nèi)部結(jié)構(gòu)

51單片機(jī)內(nèi)部有兩個(gè)獨(dú)立的接收、發(fā)送緩沖器SBUF。SBUF屬于特殊功能寄存器。發(fā)送緩沖器只能寫入不能讀出，接收緩沖器只能讀出不能寫入，二者共用一個(gè)字節(jié)地址(99H)。51單片機(jī)串行口的結(jié)構(gòu)如圖3-8所示。圖3-8串行口結(jié)構(gòu)框圖

1)串行口數(shù)據(jù)緩沖器SBUF

SBUF是一個(gè)特殊功能寄存器，有2個(gè)在物理上獨(dú)立的接收緩沖器與發(fā)送緩沖器。發(fā)送緩沖器只能寫入不能讀出，寫入SBUF的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在發(fā)送緩沖器中，用于串行發(fā)送；接收緩沖器只能讀出不能寫入。2個(gè)緩沖器共用1個(gè)地址99H，通過對SBUF的讀、寫指令來區(qū)別是對接收緩沖器還是發(fā)送緩沖器進(jìn)行操作。接收或發(fā)送數(shù)據(jù)是通過串行口對外的2條獨(dú)立收發(fā)信號(hào)線RXD(P3.0)、TXD(P3.1)來實(shí)現(xiàn)的。

發(fā)送時(shí)，只需將發(fā)送數(shù)據(jù)輸入SBUF，CPU將自動(dòng)啟動(dòng)和完成串行數(shù)據(jù)的發(fā)送：

SBUF=0xFF；//啟動(dòng)一次數(shù)據(jù)發(fā)送，可向SBUF再發(fā)送下一個(gè)數(shù)接收時(shí)，CPU將自動(dòng)把接收到的數(shù)據(jù)存入SBUF，用戶只需從SBUF中讀出接收數(shù)據(jù)：

P1=SBUF；//完成一次數(shù)據(jù)接收，SBUF可再接收下一個(gè)數(shù)

2)串行口控制寄存器SCON

SCON用來控制串行口的工作方式和狀態(tài)，其字節(jié)地址為98H，可以位尋址，位地址為9FH～98H。單片機(jī)復(fù)位時(shí)，SCON的所有位全為0。SCON的格式如表3-2所示。表3-2

SCON的各位定義

SM0、SM1——串行方式選擇位，其定義如表3-3所示。表3-3串行口方式選擇位的定義

SM2——多機(jī)通信控制位，用于方式2和方式3中。在方式2、3處于接收方式時(shí)，若SM2=1，且接收到的第9位數(shù)據(jù)RB8為0，則不激活RI；若SM2=1，且RB8=1，則置RI=1。在方式2、3處于接收或發(fā)送方式時(shí)，若SM2=0，則不論接收到的第9位RB8為0還是為1，TI、RI都以正常方式被激活。在方式1處于接收時(shí)，若SM2=1，則只有當(dāng)收到有效的停止位后，RI才置1。在方式0中，SM2應(yīng)為0。

REN——允許串行接收位。它由軟件置位或清零。REN=1時(shí)，允許接收；REN=0時(shí)，禁止接收。

TB8——發(fā)送數(shù)據(jù)的第9位。在方式2和方式3下，TB8由軟件置位或復(fù)位，可用做奇偶校驗(yàn)位。在多機(jī)通信中，TB8可作為區(qū)別地址幀或數(shù)據(jù)幀的標(biāo)識(shí)位：地址幀時(shí)TB8為1；數(shù)據(jù)幀時(shí)TB8為0。

RB8——接收數(shù)據(jù)的第9位。功能同TB8，在方式2和方式3中，RB8是第9位接收數(shù)據(jù)。

TI——發(fā)送中斷標(biāo)志位。在方式0下，發(fā)送完8位數(shù)據(jù)后，TI由硬件置位；在其他方式中，TI在發(fā)送停止位之初由硬件置位。TI是發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)的標(biāo)志，可以用指令查詢是否發(fā)送結(jié)束。TI=1時(shí)，也可向CPU申請中斷，響應(yīng)中斷后，必須由軟件清除TI。

