《單片機原理及應用 》課件-第6章

第6章單片機串行通信技術6.1串行通信的基本概念6.2串行通信口的結構6.3串行通信口的控制6.4串行通信口的4種工作方式6.5串行通信口的波特率設置

任務6-1利用串口控制數(shù)碼管顯示十六進制字符

任務6-2實現(xiàn)PC與單片機串行接口通信本章小結習題

單片機通信是指單片機與外部的信息交換。通常采用兩種形式,即并行通信和串行通信。所謂并行通信,是指構成一組數(shù)據的各位同時進行傳輸?shù)耐ㄐ欧绞健４型ㄐ艅t是指

數(shù)據一位一位地順序傳輸?shù)耐ㄐ欧绞健?/p>

串口通信的物理層有很多標準及變種,我們主要講解RS－232標準。RS－232標準主要規(guī)定了信號的用途、通信接口以及信號的電平標準。使用RS232標準的串口設備間常

見的通信結構如圖6－1所示。圖6－1串口通信結構圖

在最初的應用中,RS－232串口標準常用于計算機、路由與調制調解器(MODEN,俗稱“貓”)之間的通信,在這種通信系統(tǒng)中,設備被分為數(shù)據終端設備DTE(計算機、路由)

和數(shù)據通信設備DCE(調制調解器)。我們以這種通信模型講解它們的信號線連接方式及各個信號線的作用。

在臺式計算機中一般會有RS－232標準的COM口(也稱DB9接口),如圖6－2所示。圖6－2電腦主板上的COM口

其中接線口以針式引出信號線的稱為公頭,以孔式引出信號線的稱為母頭,如圖6－3所示。在計算機中引出的一般為公頭,而在調制調解器設備中引出的一般為母頭,使用上

圖中的串口線即可把它與計算機連接起來。通信時,串口線中傳輸?shù)男盘柧褪鞘褂们懊嬷v解的RS－232標準調制的。圖6－3DB9標準的公頭及母頭接法

6.1串行通信的基本概念

6.1.1并行通信并行通信是指構成一組數(shù)據的各位同時進行傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?。并行通信特點:并行通信速度高,但數(shù)據線多,結構復雜,成本高,一般適用于近距離通信。并行通信方式如圖6－4所示。圖6－4并行通信方式

6.1.2串行通信

串行通信是指數(shù)據一位一位地順序傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?。它的特點:速度低,但接線簡單,適用于遠距離通信。串行通信有兩種基本方式:同步通信方式和異步通信方式。串行通信方式如圖6－5所示。圖6－5串行通信方式

1)同步通信方式

同步通信時要建立發(fā)送方時鐘對接收方時鐘的直接控制,使雙方達到完全同步。此時,傳輸數(shù)據的位之間的距離均為“位間隔”的整數(shù)倍,同時傳送的字符間不留間隙,即保持位同步關系,也保持字符同步關系。

2)異步通信方式

它是指發(fā)送方和接收方采用獨立的時鐘。但是,為使雙方的收發(fā)協(xié)調,要求發(fā)送和接收設備的時鐘盡可能一致。異步通信方式如圖6－6所示。圖6－6異步通信方式

異步通信是以字符(構成的幀)為單位進行傳輸?shù)?字符與字符之間的間隙(時間間隔)任意,但每個字符中的各位是以固定的時間傳送的,即字符之間是異步的(字符之間不一定有“位間隔”的整數(shù)倍的關系),但同一字符內的各位是同步的(各位之間的距離均為“位間隔”的整數(shù)倍)。

為了實現(xiàn)異步傳輸字符的同步,采用的辦法是使傳送的每一個字符都以起始位“0”開始,以停止位“1”結束。這樣,傳送的每一個字符都用起始位來進行收發(fā)雙方的同步,停止位和間隙作為時鐘頻率偏差的緩沖,即使雙方時鐘頻率略有偏差,總的數(shù)據流也不會因偏差的積累而導致數(shù)據錯位。異步通信的數(shù)據格式如圖6－7所示。圖6－7異步通信的數(shù)據格式

