項目6點對點雙機通信系統(tǒng)的設(shè)計與制作

1、單片機原理與應(yīng)用（C語言版）嵌 入 式 開 發(fā) 初 級嵌 入 式 開 發(fā) 初 級目 錄6.1 項目要求與分析6.4 項目詳細設(shè)計6.6 項目小結(jié)6.7 項目拓展6.2 項目理論知識6.3 項目概要設(shè)計6.5 項目實施6.1 項目要求與分析項目要求與分析6.1.1 項目要求項目要求通過使用2個單片機實現(xiàn)點對點雙機通信：（1）2個單片機的串口連接，構(gòu)成數(shù)據(jù)的發(fā)送通道和接收通道；（2）2個單片機之間相互發(fā)送數(shù)據(jù)；（3）2個單片機之間相互接收數(shù)據(jù)，并將接收到的數(shù)據(jù)通過LED燈顯示出來。6.1 項目要求與分析項目要求與分析6.1.2 項目要求分析項目要求分析根據(jù)項目要求的內(nèi)容，需要滿足以下要求，才可以完

2、成項目的設(shè)計。（1）硬件功能要求：系統(tǒng)由2組單片機系統(tǒng)構(gòu)成，每組單片機系統(tǒng)由1個單片機和8個LED燈組成，完成2個單片機系統(tǒng)之間的串行連接和通信。（2）軟件功能要求：完成2個單片機串行通信發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的控制功能。根據(jù)項目要求的內(nèi)容，項目設(shè)計關(guān)鍵是串行通信的實現(xiàn)。6.1 項目要求與分析項目要求與分析通信是人們傳遞信息的方式，實現(xiàn)通信雙方之間的信息交換。單片機與其他設(shè)備（例如其他單片機、計算機和外部擴展設(shè)備）通過數(shù)據(jù)傳輸進行通信。數(shù)據(jù)傳輸可以通過兩種方式進行：并行通信和串行通信。并行通信的傳輸方式是指一組數(shù)據(jù)的各數(shù)據(jù)位在多條線上同時被傳輸。并行通信時數(shù)據(jù)的各個位同時傳送，可以字或字節(jié)為單位并

3、行進行。并行通信速度快，但用的通信線多、成本高，故不宜進行遠距離通信。并行數(shù)據(jù)傳輸只適用于近距離的通信，通常傳輸距離小于30米。6.1 項目要求與分析項目要求與分析串行通信的傳輸方式是指一組數(shù)據(jù)的各數(shù)據(jù)位在一條數(shù)據(jù)線上一位一位地依次傳輸，每一位數(shù)據(jù)占據(jù)一個固定的時間長度。串行通信時一個字節(jié)的數(shù)據(jù)要分8次由低位到高位按順序一位位地傳送。串行通信使用的傳輸線少，非常適合于遠程通信，但是數(shù)據(jù)傳送效率低，例如，傳送一個字節(jié)，并行通信只需要1T的時間，而串行通信至少需要8T的時間。串行通信適合于遠距離傳送，可以從幾米到數(shù)千公里?？傊型ㄐ胚m合于長距離、低速率的通信，并行通信適合于短距離、高速率的數(shù)據(jù)

4、傳送。6.1 項目要求與分析項目要求與分析為了實現(xiàn)2個單片機之間的串行通信，應(yīng)該掌握以下知識：（1）單片機的串口的硬件結(jié)構(gòu)。（2）單片機的串口的相關(guān)寄存器。（3）單片機的串口的工作方式。（4）單片機的串口的初始化步驟。6.1 項目要求與分析項目要求與分析為了實現(xiàn)上述功能要求，應(yīng)該具備以下能力：（1）能夠使用Proteus軟件的實現(xiàn)硬件功能要求；（2）能夠使用Keil軟件的實現(xiàn)軟件功能要求： 完成串行通信發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)；（3）能夠使用Keil軟件和Proteus軟件的聯(lián)調(diào)開發(fā)環(huán)境完成整個項目設(shè)計，實現(xiàn)要求。6.2 項目理論知識項目理論知識6.2.1 單片機串行口的硬件結(jié)構(gòu)單片機串行口的硬件結(jié)