RI——接收中斷標(biāo)志位。在方式0下，接收完8位數(shù)據(jù)后，RI由硬件置位；在其他方式中，RI在接收停止位的中間由硬件置位。同TI一樣，也可以通過指令查詢是否接收完一幀數(shù)據(jù)。RI=1時(shí)，也可申請中斷，響應(yīng)中斷后，必須由軟件清除RI。接收/發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，無論是否采用中斷方式工作，每接收/發(fā)送一幀數(shù)據(jù)都必須用指令對RI/TI清0，以備下一次收/發(fā)。

3)電源及波特率選擇寄存器PCON

PCON主要是為CHMOS型單片機(jī)的電源控制而設(shè)置的專用寄存器，不可以位尋址，字節(jié)地址為87H。在HMOS的8051單片機(jī)中，PCON除了最高位以外，其他位都是虛設(shè)的。其定義如表3-4所示。表3-4

PCON寄存器各位定義

2.串行口工作方式

1)串行口方式0

在方式0下，串行口作為同步移位寄存器使用。移位數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收以8位數(shù)據(jù)為一幀，不設(shè)起始位和停止位，無論輸入/輸出，均低位在前高位在后，每個(gè)機(jī)器周期發(fā)送或接收一位數(shù)據(jù)，所以方式0的波特率是固定的，為晶振頻率的1/12。波特率計(jì)算公式為：波特率＝fosc/12。

式中的fosc為晶振頻率。若fosc＝12MHz，則波特率＝fosc/12＝12/12＝1Mb/s。

在方式0下串行數(shù)據(jù)從RXD(P3.0)端輸入或輸出，同步移位脈沖由TXD(P3.1)送出。這種方式常用于擴(kuò)展I/O口。串行口擴(kuò)展并行輸出口時(shí)，要有“串入并出”的移位寄存器配合(如74LS164或CD4094)；串行口擴(kuò)展并行輸入口時(shí)，要有“并入串出”的移位寄存器配合(如74LS165)。

(1)方式0用于擴(kuò)展輸出口。方式０的輸出時(shí)序如圖3-9所示。方式0用于擴(kuò)展I/O口輸出的電路如圖3-10所示。當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)寫入串行口發(fā)送緩沖器SBUF時(shí)，串行口TXD引腳輸出的移位脈沖將8位數(shù)據(jù)以fosc/12的波特率從RXD引腳輸出，數(shù)據(jù)(低位在前)逐位移入74LS164。發(fā)送完置中斷標(biāo)志TI為1，請求中斷。在再次發(fā)送數(shù)據(jù)之前，必須由軟件清TI為0。74LS164為串入并出移位寄存器(SIPO)。圖3-9方式0輸出時(shí)序圖3-10方式0擴(kuò)展輸出口電路

【例1】用單片機(jī)的串行口外接74LS164，控制八只LED滾動(dòng)顯示，用Protus繪制的電路如圖3-11所示。圖3-11例1電路

(2)方式0用于擴(kuò)展輸入口。方式０的輸入時(shí)序如圖3-12所示。方式0用于擴(kuò)展I/O口輸入，其電路如圖3-13所示。在滿足REN=1和RI=0的條件下，串行口即開始從RXD端以fosc/12的波特率輸入數(shù)據(jù)(低位在前)，當(dāng)接收完8位數(shù)據(jù)后，置中斷標(biāo)志RI為1，請求中斷。在再次接收數(shù)據(jù)之前，必須由軟件清RI為0。其中，74LS165為并入串出移位寄存器(PISO)。圖3-12方式0的輸入時(shí)序圖3-13方式0擴(kuò)展輸入口電路

【例2】用74LS165連接的8位撥碼開關(guān)從單片機(jī)串行口輸入控制八只LED的顯示，用Protus繪制的電路如圖3-14所示。圖3-14例2電路