3)串行通信的數(shù)據傳送方向

串行通信中,數(shù)據通常是在兩個端點(點對點)之間進行傳送的,按照數(shù)據流動的方向可分成三種傳送模式:單工、半雙工、全雙工。

(1)單工通信:數(shù)據僅按一個固定方向傳送。這種傳輸方式的用途有限,常用于串行口的打印數(shù)據傳輸與簡單系統(tǒng)間的數(shù)據采集。單工通信方式如圖6－8所示。圖6－8單工通信方式

(2)半雙工通信:使用同一根傳輸線,數(shù)據可雙向傳送,但不能同時進行。實際應用中采用某種協(xié)議實現(xiàn)收/發(fā)開關轉換。半雙工通信方式如圖6－9所示。圖6－9半雙工通信方式

(3)全雙工通信:數(shù)據的發(fā)送和接收可同時進行,通信雙方都能在同一時刻進行發(fā)送和接收操作,但一般全雙工傳輸方式的線路和設備比較復雜。全雙工通信方式如圖6－10所示。圖6－10全雙工通信方式

6.1.3串行通信校驗

在通信過程中往往要對數(shù)據傳送的正確與否進行校驗。校驗是保證準確無誤傳輸數(shù)據的關鍵。常用的校驗方法有奇偶校驗、代碼和校驗及循環(huán)冗余碼校驗。

1.奇偶校驗

在發(fā)送數(shù)據時,數(shù)據位尾隨的1位為奇偶校驗位(1或0)。當約定為奇校驗時,數(shù)據中“1”的個數(shù)與校驗位“1”的個數(shù)之和應為奇數(shù);當約定為偶校驗時,數(shù)據中“1”的個數(shù)與

校驗位“1”的個數(shù)之和應為偶數(shù)。接收方與發(fā)送方的校驗方式應一致。接收字符時,對“1”的個數(shù)進行校驗,若發(fā)現(xiàn)不一致,則說明傳輸數(shù)據過程中出現(xiàn)了差錯。

2.代碼和校驗

代碼和校驗是發(fā)送方將所發(fā)數(shù)據塊求和(或各字節(jié)異或),產生一個字節(jié)的校驗字符(校驗和)附加到數(shù)據塊末尾。接收方接收數(shù)據的同時對數(shù)據塊(除校驗字節(jié)外)求和(或各字節(jié)異或),將所得的結果與發(fā)送方的“校驗和”進行比較,相符則無差錯,否則即認為傳送過程中出現(xiàn)了差錯。

3.循環(huán)冗余校驗

循環(huán)冗余校驗是通過某種數(shù)學運算實現(xiàn)有效信息與校驗位之間的循環(huán)校驗,常用于對磁盤信息的傳輸、存儲區(qū)的完整性校驗等。這種校驗方法糾錯能力強,廣泛應用于同步通信中。

6.2串行通信口的結構

80C51系列單片機有一個可編程的全雙工串行通信口,如圖6－11所示。該通信口可作為UART(通用異步收發(fā)器),也可作為同步移位寄存器,其幀格式可為8位、10位或11位,并可以設置多種不同的波特率。通過引腳RXD(P3.0,串行數(shù)據接收引腳)和引腳TXD(P3.1,串行數(shù)據發(fā)送引腳)與外界進行通信。圖6－1180C51串行接口的結構

1)兩個數(shù)據緩沖器(SBUF)

SBUF是一個特殊功能寄存器,它包括發(fā)送SBUF和接收SBUF。前者用來發(fā)送串行數(shù)據,后者用來接收串行數(shù)據。兩者共用一個地址99H。發(fā)送數(shù)據時,該地址指向發(fā)送SBUF,接收數(shù)據時,該地址指向接收SBUF。

