【電】單片機課件：串行口s

1、第十章 MCS51串行通信接口技術(shù)微機聯(lián)網(wǎng)： 單片機與單片機；單片機與其他微機之間實現(xiàn)信息共享；典型的計算機測量與控制系統(tǒng)構(gòu)成：一個典型集散式（DCS）控制系統(tǒng)的構(gòu)成§10.1 串行通信基礎數(shù)據(jù)通信方式：并行通信與串行通信并行通信：一次傳輸8（16、32Bit）8根數(shù)據(jù)線，1根控制線，1根狀態(tài)線，地線，共11根； 特點：速度快，適合近距離傳輸 計算機并口，打印機，8255 串行通信： 數(shù)據(jù)一位一位地發(fā)送 ，一根發(fā)送線，一根接受線，地線，共3根特點：硬件方便，適合距離遠，速度要求不高的場合分類：同步串行通信和異步串行通信一、 異步通信：串行通信就是將并行的數(shù)據(jù)分開后，一位一位地發(fā)送出去

2、，接收方也是一位一位地接收數(shù)據(jù)，這就需要通信的雙方有一個協(xié)議，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，而這些信息只能以電平的高低來表示，構(gòu)成這些位的數(shù)據(jù)稱為一幀。異步串行通信規(guī)定了傳輸數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)即幀格式：起始位 數(shù)據(jù)位 奇偶校驗位 停止位 1 起始位：在數(shù)據(jù)發(fā)送線上規(guī)定無數(shù)據(jù)時電平為1，當要發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先發(fā)送一個低電平0，表示數(shù)據(jù)傳送的開始，這就是起始位。2 數(shù)據(jù)位：真正要傳送的數(shù)據(jù)，可以是8位、10位等多位，數(shù)據(jù)位是由地位開始，高位結(jié)束；3 奇偶校驗：數(shù)據(jù)發(fā)送完后，發(fā)送奇偶校驗位，以檢驗數(shù)據(jù)傳送的正確性，這中方法是有限的，但是容易實現(xiàn)。4 停止位：表示數(shù)據(jù)傳送的結(jié)束

3、，可以是一位或兩位。幀格式： 二、 同步通信同步通信先發(fā)送一個字符，作為同步字符，之后便連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)之間不能有間隔，直到數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。速度要比異步通信快通用異步接受/發(fā)送器（UNIVERSAL ASYNCHRONOUS RECEIVER/TRANSMITTER）：UART：8250 6850 三、 單工、半雙工、全雙工通信方式按通信進行的過程，分為：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：接收器發(fā)送器2 半雙工發(fā)式每端口由一個發(fā)送器和接收器，通過開關連接在線路上，數(shù)據(jù)可以雙方交換，但不能同時發(fā)送和接收.接收器發(fā)送器發(fā)送器接收器 3. 全雙工方式發(fā)送器接收器

4、接收器發(fā)送器 通信雙方用兩個獨立的收發(fā)器單獨連接,可以同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù),因而提高了速度。4 波特率單位時間內(nèi)傳送的信息量。以每秒傳送的位為單位：電傳機：10字符/秒，1個字符11位， 波特率位：10×11=110（波特）位寬：傳送過程中平均每位占用時間 Td = 9.1ms(1/110)§10.2串行通信總線標準及接口在測控系統(tǒng)中，計算機通信主要采用異步串行通信方式，常用的異步串行通信接口標準有三種：RS-232（RS-232A RS-232B RS-232C）RS-449 （RS422 RS423 RS485）20mA電流環(huán)一、 通信方式的選取1 通信速率和通信距離 這

5、兩個方面是相互制約的，降低通信速率，可以提高通信距離 RS-232C：速率：20Kbit/S，最大通信距離：15m RS422： 10Mbit/s， ：300m 90Kbit/s， ：1200m2 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簡介美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）公布的一種異步通信標準：RS232C標準：設備之間通信的距離不大于15米最大傳輸速率20KB/S采用負邏輯：“1” 5V 15V “0” +5V + 15V不帶負

6、載時輸出電平：25V +25V輸出短路電流： < 0.5A最大負載電容: 2500pF TTL電平可以由專用集成電路轉(zhuǎn)換成RS232C標準; 如: MC1488 或 75188 TTL RS232CMC1489 或 75189 RS232C TTL +12V +5VMC1489 MC1488 TTL TTL 12V 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。 MAX232芯片及接口內(nèi)部有兩路接收器和發(fā)送器具有電源變換電路 C5 VCC C3 C1+ V+ +5

