串行接口數(shù)碼管顯示電路.doc

1MCS51芯片的串行輸入/輸出口1.1 串行輸入/輸出口概述計(jì)算機(jī)與它的外圍設(shè)備之間的基本通信模式有兩種：并行通信模式和串行通信模式。采用并行通信模式時(shí)，例如通過(guò)并行輸入/輸出口P1控制交通燈，所有數(shù)據(jù)位同時(shí)通過(guò)并行輸入/輸出口進(jìn)行傳送。并行通信模式的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳送速度快，所有的數(shù)據(jù)位同時(shí)傳輸；缺點(diǎn)是電路復(fù)雜，一個(gè)并行的數(shù)據(jù)有多少位，就需要多少條傳輸線。采用串行通信模式時(shí)，所有的數(shù)據(jù)位按一定的順序、通過(guò)一條傳輸線逐個(gè)地進(jìn)行傳送。串行通信模式的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，僅需要一條傳輸線；缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳送速度慢。串行通信模式又可以再分為兩種模式：同步通信模式和異步通信模式。AT89S51單片機(jī)提供同步通信模式和異步通信模式兩種串行通信模式。異步通信模式工作在UART（Universal Asynchronous Receiver and Transmitter），可以同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。AT89S51單片機(jī)串行通信的接收部分具有緩沖能力，即已經(jīng)接收到的第一個(gè)字節(jié)在被讀取之前就可以開(kāi)始接收第二個(gè)字節(jié)。但是應(yīng)當(dāng)注意，如果第二個(gè)字節(jié)完成接收，而第一個(gè)字節(jié)仍沒(méi)有被讀取，一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)將被丟失。串行輸入/輸出具有獨(dú)立的發(fā)送和接收緩沖寄存器，它們共同被稱(chēng)作為串行數(shù)據(jù)緩沖寄存器（SBUF），并占用特殊功能寄存器的同一個(gè)地址（99H）。發(fā)送緩沖寄存器只能寫(xiě)入不能讀出，接收緩沖寄存器只能讀出不能寫(xiě)入，因此它們的區(qū)分可以通過(guò)指令來(lái)實(shí)現(xiàn)。串行輸入/輸出的數(shù)據(jù)使用管腳RXD（管腳10）和管腳TXD（管腳11）可以同時(shí)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。管腳RXD和管腳TXD也就是管腳P3.0和管腳P3.1，這里它們被按P3口的第二功能來(lái)使用。1.2 串行輸入/輸出口的工作方式AT89S51串行口的工作可以被分為4種工作方式。這4種工作方式的簡(jiǎn)述如下： 工作方式0串行口工作方式0為同步移位寄存器方式。在這種方式下，串行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收都是通過(guò)管腳RXD進(jìn)行，管腳TXD用來(lái)傳送同步移位脈沖。串行數(shù)據(jù)一幀的數(shù)據(jù)位數(shù)為8位，傳輸時(shí)低位在前，高位在后。數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈适枪潭ǖ?，為單片機(jī)時(shí)鐘頻率的1/12。如果單片機(jī)的時(shí)鐘頻率為12MHz，則數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈适?MB。串行口工作方式0的數(shù)據(jù)傳輸波特率不受電源控制寄存器（PCON）中SMOD位的影響。本章將介紹利用串行口工作方式0實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管的顯示。 工作方式1串行口工作方式1為異步通信（UART）方式。串行數(shù)據(jù)一幀的數(shù)據(jù)位數(shù)為10位：1位起始位（它的值為0）、8位數(shù)據(jù)位和1位停止位（它的值為1）。數(shù)據(jù)位傳輸時(shí)低位在前，高位在后。串行數(shù)據(jù)的發(fā)送通過(guò)管腳TXD進(jìn)行；串行數(shù)據(jù)的接收通過(guò)管腳RXD進(jìn)行。數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈适强勺兊?。在接收時(shí)，數(shù)據(jù)幀中的停止位進(jìn)入串行口控制寄存器（SCON）的位RB8。 工作方式2串行口工作方式2為異步通信（UART）方式。