發(fā)送時,只需將發(fā)送數(shù)據輸入SBUF,CPU將自動啟動和完成串行數(shù)據的發(fā)送;

接收時,CPU將自動把接收到的數(shù)據存入SBUF,用戶只需從SBUF中讀出接收數(shù)據。

2)輸入移位寄存器

輸入移位寄存器的功能是在接收控制器的控制下,將輸入的數(shù)據逐位移入接收SBUF。

3)串行控制寄存器SCON

串行控制寄存器SCON的功能是控制串行通信方式,并反映串行通信口的工作狀態(tài)。

4)定時器(T1)

T1的作用是作為波特率發(fā)生器,控制傳輸數(shù)據的速度。

6.3串行通信口的控制

6.3.1串行控制寄存器SCON串行控制寄存器SCON用于設置串行口的工作方式、監(jiān)視串行口工作狀態(tài)、進行發(fā)送與接收的狀態(tài)控制等。它是一個既可字節(jié)尋址又可位尋址的特殊功能寄存器,字節(jié)地址為98H。SCON的格式見表6－1。

(1)SM0、SM1:串行口工作方式的選擇位,可選擇4種工作方式。表6－2列出了這4種工作方式。

(2)SM2:多機通信控制位,主要用于方式2或方式3的多機通信情況。SM2=1,允許多機通信;SM2=0,禁止多機通信。

(3)PEN:允許/禁止數(shù)據接收控制位,當REN=1時,允許串行口接收數(shù)據;當REN=0時,禁止串行口接收數(shù)據。

(4)TB8:發(fā)送數(shù)據的第9位,在方式2或方式3中,通常用做數(shù)據的校驗位,也可在多機通信時用做地址幀或數(shù)據幀的標志位。

(5)RB8:在方式2或方式3中,為要接收數(shù)據的第9位。在方式1中,若SM2=0,則RB8是接收到的停止位。

(6)TI:發(fā)送中斷標志位。當串行口在方式0工作時,串行發(fā)送第8位數(shù)據結束時,TI由硬件自動置1,向CPU發(fā)送中斷請求,在CPU響應中斷后,必須用軟件清0;工作在其他幾種方式時,該位在停止位開始發(fā)送前自動置1,向CPU發(fā)送中斷請求,在CPU響應中斷后,也必須用軟件清0。

(7)RI:接收中斷標志。當串行口在方式0工作時,接收完第8位數(shù)據時,RI由硬件自動置1,向CPU發(fā)出中斷請求,在CPU響應中斷后,必須用軟件清0;工作在其他幾種方式時,該位在接收到停止位時自動置1,向CPU發(fā)出中斷請求,在CPU響應中斷取走數(shù)據后,必須用軟件對該位清0,以準備開始接收下一幀數(shù)據。

在系統(tǒng)復位時,SCON的所有位均被清0。

6.3.2電源控制寄存器PCON

電源控制寄存器PCON字節(jié)地址為87H,不能進行位尋址。PCON中的第7位SMOD與串行口有關,PCON的格式見表6－3。

SMOD為波特率選擇位。在方式1、方式2和方式3時起作用。若SMOD=0,則波特率不變;若SMOD=1,則波特率加倍。當系統(tǒng)復位時,SMOD=0?？刂谱种衅溆喔魑慌c串行口無關。

6.4串行通信口的4種工作方式

通過編程串行控制寄存器SCON,串行口的工作方式可以有4種,分別是方式0(同步移位寄存器)、方式1(10位異步收發(fā))、方式2(11位異步收發(fā))、方式3(11位異步收發(fā))。

6.4.1方式0

方式0為移位寄存器輸入/輸出方式,可外接移位寄存器以擴展I/O口,也可外接同步輸入輸出設備。方式0時,收發(fā)的數(shù)據為8位,低位在前(LSB),高位在后(MSB)。波特率固定為當前單片機工作頻率的1/12。