7、V 至 +10V （倍壓器） C1- C2+ V- +10V 至 10V （電壓反向器） C2- +10V C1 10V C2 C4 T1 T1int 11 14 T1out T1 T2int 10 7 T2out R1 R1out 12 13 R1in R2 R2out 9 8 R2int MAX232原理圖 電源變換電路：C1，C2，C3，C4，V+，V；MCS51 RXDTXDGNDMAX232MCS51 TXD RXD GNDMAX232 T1in T1out R1out R1in MCS51雙機通信（利用MAX232）三、 調(diào)制與解調(diào)RS232C通信距離很短，RS422通信距離不過1

8、200米；更長距離需采用調(diào)制與解調(diào)。§10.3 MCS-51的串行口的結(jié)構(gòu)8051有一個可編程的全雙工串行通信接口，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ll位，并能設置各種波特率，給使用者帶來很大的靈活性。一、結(jié) 構(gòu)805l通過引腳RXD(P30，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。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡化示意圖如圖所示。串行口內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖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，接收緩沖器只能讀出、不能寫入。 串行發(fā)送與接收的速率與移位時鐘同步

9、。8051用定時器T1作為串行通信的波特率發(fā)生器，T1溢出率經(jīng)2分頻(或不分頻)又經(jīng)16分頻作為串行發(fā)送或接收的移位脈沖。移位脈沖的速率即是波特率。 從圖中可看出，接收器是雙緩沖結(jié)構(gòu)，在前個字節(jié)被從接收緩沖器SBUF讀出之前，第二個字節(jié)即開始被接收(串行輸入至移位寄存器)，但是，在第二個字節(jié)接收完畢而前個字節(jié)CPU未讀取時會丟失前一個字節(jié)。 串行口的發(fā)送和接收都是以特殊功能寄存器SBUF的名義進行讀或?qū)懙模斚騍BUF發(fā)“寫”命令時(執(zhí)行MOV SBUF，A指令)，即是向發(fā)送緩沖器SBUF裝載并開始由TXD引腳向外發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，發(fā)送完便使發(fā)送中斷標志位TI1。 在滿足串行口接收中斷標志位RIS

10、CON00的條件下，置允許接收位REN(SCON4)1就會啟動接收一幀數(shù)據(jù)進入輸入移位寄存器，并裝載到接收SBUF中，同時使RIl。當發(fā)讀SBUF命令時(執(zhí)行MOV A，SBUF指令)，即是由接收緩沖器(SBUF)取出信息通過8051內(nèi)部總線送CPU。對于發(fā)送緩沖器，因為發(fā)送時CPU是主動的,不會發(fā)生重迭錯誤，所以不需要用雙緩沖結(jié)構(gòu)來保持最大傳送速率。二、串行口控制字及控制寄存器8051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)和電源控制寄存器PCON(97H)個即可。 1SCON(98H)8051串行通信的方式選擇、接收和發(fā)送控

11、制以及串行口的狀態(tài)標志等均由特殊功能寄存器SCON控制和指示。其控制字格式如圖所示:SCOND7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 98HSM0SM1SM2RENTB8RB8TIRI (1) SM0和SMl 串行口工作方式選擇位。兩個選擇位對應4種通信方式(見表2)，其個fosc是振蕩頻率。表2 串行口的工作方式SM0SM1工作方式 說 明 波 特 率00方式0同步移位寄存器 fosc/201方式110位異步收發(fā)由定時器1控制10方式211位異步收發(fā)fosc/32或fosc/6411方式311位異步收發(fā)由定時器1控制 (2) SM2 多機通信控制位，主要用于方式2和方式3。若置SM21

12、，則允許多機通信。多機通信協(xié)議規(guī)定，第9位數(shù)據(jù)(D8)為l，說明本幀數(shù)據(jù)為地址幀；若第9位為0，則本幀為數(shù)據(jù)幀。當一個8051(主機)與多個8051(從機)通信時，所有從機的SM2位都置1。主機首先發(fā)送的一幀數(shù)據(jù)為地址，即某從機機號，其中第9位為1、被尋地址的某個從機接收到數(shù)據(jù)后，將其中第9位裝入RB8。從機依據(jù)收到的第9位數(shù)據(jù)(RR8個)的值來決定從機可否再接收主機的信息，若(RB8)0，說明是數(shù)據(jù)幀，則使接收中斷標志位RI0，信息丟失；若RB81，說明是地址幀，數(shù)據(jù)裝入SBUF并置RI1，中斷所有從機被尋址的目標從機清除SM2以接收主機發(fā)來的一幀數(shù)據(jù)。其他從機仍然保持SM21。 若SM20