2)串行口方式1

串行口定義為方式1時(shí)，為波特率可調(diào)的10位數(shù)據(jù)的異步通信口UART。TXD為數(shù)據(jù)發(fā)送引腳，RXD為數(shù)據(jù)接收引腳，傳送一幀數(shù)據(jù)的格式如圖3-15所示。一幀信息包括1位起始位，8位數(shù)據(jù)位和1位停止位。圖3-15串行方式1的數(shù)據(jù)格式

(1)發(fā)送。發(fā)送時(shí)，數(shù)據(jù)從TXD端輸出，當(dāng)數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖器SBUF后，啟動(dòng)發(fā)送器發(fā)送。當(dāng)發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)后，置中斷標(biāo)志TI為1。方式1所傳送的波特率取決于定時(shí)器1的溢出率和PCON中的SMOD位。方式１的發(fā)送時(shí)序如圖3-16所示。圖3-16方式1的發(fā)送時(shí)序

(2)接收。接收時(shí)，由REN置1，允許接收，串行口采樣RXD，當(dāng)采樣由1到0跳變時(shí)，確認(rèn)是起始位“0”，開始接收一幀數(shù)據(jù)。當(dāng)RI=0，且停止位為1或SM2=0時(shí)，停止位進(jìn)入RB8位，同時(shí)置中斷標(biāo)志RI；否則信息將丟失。所以，采用方式1接收時(shí)，應(yīng)先用軟件清除RI或SM2標(biāo)志。方式１的接收時(shí)序如圖3-17所示。圖3-17方式1的接收時(shí)序

(3)波特率。方式1波特率可變，由定時(shí)/計(jì)數(shù)器T1的計(jì)數(shù)溢出率來決定：

設(shè)計(jì)數(shù)初始值為x，那么每過256－x個(gè)機(jī)器周期，定時(shí)器溢出一次。為了避免因溢出而產(chǎn)生不必要的中斷，此時(shí)應(yīng)禁止T1中斷。溢出周期為 ，溢出率為溢出周期的倒數(shù)，所以

在實(shí)際使用時(shí)，通常是先確定波特率，再計(jì)算定時(shí)器T1的計(jì)數(shù)初值(常在這種場合稱其為時(shí)間常數(shù))：

然后進(jìn)行定時(shí)器的初始化。

定時(shí)器T1產(chǎn)生的常用波特率如表3-5所示。表3-5定時(shí)器T１產(chǎn)生的常用波特率

3)串行口方式2

在方式2下，串行口為11位UART,傳送波特率與SMOD有關(guān)。發(fā)送或接收的一幀數(shù)據(jù)包括1位起始位0，9位數(shù)據(jù)位(含1位附加的第9位，發(fā)送時(shí)為SCON中的TB8，接收時(shí)為RB8)，1位停止位，數(shù)據(jù)格式如圖3-18所示。圖3-18方式2的數(shù)據(jù)格式

(1)數(shù)據(jù)輸出。CPU向SBUF寫入數(shù)據(jù)時(shí)，就啟動(dòng)了串行口的發(fā)送過程。SCON中的TB8寫入輸出移位寄存器的第9位，8位裝入SBUF。方式2的發(fā)送時(shí)序如圖3-19所示。圖3-19方式2的發(fā)送時(shí)序

(2)數(shù)據(jù)輸入。軟件將接收允許位REN置為1后，接收器就以所選頻率的16倍速率開始采樣RXD引腳的電平狀態(tài)。當(dāng)檢測到RXD引腳發(fā)生負(fù)跳變時(shí)，說明起始位有效，將其移入輸入移位寄存器，開始接收這一幀數(shù)據(jù)。方式2的接收時(shí)序如圖3-20所示。圖3-20方式2的接收時(shí)序