發(fā)送是以寫SBUF緩沖器的指令開始的,串行數(shù)據通過RXD引腳輸出,而TXD引腳作為移位脈沖輸出引腳,輸出移位時鐘脈沖。

當一個數(shù)據寫入串行口數(shù)據緩沖器時,就開始發(fā)送。在此期間,發(fā)送控制器送出移位信號,使發(fā)送移位寄存器的內容右移1位,直至最高位(D7位)數(shù)字移出后,才停止發(fā)送數(shù)據和移位時鐘脈沖。發(fā)送完一幀數(shù)據后,置TI為“1”,申請中斷,如果CPU響應中斷,則從0023H單元開始執(zhí)行串行口中斷服務程序。

方式0接收時,RXD端為數(shù)據輸入端,TXD端為同步脈沖信號輸出端。REN(SCON.4)為串行口接收器允許接收控制位。當REN=0時,禁止接收;當REN=1時,允許接收。當串行口置為方式0,且滿足REN=1和RI(SCON.0)=0的條件時,就會啟動一次接收過程。當接收的數(shù)據裝載到SBUF緩沖器中,RI會被置位(RI=1)。

方式0發(fā)送或接收完8位數(shù)據后由硬件置位,并發(fā)送中斷標志TI或接收中斷標志RI。但CPU響應中斷請求轉入中斷服務程序時并不將TI或RI清零。因此,中斷標志TI或

RI必須由用戶在程序中清0。方式0為移位寄存器輸入/輸出方式,如果接上移位寄存器74LS164,可以構成8位輸出電路,不過這樣做會浪費了串口真正的實質作用,因為移位方式同樣可以用I/O來模擬實現(xiàn)。

6.4.2方式1

方式1是10位異步通信方式,有1位起始位(0)、8位數(shù)據位和1位停止位(1)。

方式1發(fā)送,CPU執(zhí)行任何一條以SBUF為目標寄存器的指令,就啟動發(fā)送。先把起始位輸出到TXD,然后把移位寄存器的輸出位送到TXD,接著發(fā)出第一個移位脈沖(SHIFT),使數(shù)據右移1位,并從左端補入0。此后數(shù)據將逐位由TXD端送出,而其左端不斷補入0。當發(fā)送完數(shù)據位時,置位中斷標志位TI。

方式1接收的前提條件是SCON的REN被編程為1,同時兩個條件都必須被滿足:①RI=0;②接收到的停止位為1或SM2=0時,本次接收有效,停止位進入RB8,8位數(shù)據進入SBUF,且置位中斷標志RI

6.4.3方式2和方式3

串行通信口工作于方式2和方式3時,被自定義為11位的異步通信接口,發(fā)送(通過TXD)和接收(通過RXD)的一幀信息都是11位,1位起始位(0),8位數(shù)據位(低位在先),1位可編程位(即第9位數(shù)據)和1位停止位(1)。方式2和方式3的工作原理相似,唯一的差別是方式2的波特率是固定的,為fosc/32或fosc/64。方式3的波特率是可變的,利用定

時器1或定時器2作波特率發(fā)生器。

串行通信口工作于方式2或方式3時的數(shù)據結構如圖6－12所示。圖6－1211位數(shù)據的異步通信數(shù)據結構

1)數(shù)據發(fā)送

發(fā)送前,先根據通信協(xié)議由軟件設置TB8(第9位數(shù)據),然后將要發(fā)送的數(shù)據寫入SBUF,即可啟動發(fā)送過程。串行口能自動將TB8取走,并裝入到第9位數(shù)據的位置,再逐一發(fā)送出去。發(fā)送一幀信息后,將TI置“1”。

2)數(shù)據接收

在方式2時,需要先設置SCON中的REN=1,串行通信口才允許接收數(shù)據,然后當RXD端檢測到有負跳變時,說明外部設備發(fā)來了數(shù)據的起始位,開始接收此幀數(shù)據的其余