串行數(shù)據(jù)一幀的數(shù)據(jù)位數(shù)為11位，1位起始位（它的值為0），8位數(shù)據(jù)位，1位可編程位和1位停止位（它的值為1）。數(shù)據(jù)位傳輸時(shí)低位在前，高位在后，緊接著是可編程位。串行數(shù)據(jù)的發(fā)送通過(guò)管腳TXD進(jìn)行；串行數(shù)據(jù)的接收通過(guò)管腳RXD進(jìn)行。數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈适枪潭ǖ?，是單片機(jī)的時(shí)鐘頻率的1/32或者1/64。具體工作在那一種波特率由電源控制寄存器（PCON）中SMOD位的內(nèi)容決定，當(dāng)SMOD位被置1，波特率是單片機(jī)時(shí)鐘頻率的1/32；當(dāng)SMOD位被清0，波特率是單片機(jī)時(shí)鐘頻率的1/64。在發(fā)送時(shí)，數(shù)據(jù)幀中可編程位的值取決于串行口控制寄存器（SCON）的位TB8。例如把程序狀態(tài)字（PSW）的位P的值送入TB8可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠媾夹ｒ?yàn)。在接收時(shí)，數(shù)據(jù)幀中的可編程位送入串行口控制寄存器（SCON）的位RB8，停止位這時(shí)被丟棄。 工作方式3串行口工作方式3除數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈适强勺兊囊酝?，其它與工作方式2相同1.3 串行輸入/輸出口工作控制寄存器控制串行輸入/輸出口工作的控制寄存器有2個(gè)：串行口控制寄存器（SCON）和電源控制寄存器（PCON）。 串行口控制寄存器（SCON）串行口控制寄存器（SCON）在特殊功能寄存器中的字節(jié)地址為98H，它即可以進(jìn)行字節(jié)尋址，也可以進(jìn)行位尋址。這個(gè)寄存器的格式如表1所示。表1 串行口控制寄存器（PCON）的格式表D7D6D5D4D3D2D1D0PCONSM0SM1SM2RENTB8RB8TIRI位地址9F9E9D9C9B9A9998復(fù)位值00000000在表1中，每一位的具體功能如下。SM0和SM1：串行口工作方式控制位，工作方式的功能說(shuō)明如表2所示。表2 串行口的工作方式SM0SM1工作方式功能說(shuō)明000同步移位寄存器方式0118位異步通信（UART）方式，波特率可變1029位異步通信（UART）方式，波特率為focs/64或者focs/321139位異步通信（UART）方式，波特率可變 表中focs為單片機(jī)的時(shí)鐘頻率SM2：串行口工作方式2和3的多機(jī)通信控制位。REN：串行接收使能控制位。TB8：串行口工作方式2和3時(shí)被發(fā)送的第9位數(shù)據(jù)。RB8：串行口工作方式2和3時(shí)被接收的第9位數(shù)據(jù)。TI：發(fā)送中斷標(biāo)志位。RI：接收中斷標(biāo)志位。 電源控制寄存器（PCON）電源控制寄存器（PCON）在特殊功能寄存器中的字節(jié)地址為87H，它沒(méi)有位尋址功能，只能進(jìn)行字節(jié)尋址。這個(gè)寄存器的格式如表3所示。表3 電源控制寄存器PCON的格式表D7D6D5D4D3D2D1D0PCONSMODGF1GF0PDIDL復(fù)位值0XXX0000電源控制寄存器PCON中僅有D7位，SMOD，在串行輸入/輸出口的控制中被應(yīng)用，它被用來(lái)控制串行通信的波特率。SMOD為1時(shí)的波特率是它為0時(shí)的2倍。2基于串行輸入/輸出口的數(shù)碼管電路前面在并行輸入/輸出口的應(yīng)用中分別介紹了使用P1口實(shí)現(xiàn)交通燈的控制和數(shù)碼管的顯示。如果希望同時(shí)實(shí)現(xiàn)交通燈的控制和數(shù)碼管的顯示，那么僅使用P1口則是不夠的，這時(shí)需要使用更多的輸出端口。如前所述，AT89S51芯片向用戶(hù)提供的并行輸入/輸出口是有限的，因此必須想辦法進(jìn)行擴(kuò)展。應(yīng)用串行口工作方式0的同步移位寄存器方式是擴(kuò)展輸入/輸出能力的一種方法。串行口工作方式0的輸出時(shí)序圖如圖1所示。圖1 串行口工作方式0的輸出時(shí)序圖當(dāng)向串行數(shù)據(jù)緩沖寄存器SBUF寫(xiě)入一個(gè)數(shù)據(jù)，在管腳RXD和管腳TXD將自動(dòng)產(chǎn)生如圖1所示的信號(hào)。管腳RXD輸出數(shù)據(jù)，管腳TXD輸出同步移位時(shí)鐘。同步移位時(shí)鐘的周期等于單片機(jī)的工作周期，因此輸出一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)需要8個(gè)單片機(jī)的工作周期。