(3)波特率。方式2波特率固定，為fosc/32或fosc/64。如用公式表示則為

3)串行口方式3

方式3為波特率可變的11位UART通信方式。除了波特率不同以外，方式3和方式2工作過程完全相同。方式3的波特率與方式1完全相同。

4)串行口四種工作方式的比較

四種工作方式的區(qū)別主要表現(xiàn)在幀格式及波特率兩個(gè)方面，如表3-6所示。表3-6串行口四種工作方式的比較

3.串行口的初始化

51單片機(jī)的串行口需初始化后，才能完成數(shù)據(jù)的輸入、輸出。其初始化過程如下：

(1)按選定串行口的工作方式設(shè)定SCON的SM0、SM1兩位二進(jìn)制編碼。

(2)對于工作方式2或3，應(yīng)根據(jù)需要在TB8中寫入待發(fā)送的第9位數(shù)據(jù)。

(3)若選定的工作方式不是方式0，還需設(shè)定接收／發(fā)送的波特率。

(4)設(shè)定SMOD的狀態(tài)，以控制波特率是否加倍。

(5)若選定工作方式1或3，則應(yīng)對定時(shí)器T1進(jìn)行初始化以設(shè)定其溢出率。

【例3】

51單片機(jī)的晶振頻率為11.059MHz，波特率為1200b/s，要求串口發(fā)送數(shù)據(jù)為8位，編寫它的初始化程序。

解假設(shè)SMOD=1，T1工作在方式2。初始化程序如下：3.2.4

51單片機(jī)之間的通信

1．雙機(jī)通信

距離較近的兩個(gè)51單片機(jī)系統(tǒng)可以將它們的串行口直接相連，實(shí)現(xiàn)雙機(jī)通信，如圖3-21所示。為了增加通信距離，減少通道和電源干擾，可以在通信線路上利用RS-232C等標(biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)行雙機(jī)通信。實(shí)用的接口電路如實(shí)驗(yàn)板連接方法。圖3-21單片機(jī)雙機(jī)通信系統(tǒng)

2．多機(jī)通信

51單片機(jī)串行口的方式2和方式3有一個(gè)專門的應(yīng)用領(lǐng)域，即多機(jī)通信。所謂多機(jī)通信是指一臺(tái)主機(jī)和多臺(tái)從機(jī)之間的通信，構(gòu)成主從式多機(jī)分布通信系統(tǒng)。主機(jī)發(fā)送的信息可以傳輸?shù)礁鱾€(gè)從機(jī)，各從機(jī)只能向主機(jī)發(fā)送信息，從機(jī)之間不能進(jìn)行相互通信。圖3-22為一種多機(jī)通信連接示意圖。圖3-22單片機(jī)多機(jī)通信系統(tǒng)多機(jī)通信的實(shí)現(xiàn)，主要是依靠主、從機(jī)之間正確設(shè)置與判斷SM2和發(fā)送或接收的第9位數(shù)據(jù)(TB8或RB8)來完成的。多機(jī)通信過程如下：

(1)使所有從機(jī)的SM2置1，處于只接收地址幀的狀態(tài)。

(2)主機(jī)發(fā)送一幀地址信息，與所需從機(jī)聯(lián)絡(luò)。主機(jī)應(yīng)置RB8為1，表示發(fā)送的是地址。

(3)各從機(jī)接收到地址信息后，因RB8為1，置中斷標(biāo)志RI，向CPU申請中斷。中斷后，將所接收地址與本從機(jī)的地址相比較，對于地址相符的從機(jī)，使SM2清0以接收主機(jī)隨后發(fā)來的所有信息；對于地址不相符的從機(jī)，仍保持SM2為1的狀態(tài)，對從機(jī)隨后發(fā)送的數(shù)據(jù)不予接收，直至發(fā)送新的地址幀。

(4)主機(jī)發(fā)送控制命令和數(shù)據(jù)信息給被尋址的從機(jī)。此時(shí)，主機(jī)置RB8為0，表示發(fā)送的是數(shù)據(jù)或控制命令。對于沒選中的從機(jī)，因?yàn)镾M2=1，RB8=0，所以不會(huì)產(chǎn)生中斷，不接收主機(jī)發(fā)送的信息。

3．PC機(jī)和單片機(jī)之間的通信

單片機(jī)具有控制能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但不適于做大量的數(shù)據(jù)處理、查詢等。實(shí)際應(yīng)用中常將單片機(jī)作為下位機(jī)使用，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、檢測與控制等功能。PC機(jī)通常作為上位機(jī)接收下位機(jī)采集的各種數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算、處理與管理等功能，同時(shí)向下位機(jī)發(fā)出各種指令。因此，實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與用單片機(jī)間數(shù)據(jù)通信是十分重要的。通常PC機(jī)工作于查詢方式，而51單片機(jī)既可以工作于查詢方式，也可以工作于中斷方式。