數(shù)據。

當一幀數(shù)據接收完畢以后,必須同時滿足以下兩個條件,這幀數(shù)據接收才真正有效:

(1)RI=0,意味著接收緩沖器為空。

(2)SM2=0(禁止多機通信)。

當滿足上述兩個條件時,接收到的數(shù)據送入SBUF,第9位數(shù)據送入RB8,并由硬件自動置RI為1;若不滿足這兩個條件,接收的信息將被丟棄。

方式3與方式2一樣,傳送的一幀數(shù)據都是11位的,工作原理也相同,區(qū)別僅在于波特率不同。

方式2:SM0SM1=10;

方式3:SM0SM1=11。

6.5串行通信口的波特率設置

在串行通信中,收發(fā)雙方對傳送數(shù)據速率,即波特率要有一定約定。51系列單片機的串行口通過編程可以有4種工作方式,其中方式0和方式2的波特率是固定的,而方式1和方式3的波特率是可變的,由定時器1的溢出率來決定。

6.5.1方式0和方式2

在方式0中:波特率為時鐘頻率的1/12,即f/12,固定不變。

在方式2中:波特率取決于PCON中的SMOD值,當SMOD=0時,波特率為f/64;當SMOD=1時,波特率為f/32。

6.5.2方式1和方式3

在方式1和方式3下,波特率由定時器1的溢出率和SMOD共同決定,即

其中,定時器1的溢出率取決于單片機定時器1的計數(shù)速率和定時器的預置值。計數(shù)速率與TMOD寄存器中的C/T位有關:當C/T=0時,計數(shù)速率為f/12;當C/T=1時,計數(shù)

速率為外部輸入時鐘頻率。

6.5.3常用波特率

由于設置波特率比較麻煩,且在一般情況下常用的波特率足以滿足實際應用,因此,表6－4直接給出了常用波特率、晶振頻率和定時器計數(shù)初值之間的關系。

在異步通信中,收、發(fā)雙方必須事先規(guī)定兩件事:一是字符格式,即規(guī)定字符各部分所占的位數(shù)、是否采用奇偶校驗以及校驗的方式(偶校驗還是奇校驗)等通信協(xié)議;二是采用的波特率以及時鐘頻率和波特率的比例關系。

串行口以方式0工作時,波特率固定為振蕩器頻率的1/12。以方式2工作時,波特率為振蕩器頻率的1/64或1/32,它取決于特殊功能寄存器PCON中的SMOD位的狀態(tài)。

如果SMOD=0(復位時SMOD=0),波特率為振蕩器頻率的1/64;如果SMOD=1,波特率為振蕩器頻率的1/32。

方式1和方式3的波特率由定時器1的溢出率決定。當定時器1用做波特率發(fā)生器時,波特率由下式確定:

上式中,定時器1溢出率=定時器1的溢出次數(shù)/秒;n為32或16,取決于特殊功能寄存器PCON中的SMOD位的狀態(tài),如果SMOD=0,則n=32,如果SMOD=1,則n=16。

對于定時器的不同工作方式,得到的波特率的范圍是不一樣的,這主要由定時器1的計數(shù)位數(shù)決定。對于非常低的波特率,應選擇16位定時器方式(即TMOD.5=0,

TMOD.4=1),并且在定時器1中斷程序中實現(xiàn)時間常數(shù)重新裝入。在這種情況下,應該允許定時器1中斷(IE.3=1)。

在任何情況下,如果定時器1的C/T=0,則計數(shù)率為振蕩器頻率的1/12;如果C/T=1,則計數(shù)率為外部輸入頻率,它的最大可用值為振蕩器頻率的1/24。

任務6－1利用串口控制數(shù)碼管顯示十六進制字符

任務目的利用單片機的串口和串入并出移位寄存器74LS164。通過按鍵中斷的方式控制數(shù)碼管順序顯示十六進制字符,每按下按鍵,數(shù)碼管顯示的十六進制字符增加一位。任務準備設備及軟件:萬用表、計算機、KeilμVision4軟件、Proteus軟件。