13、，即不屬于多機通信情況，則接收一幀數(shù)據(jù)后不管第9位數(shù)據(jù)是0還是1都置RIl，接收到的數(shù)據(jù)裝入SBUF中。 根據(jù)SM2這個功能，可實現(xiàn)多個8051應用系統(tǒng)的串行通信。 在方式1時，若SM21，則只有接收到有效停止位時，RI才置1，以便接受下一幀數(shù)據(jù)。 在方式0時，SM2必須是0 。 (3) REN 允許接收控制位。由軟件置1或清0，只有當RENl時才允許接收，相當于串行接收的開關；若REN0、則禁止接收。 在串行通信接收控制程序中，如果滿足RI0，置位REN1(允許接收)的條件，就會啟動一次接收過程，一幀數(shù)據(jù)就裝載入接收SBUF中。 (4) TB8 發(fā)送數(shù)據(jù)的第9位(D8)裝入TB8中。在方式2

14、或方式3中根據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)的需要由軟件置位或復位。在許多通信協(xié)議中可作奇偶校驗位，也可在多機通信中作為發(fā)送地址幀或數(shù)據(jù)幀的標志位。對于后者TB81，說明發(fā)送該幀數(shù)據(jù)為地址；TE80，說明發(fā)送該幀數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)。在方式0和方式1中，該位末用。 (5) RB8 接收數(shù)據(jù)的第9位。在方式2或方式3中、接收到的第9位數(shù)據(jù)放在RB8位。它或是約定的奇偶校驗位，或是約定的地址數(shù)據(jù)標識位，在方式2和3多機通信中，若SM21，如果RB8l，說明收到的數(shù)據(jù)為地址幀。 在方式1中，若SM20(即不是多機通信情況)，RB8中存放的是已接收到的停止位。 在方式0中，該位末用。 (6) TI 發(fā)送中斷標志。在一幀數(shù)據(jù)發(fā)送完時被

15、置位。在方式0串行發(fā)送第8位結(jié)束時，或其它方式串行發(fā)送到停止位的開始時由硬件置位，可用軟件查詢。它同時也申請中斷，TI置位意味著向CPU提供“發(fā)送緩沖器SBUF已空”的信息，CPU可以準備發(fā)送下一幀數(shù)據(jù)。串行口發(fā)送中斷被響應后，TI不會自動復0，必須由軟件清0。 (7)RI 接收中斷標志。 在接收到一幀有效數(shù)據(jù)后由硬件置位。在方式0中，第8位數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束時，由硬件置位；在其它三種方式下，則在接收到停止位中間時由硬件置位。RI1，中請中斷。表示一幀數(shù)據(jù)接收結(jié)束，并已裝入接收SBUF中，要求CPU取走數(shù)據(jù)。CPU響應中斷，取走數(shù)據(jù)。RI也必須內(nèi)軟件清0，解除中斷申請，并準備接收下一幀數(shù)據(jù)。 串行發(fā)

16、送中斷標志TI和接收中斷標志RI是同一個中斷源，CPU事先不知道是發(fā)送中斷TI還是接收中斷RI產(chǎn)生的中斷請求，所以在全雙工通信時，必須由軟件來判別。 復位時，SCON所有位均清0 。 2PCON(87H) 電源控制寄存器PCON中只有一位SMOD與串行口工作有關，如圖所示：PCON D787HSMOD 電源控制寄存器 SMOD 波特率倍增位。在串行口方式1、方式2和方式3時，波特率和2SMOD成正比；即當SMOD1時，波特率提高一倍。復位時，SMOD0。三、串行通信工作方式 根據(jù)實際需要，805l串行口可設置為四種工作方式；可有8位，10位和11位幀格式。方式0以8位數(shù)據(jù)為一幀、不設起始位和停