PC機(jī)與單片機(jī)之間可以由RS-232C、RS-422A或RS-423等標(biāo)準(zhǔn)接口相連。

在PC機(jī)系統(tǒng)內(nèi)都裝有異步通信適配器，利用它可以實(shí)現(xiàn)異步串行通信。該適配器的核心元件是可編程的Intel8250芯片，它使PC機(jī)有能力與其他具有標(biāo)準(zhǔn)的RS-232C接口的計(jì)算機(jī)或設(shè)備進(jìn)行通信。而51單片機(jī)本身具有一個(gè)全雙工的串行口，因此只要配以電平轉(zhuǎn)換的驅(qū)動(dòng)電路、隔離電路，就可組成一個(gè)簡單可行的通信接口。同樣，PC機(jī)和單片機(jī)之間的通信也分為雙機(jī)通信和多機(jī)通信。 3.3項(xiàng)目分析及實(shí)施

3.3.1任務(wù)1-51單片機(jī)雙機(jī)串行通信

1．任務(wù)要求和分析

1)任務(wù)要求

甲機(jī)發(fā)送，乙機(jī)接收，甲機(jī)的S20按鍵通過串口控制乙機(jī)的LED燈D4和D5閃爍：

(1)甲機(jī)發(fā)送“A”，甲機(jī)和乙機(jī)的D4都閃爍；

(2)甲機(jī)發(fā)送“B”，甲機(jī)和乙機(jī)的D5都閃爍；

(3)甲機(jī)發(fā)送“C”，甲機(jī)和乙機(jī)的D4、D5都閃爍；

(4)甲機(jī)停止發(fā)送，甲機(jī)和乙機(jī)的D4、D5都停止閃爍。

2)任務(wù)分析

首先根據(jù)任務(wù)的要求將兩機(jī)串行口工作的方式和其中的參數(shù)設(shè)置好。

兩機(jī)的串行口采用相同的工作方式1,采用22.1184MHz晶體。甲機(jī)在本任務(wù)中只要發(fā)送數(shù)據(jù)，所以甲機(jī)的SCON=0x40，而乙機(jī)要求接收數(shù)據(jù)，所以乙機(jī)的SCON=0x50，定時(shí)器T1作波特率發(fā)生器使用，工作在方式2，其初值TH1=TL1=0xFA(250)，PCON=0x00(SMOD=0)。

2．器件及設(shè)備選擇

要實(shí)現(xiàn)51單片機(jī)之間的雙機(jī)通信，可以采用兩個(gè)51單片機(jī)系統(tǒng)，這里運(yùn)用我們的兩塊實(shí)驗(yàn)板，其上的單片機(jī)采用的是STC89C52。為了適應(yīng)兩機(jī)間不同的距離，利用RS-232C標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行雙機(jī)通信，所以兩只單片機(jī)的串行通信線都經(jīng)過MAX232的電平轉(zhuǎn)換互相連接。因此本任務(wù)中使用的主要器件就是STC89C52和MAX232。另外為了檢驗(yàn)通信成功，我們要用按鍵控制發(fā)光二極管點(diǎn)亮。雙機(jī)通信的原理框圖如圖3-23所示。圖3-23雙機(jī)通信的框圖

3．任務(wù)實(shí)施

1)硬件原理圖設(shè)計(jì)

根據(jù)任務(wù)要求，將兩塊實(shí)驗(yàn)板的串口相連接就可以了。實(shí)驗(yàn)板的串行接口電路如圖3-24所示，U5是電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232，其中的RXD和TXD兩線分別與單片機(jī)STC89C52的RXD和TXD連接，J2是DB9的串行接口。用串行通信線將兩機(jī)的DB9接口連接起來，就可以進(jìn)行雙機(jī)通信了，但注意甲機(jī)的TXD要和乙機(jī)的RXD相連，而甲機(jī)的RXD要和乙機(jī)的TX相連。另外，參見書后附錄中的實(shí)驗(yàn)板電路圖，S20按鍵是由P3.7控制，D4和D5分別由P1.0和P1.1控制。圖3-24實(shí)驗(yàn)板的串行接口電路