任務實施

1.任務分析

任務電路Proteus原理圖如圖6－13所示,數(shù)碼管接在74LS164的并口輸出端,單片機在按鍵產生中斷信號的作用下,通過串口采用串行通信方式0向74LS164發(fā)送十六進制

字符的字形碼,74LS164將其轉換成8位并行二進制數(shù)據輸出給數(shù)碼管,從而在數(shù)碼管上顯示十六進制字符。圖6－13串口控制數(shù)碼管顯示十六進制字符的Proteus原理圖

2.軟件仿真

(1)打開Keil軟件,在軟件中輸入任務程序,對程序進行編譯,直至沒有錯誤,并生成相應的hex文件。

(2)打開Proteus軟件,繪制如圖6－13所示的電路原理圖,導入編譯后生成的hex文件,運行程序,觀察仿真效果,如圖6－14所示。圖6－14串口控制數(shù)碼管顯示十六進制字符的仿真效果圖

任務結論

通過任務實施結果可以看出,單片機串口在工作方式0下將字形碼不斷發(fā)送給74LS164,從而實現(xiàn)了數(shù)碼管的顯示。

任務6－2實現(xiàn)PC與單片機串行接口通信

任務目的串行口通信調試是比較困難的工作,因為只有當通信雙方的硬件和軟件都正確無誤時才能成功地通信?？梢圆捎梅謩e調試的方法,即按通信規(guī)約雙方各自調試好,然后再聯(lián)調。設計串行口調試程序,其功能是對串行口的工作方式編程,然后在串行口上輸出字符串:‘MCS51Microcomputer’,接著從串行口上輸入字符,又將輸入的字符從串行口上輸出,將PC終端鍵盤上輸入的字符在屏幕上顯示出來。

這個功能實現(xiàn)以后,串行口的硬件和串行口的編程部分就調試成功了,接著便可以按通信規(guī)約,實現(xiàn)單片機和終端之間串

行通信,完成通信軟件的調試工作。

任務準備

設備及軟件:萬用表、計算機、KeilμVision4軟件、Proteus軟件。

任務實施

1.任務分析

任務電路Proteus原理圖如圖6－15所示,用MAX232芯片,外加9芯串口插座,組成與PC通信接口電路。先用PC終端來進行單片機通信口的調試。只要方式設置正確,一般通信會成功,因為PC終端已具有正常的通信功能。如果通信不正常,就應該是單片機部分引起的。圖6－15PC與單片機串行接口通信電路原理圖

2.軟件仿真

(1)打開Keil軟件,在軟件中輸入任務程序,對程序進行編譯,直至沒有錯誤,并生成相應的hex文件。

(2)在KeilC中輸入以上程序匯編通過后,全速運行該程序,仿真時,打開(Peripherale/Serial)串行口通道(SerialChannel),如圖6－16所示。

(3)打開Proteus軟件,在圖6－15基礎上添加虛擬終端,如圖6－17所示。VSM虛擬終端允許用戶通過PC的鍵盤和屏幕與仿真微處理器系統(tǒng)收發(fā)RS232異步串行數(shù)據。

在顯示用戶編寫程序產生的調試/跟蹤信息時非常有用。

(4)導入生成的hex文件,全速運行后,出現(xiàn)如圖6－17所示結果,即在虛擬終端顯示傳輸?shù)臄?shù)據,但是數(shù)據進行了轉換,與程序中的字符不一致。

本章小結

本章先闡述了串行通信的基本概念,對比了串行通信和并行通信各自的特點。接著詳細說明了單片機串行口的結構及工作方式。方式0用于對串口擴展為并行I/O口,可以實現(xiàn)串行數(shù)據和并行數(shù)據的相互轉換;方式1用于雙機通信系統(tǒng),波特率可調;方式2可用于多機通信系統(tǒng)也可用于