17、止位，先發(fā)送或接收最低位。其幀格式如下：D0D1D2D3D4D5D6D7方式1以10位數(shù)據(jù)為一幀,設有一個起始位“0”和一個停止位“1”，中間是8位數(shù)據(jù)。先發(fā)送或接收最低位。其幀格式如下：0D0D1D2D3D4D5D6D71方式2和3以11位為1幀傳輸，設有1個起始位“0”，8個數(shù)據(jù)位，1個附加第九位和1個停止位“1”，其幀格式為：0D0D1D2D3D4D5D6D7D81附加第九位(D8)由軟件置l或清0。發(fā)送時在TB8中，接收時送RB8中。 1.串行口方式0方式0為同步移位寄存器輸入輸出方式，常用于擴展IO口。串行數(shù)據(jù)通過RxD輸入或輸出，而TxD用于輸出移位時鐘，作為外接部件的同步信號，如

18、圖為發(fā)送電路及時序:這種方式不適用于兩個8051之間的直接數(shù)據(jù)通信，但可以通過外接移位寄存器來實現(xiàn)單片機的接口擴展。例如，采用74Lsl64可用于擴展并行輸出口，74Ls165可用于擴展輸入口。在這種方式下，收發(fā)的數(shù)據(jù)為8位，低位在前，無起始位、奇偶位及停止位，波特率固定為振蕩器頻率fosc的l12，即： 方式0波特率fosc/12 例如，當晶體振蕩頻率為12MHz時，則波待率為1Mbs。發(fā)送過程中，當執(zhí)行一個數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖器SBUF(99H)的指令時，串行口把SBUF中8位數(shù)據(jù)以fosc12的波待率從RxD(P30)端輸出，發(fā)送完畢置中斷標志TI1，方式0發(fā)送時序如圖所示.寫SBUF指令在

19、S6P1處產(chǎn)生個正脈沖，在下一個機器周期的S6P2處數(shù)據(jù)的最低位輸出到RxD(P30)腳上；在再下一個機器周期的S3、S4、S5輸出移位時鐘為低電平，而在S6及下一個機器周期的S1、S2為高電平，就這樣將8位數(shù)據(jù)由低位至高位一位一位順序通過RxD線輸出，并在TxD腳上輸出fosc12的移位時鐘。在寫SBUF”有效后的第10機器周期的SlPl將發(fā)送中斷標志TI置位。圖中74Ls164是TTL“串入并出”移位寄存器。接收時，用軟件置REN1(同時RI0)，即開始接收。接收時序如圖所示:當使SCON中的REN1(RI0)時，產(chǎn)生一個正的脈沖，在下個機器周期的S3P1S5P2從TxD(P31)腳上輸出

20、低電平的移位時鐘，在此機器周期的S5P2對P30腳采樣，并在本機器周期的S6P2通過串行口內(nèi)的輸入移位寄存器將采樣值移位接收；在同一個機器周期的S6P1到下一個機器周期的S2P2，輸出移位時鐘為高電平。于是，將數(shù)據(jù)字節(jié)從低位至高位一位一位地接收下來并裝入SBUF中，在啟動接收過程(即清RI位)將SCON中的RI清0之后的第10個機器周期的S1Pl，RI被置位。這一幀數(shù)據(jù)接收完畢，可進行下幀接收。 2串行口方式1方式1真正用于實行發(fā)送或接收，為10位通用異步接口。TxD與RxD分別用于發(fā)送與接收數(shù)據(jù)，收發(fā)一幀數(shù)據(jù)的格式為：1位起始位、8使數(shù)據(jù)位(低位在前)、1位停止位，共10位。在接收時停止位進

21、入SC0N的RD8，此方式的傳送波特率可調(diào)。 串行口方式1的發(fā)送和接收時序如圖所示： 方式1發(fā)送時，數(shù)據(jù)從引腳TxD端輸出，當執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖器SBUF的命令時就啟動了發(fā)送器開始發(fā)送。發(fā)送時的定時信號，也就是發(fā)送移位時鐘(TX時鐘)，是內(nèi)部定時器T1送來的溢出信號經(jīng)過16分頻或32分頻(取決SMOD的值)而取得的。TX時鐘就是發(fā)送波特率，可見方式1波特率是可變的。發(fā)送開始的同時，SEND變?yōu)橛行?，將起始位向TxD輸出，此后每過個TX時鐘周期(16分頻計數(shù)器溢出一次為一個時鐘周期，因此，Tx時鐘頻率由波待率決定)產(chǎn)生一個移位脈沖，并由TXD輸出一個數(shù)據(jù)位，8位數(shù)據(jù)位全部發(fā)送完后，置位TI，并