2)軟件程序設(shè)計(jì)

雙機(jī)工作的軟件由甲機(jī)發(fā)送軟件和乙機(jī)接收軟件組成。

甲機(jī)發(fā)送源程序：程序分析：

(1)putc_to_SerialPort()是串口發(fā)送數(shù)據(jù)的子函數(shù)，這里采用查詢方式發(fā)送數(shù)據(jù)。語句“SBUF=c；”是將變量C的值送向SBUF寄存器發(fā)送出去。當(dāng)一個(gè)字節(jié)發(fā)送完成后硬件將自動(dòng)置TI為１，所以語句“while(TI==0)；”是查詢TI的狀態(tài)，若TI=0，說明數(shù)據(jù)未發(fā)送完，程序繼續(xù)查詢。若TI=1，說明數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)送完畢，循環(huán)條件不成立，繼續(xù)執(zhí)行下面的語句。由于串行口中斷標(biāo)志位必須軟件清除，所以當(dāng)查詢到TI=1之后，緊接著要清除中斷標(biāo)志位，以便后面繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。

(2)主程序首先完成甲機(jī)串行口工作方式和定時(shí)器T１工作方式的初始化，TI清0，開啟定時(shí)器T1，由于要求的四種類型操作是要能反復(fù)執(zhí)行的，所以放入while無限循環(huán)中。S20(P3.7)按鍵一旦為０，表明按鍵按下，檢測Operation_NO的值是幾按鍵就是第幾次按下。Operation_NO初始化為０，按鍵第一次按下時(shí)Operation_NO為１，執(zhí)行第一種操作：甲機(jī)的D4和D5燈都熄滅；Operation_NO為2，執(zhí)行第二種操作：調(diào)用putc_to_SerialPort子函數(shù)，串口發(fā)送‘Ａ’字符，甲機(jī)的D4燈閃爍，D5燈熄滅；Operation_NO為３，執(zhí)行第三種操作：調(diào)用putc_to_SerialPort子函數(shù)，串口發(fā)送‘B’字符，甲機(jī)的D5燈閃爍，D4燈熄滅；Operation_NO為4，執(zhí)行第四種操作：調(diào)用putc_to_SerialPort子函數(shù)，串口發(fā)送‘B’字符，甲機(jī)的D4和D5燈都閃爍。甲機(jī)燈設(shè)置的與乙機(jī)要求一致是為了檢驗(yàn)甲機(jī)的發(fā)送和乙機(jī)的接收數(shù)據(jù)是否正確。乙機(jī)接收源程序：程序分析：

乙機(jī)在本任務(wù)中是接收數(shù)據(jù)。首先對乙機(jī)的串行口工作方式和定時(shí)器T1工作方式的初始化，RI清0，開啟T1，先將乙機(jī)的D4和D5燈熄滅。查詢RI為１則表明接收完一字節(jié)數(shù)據(jù)，將RI清0，檢查SBUF接收的數(shù)據(jù)是什么，SBUF為‘A’,則乙機(jī)的D4燈閃爍，D5燈熄滅；SBUF為‘B’，則乙機(jī)的D5燈閃爍，D4燈熄滅；SBUF為‘C’，則乙機(jī)的D4和D5燈都閃爍；串行口沒有接收到數(shù)據(jù)則將D4和D5燈熄滅。可見操作甲機(jī)的按鍵S20，乙機(jī)的D4和D5燈如果與甲機(jī)工作情況一致，表明乙機(jī)通過串行口正確地接收到了甲機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，兩機(jī)通信成功。3.3.2任務(wù)2——單片機(jī)與PC機(jī)的串行通信

1．任務(wù)要求和分析

1)任務(wù)要求

完成PC機(jī)與單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，要求單片機(jī)發(fā)送一個(gè)字符給PC機(jī)，PC機(jī)將收到的字符回送給單片機(jī)，表示它已經(jīng)收到了這個(gè)字符。