串行口輸出一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)需要8個(gè)單片機(jī)的工作周期這點(diǎn)在編程時(shí)應(yīng)該注意，不能連續(xù)地編寫(xiě)2條向串行數(shù)據(jù)緩沖寄存器（SBUF）寫(xiě)入數(shù)據(jù)的指令。因?yàn)槿绻谝粋€(gè)數(shù)據(jù)還沒(méi)有被全部發(fā)送出去，這時(shí)向串行數(shù)據(jù)緩沖寄存器（SBUF）再寫(xiě)入一個(gè)數(shù)據(jù)，新寫(xiě)入的數(shù)據(jù)將覆蓋沒(méi)有完成發(fā)送的第一個(gè)數(shù)據(jù)的剩余內(nèi)容，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤。管腳RXD的輸出數(shù)據(jù)不能直接送入數(shù)碼管，這是因?yàn)榇袛?shù)據(jù)通過(guò)一條線輸出，而數(shù)碼管的工作則同時(shí)需要8個(gè)輸入信號(hào)。使用8位移位寄存器（串行輸入，并行輸出）74LS164可以把圖1所示的串行信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)碼管所需要的并行信號(hào)以滿(mǎn)足數(shù)碼管的需要。74LS164的功能表如表4所示。表4 74LS164的功能表輸 入輸 出MR CLK DSA DSBQ0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q70 0 0 0 0 0 0 0 01 0 Q00 Q10 Q20 Q30 Q40 Q50 Q60 Q701 1 1 1 Q00 Q10 Q20 Q30 Q40 Q50 Q601 0 0 Q00 Q10 Q20 Q30 Q40 Q50 Q601 0 0 Q00 Q10 Q20 Q30 Q40 Q50 Q60應(yīng)用串行口工作方式0和74LS164的數(shù)碼管的顯示電路如圖2所示。對(duì)比基于串行輸出口的數(shù)碼管電路和基于并行輸出口的數(shù)碼管電路，這里電路的硬件開(kāi)銷(xiāo)并沒(méi)有增加，74LS164在這里完成了串/并轉(zhuǎn)換和電流放大雙重任務(wù)。圖2 基于串行輸出口的數(shù)碼管的顯示電路執(zhí)行指令： SBUF=0x3f；可以輸出共陰極數(shù)碼管字符“0”的顯示代碼。顯示代碼以圖1所示的時(shí)序從單片機(jī)輸出。首先顯示代碼的最低位數(shù)據(jù)從AT89S51的管腳RXD送到74LS164的管腳DSA和DSB，接著同步移位脈沖從AT89S51的管腳TXD送到74LS164的管腳CLK，在同步移位脈沖上升沿的作用下，顯示代碼的最低位數(shù)據(jù)被移入74164的管腳Q0。第2個(gè)同步移位脈沖的上升沿接著把代碼的最低位數(shù)據(jù)移入74164的管腳Q1，把跟著最低位的數(shù)據(jù)移入74LS164的管腳Q0。依次類(lèi)推，8個(gè)同步移位脈沖完成把整個(gè)顯示代碼移入74LS164的輸出管腳，其中最低位在管腳Q7，最高位在管腳Q0。串/并轉(zhuǎn)換的整個(gè)過(guò)程需要8個(gè)單片機(jī)機(jī)器周期。如果單片機(jī)的時(shí)鐘頻率為12MHz，該過(guò)程需要8us。在轉(zhuǎn)換過(guò)程的8us中，數(shù)碼管的顯示是不斷變化的錯(cuò)誤顯示，但是這個(gè)時(shí)間很短，我們的眼睛分辨不出這個(gè)變化。實(shí)際上圖2所示的基于串行輸出口的數(shù)碼管電路和基于并行輸出口的數(shù)碼管電路的工作區(qū)別是分辨不出來(lái)的。在向P1口傳送顯示代碼編寫(xiě)的字符顯示程序的基礎(chǔ)上，把程序中的直接地址P1換成直接地址SBUF就可以用于圖2所示電路顯示字符。3數(shù)碼管應(yīng)用的進(jìn)一步討論3. 1 多位數(shù)據(jù)的顯示圖2所示的基于串行輸出口的數(shù)碼管電路都只能支持一個(gè)數(shù)碼管的顯示，即一次只能顯示一位數(shù)據(jù)。如果需要顯示多位數(shù)據(jù)，例如希望數(shù)據(jù)能從00HFFH順序循環(huán)地顯示，圖2所示的電路必須進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)后的數(shù)碼管的顯示電路如圖3所示。圖3 基于串行輸出口的2位數(shù)碼管顯示電路在圖3所示的電路中，使用了2個(gè)74LS164來(lái)驅(qū)動(dòng)2個(gè)數(shù)碼管。依次類(lèi)推，采用串行傳輸方式，微控制器可以啟動(dòng)多個(gè)數(shù)碼管。從單片機(jī)TXD管腳來(lái)的同步移位信號(hào)同時(shí)加到2個(gè)74LS164的管腳CLK，從單片機(jī)RXD管腳來(lái)的串行數(shù)據(jù)信號(hào)加到第一個(gè)74LS164的串行數(shù)據(jù)輸入口，