22、申請中斷。再經(jīng)一個時鐘周期SEND失效。 方式1接收時，數(shù)據(jù)從引腳RXD端輸入。接收是在SCON寄存器中REN位置1的前提下，并檢測到起始位(RxD上檢測到“1”“0”的跳變，即起始位)而開始的。接收時，定時信號有兩種：一種是接收移位時鐘(RX時鐘)，它的頻率和傳送波特率相同，也是由定時器T1的溢出信號經(jīng)過16或32分頻而得到的；另一種是位檢測器采樣脈沖，它的頻率是RX時鐘的16倍，亦即在一位數(shù)據(jù)的期間有16位檢測器采樣脈沖，為完成檢測，以16倍于波特宰的速率對RXD進行采樣。為了接收準確無誤，在正式接收數(shù)據(jù)之前，還必須判定這個“l(fā)”“0”跳變是否是干擾引起的。為此，在這位中間(即一位時間分成

23、16等份，在第7、8及9等份)連續(xù)對RxD采樣三次，取其中兩次相同的值進行判斷所檢測的值。這樣能較好地消除干擾的影響。當確認是真正的起始位“0”后，就開始接收一幀數(shù)據(jù)。當一幀數(shù)據(jù)接收完畢后，必須同時滿足以下兩個條件、這次接收才真正有效。 RI0，即上一幀數(shù)據(jù)接收完成時，RI1發(fā)出的中斷請求已被響應，SBUF中數(shù)據(jù)已被取走。由軟件使RI0，以便提供“接收SBUF已空”的信息。 SM20或收到的停止位為1(方式1時停止位進入RB8)，則將接收到的數(shù)據(jù)裝入串行口的SBUF和RB8(RB8裝入停止位)，并置位RI；如果不滿足接收到的數(shù)據(jù)不能裝入SBUF，這意味著該幀信息將會丟失。值得注意的是：在整個接

24、收過程中，保證RENl是一個先決條件。只有當REN1，才能對RXD進行檢測。 3串行口方式2和方式3 串行口工作在方式2和方式3均為每幀11位異步通信格式，由TxD和RXD發(fā)送與接收(兩種方式操作是完全一樣的，所不同的只是特波率)。每幀11位；l位起始位，8位數(shù)據(jù)位(低位在前)，1位可編程的第9數(shù)據(jù)位和1位停止位。發(fā)送時，第9數(shù)據(jù)位(TB8)可以設置為1或0，也可將奇偶位裝入TB8，從而進行奇偶校驗；接收時，第9數(shù)據(jù)位進入SCON的RB8。方式2和方式3的發(fā)送、接收時序如圖所示。其操作與方式1類似。 發(fā)送前，先根據(jù)通信協(xié)議由軟件設置TB8(如作奇偶校驗位或地址數(shù)據(jù)標志位)，然后將要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫

25、入SBUF，即能啟動發(fā)送過程。串行口能自動把TB8取出，并裝入列第9位數(shù)據(jù)的位置，再逐一發(fā)送出去。發(fā)送完畢，使TIl。接收時，使SCON中的REN1，允許接收。當檢測到RXD端有“1”到“0”的跳變(起始位)時開始接收9位數(shù)據(jù)，送入移位寄存器(9垃)。半滿足RI0且SM20或接收到的第9位數(shù)據(jù)為1時，前8位數(shù)據(jù)送入SBUF，附加的第9位數(shù)據(jù)送入SCON中的RB8，置RI為1；否則，這次接收無效。 四、波特率設計 在串行通信中，收發(fā)雙方對發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)速率要有一定的約定，我們通過軟件對SC0N串行口編程可約定四種工作方式。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Tl的溢出率來決定。 串行口的四種工作方式對應三種波特率。由于輸入的移位時鐘的來源不同，所以，各種方式的波特率計算公式也不同。 1方式0的波特率 方式0波特率fosc12 2方式2的波特率串行口方式2波特率的產(chǎn)生與方式0不同，即輸入的時鐘源不同，其時鐘輸入部分見圖所示：控制接收與發(fā)送的移位時