通信協(xié)議：波特率為9600b/s，無奇偶校驗(yàn)位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位。

2)任務(wù)分析

在硬件設(shè)計(jì)方面：由于PC機(jī)串行口使用的是RS-232電平，而單片機(jī)的電平是TTL電平，兩者不兼容，所以在硬件設(shè)計(jì)上要使用電平轉(zhuǎn)換芯片，將單片機(jī)送出TTL電平轉(zhuǎn)換成RS-232電平之后送給PC機(jī)，同理，PC機(jī)送出RS-232電平轉(zhuǎn)換成TTL電平之后再送給單片機(jī)。

在軟件程序方面：不但要寫單片機(jī)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的程序，還要寫PC機(jī)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的程序。先根據(jù)任務(wù)的要求將單片機(jī)串行口的工作方式和參數(shù)設(shè)置好。單片機(jī)的串行口采用工作方式1，采用22.1184MHz晶體；單片機(jī)在本任務(wù)中要發(fā)送數(shù)據(jù)也要接收數(shù)據(jù)，所以REN=1；定時(shí)器T1作波特率發(fā)生器使用，工作在方式2，由于采用9600b/s波特率，其初值TH1=TL1=0xFA(250)。對于PC機(jī)方面的程序，可以使用“串口調(diào)試助手”來完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，免去自己開發(fā)PC機(jī)端程序的麻煩。

2．器件及設(shè)備選擇

PC機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部裝有異步通信適配器，該適配器的核心元件是可編程的Intel8250芯片，能夠與具有標(biāo)準(zhǔn)RS-232C、RS-422、RS-485等接口的計(jì)算機(jī)或設(shè)備進(jìn)行通信。51單片機(jī)本身具有全雙工的串行口，當(dāng)配以電平轉(zhuǎn)換電路后就可以與PC機(jī)組成一個(gè)簡單可行的通信接口。通常PC機(jī)工作于查詢方式，而51單片機(jī)既可以工作于查詢方式，也可以工作于中斷方式。

將實(shí)驗(yàn)板的串口與PC機(jī)使用RS-232串行線連接好，安裝“串口調(diào)試助手”軟件并運(yùn)行。

3．任務(wù)實(shí)施

1)硬件原理圖設(shè)計(jì)

本任務(wù)采用一塊單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板和一臺(tái)PC機(jī)。實(shí)驗(yàn)板上的串行口通信電路如圖3-24所示，用RS-232串口線將實(shí)驗(yàn)板的DB9串行接口與PC機(jī)的DB9串行接口連接好即可。

2)軟件程序設(shè)計(jì)

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)板與PC機(jī)通信時(shí)，PC機(jī)上的程序就用SComAssistantV2.1串口調(diào)試助手的成熟軟件，而實(shí)驗(yàn)板上要給STC89C52編寫接收PC機(jī)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)到PC機(jī)的程序。

STC89C52串口通信源程序如下：程序分析：

(1)對T1和串口的初始化由函數(shù)init()完成，程序采用中斷方式接收PC機(jī)發(fā)送來的數(shù)據(jù)。當(dāng)單片機(jī)接收完一幀數(shù)據(jù)后，硬件置位接收中斷標(biāo)志位RI。在接收中斷服務(wù)函數(shù)中，將接收到的數(shù)據(jù)從SBUF中取走，并放入事先定義好的數(shù)據(jù)中第11個(gè)元素位置。

(2)主函數(shù)中，“if(RI=〖KG-1mm〗=1)”是查詢接收中斷標(biāo)志位，當(dāng)RI=1時(shí)，清除接收中斷標(biāo)志位，并調(diào)用發(fā)送子函數(shù)。

(3)在send()發(fā)送函數(shù)中，由于采用的是查詢方式發(fā)送數(shù)據(jù)，所以首先需要關(guān)掉串行口中斷。然后將放在數(shù)組str［］中的字符串逐字送給SBUF，由單片機(jī)的TXD引腳發(fā)送給PC機(jī)