5、構(gòu)AT89C51單片機串行口的硬件結(jié)構(gòu)如圖6-1所示。6.2 項目理論知識項目理論知識在圖6-1中，單片機的串口共有兩個串行緩沖寄存器（Serial Buffer，SBUF）：（1）發(fā)送緩沖寄存器SBUF： 串行發(fā)送時，從片內(nèi)總線向發(fā)送SBUF寫入數(shù)據(jù)；（2）接收緩沖寄存器SBUF：串行接收時，從接收SBUF向片內(nèi)總線讀出數(shù)據(jù)。它們都是可尋址的寄存器，但因為發(fā)送和接收不能同時進行。所以給這兩個寄存器賦予同一地址（99H）。6.2 項目理論知識項目理論知識在接收方式下，串行數(shù)據(jù)通過引腳RXD（P3.0）進入，接收控制器控制移位寄存器一位一位將數(shù)據(jù)移入接收SBUF中，當數(shù)據(jù)都接收完成后，接收控制器

6、產(chǎn)生串行接收中斷RI請求。在發(fā)送方式下，先將待發(fā)送數(shù)據(jù)寫入發(fā)送SBUF中，發(fā)送控制器控制門將數(shù)據(jù)一位一位通過TXD（P3.1）發(fā)送出去。當數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，發(fā)送控制器產(chǎn)生串行發(fā)送中斷TI請求。波特率產(chǎn)生電路用于控制傳送數(shù)據(jù)的速率，控制每秒鐘傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)，且要求發(fā)送控制和接收控制器使用相同的波特率。6.2 項目理論知識項目理論知識6.2.2 單片機串行口的寄存器單片機串行口的寄存器1. 1. 串行控制寄存器串行控制寄存器SCONSCON（1）寄存器的作用：是一個可位尋址的特殊功能寄存器，用于串行數(shù)據(jù)通信的控制。（2）寄存器的內(nèi)容：見表6-1SCOND7D6D5D4D3D2D1D0(98H)SM0

7、SM1SM2RENTB8RB8TIRI6.2 項目理論知識項目理論知識2. 2. 電源控制寄存器電源控制寄存器PCONPCON（1）寄存器的作用：用于電源控制（2）寄存器的內(nèi)容：（只介紹和串口相關(guān)的位）SMOD為串行口波特率的倍增值。當SMOD=1時，串行口波特率倍增。系統(tǒng)復(fù)位時，SMOD=0。 PCOND7D6D5D4D3D2D1D0(87H)SMOD-GF1GF0PDID6.2 項目理論知識項目理論知識6.2.3 單片機串行口的工作方式單片機串行口的工作方式AT89C51單片機的串行口結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，具有4種工作方式，這些工作方式用SCON中的SM0和SM1兩位來確定。具體內(nèi)容如表6-2所示

8、。表 6-2 串行口的工作方式SM0 SM1 工作方式功 能波 特 率0 0方式0同步移位寄存器方式fosc/120 1方式18位UART定時器T1溢出率/n1 0方式29位UARTfosc/32或fosc/641 1方式39位UART定時器T1溢出率/n6.2 項目理論知識項目理論知識1. 工作方式工作方式0（1）方式的作用方式的作用：為同步移位寄存器輸入/輸出模式，可外接移位寄存器，以擴展I/O口。（2）引腳的使用引腳的使用：數(shù)據(jù)由P3.0 (RXD)引腳輸出或輸入，同步移位脈沖由P3.1（TXD）引腳輸出，每一移位脈沖將使RXD端輸出或者輸入1位二進制碼。（3）數(shù)據(jù)的格式數(shù)據(jù)的格式：發(fā)送

9、和接收均為8位數(shù)據(jù)，低位在先，高位在后。（4）方式的波特率方式的波特率：在TXD端的移位脈沖即為方式0的波特率，其值固定為晶振率fosc的1/12，即每個機器周期移動1位數(shù)據(jù)。6.2 項目理論知識項目理論知識（5）方式的時序圖方式的時序圖：使用方式0實現(xiàn)數(shù)據(jù)的移位輸出時，實際上是把串行口變成并行口使用。 數(shù)據(jù)預(yù)先寫入串行口數(shù)據(jù)緩沖器SBUF，然后從串行口RXD端，在移位時鐘脈沖（TXD）的控制下，逐位移出串口。當8位數(shù)據(jù)全部移出后，SCON寄存器的發(fā)送中斷TI被自動置1。 圖6-2 單片機的串行口的工作方式0的發(fā)送數(shù)據(jù)時序圖6.2 項目理論知識項目理論知識串行數(shù)據(jù)經(jīng)RXD端串行輸入，同樣由TX

10、D端提供移位時鐘脈沖。8位數(shù)據(jù)串行接收需要有允許接收的控制，具體由SCON寄存器的REN位實現(xiàn)。 REN=0，禁止接收；REN=1允許接收。當軟件置位REN時，即開始從RXD端輸入數(shù)據(jù)（低位在前），當接收到8位數(shù)據(jù)時，置位接收中斷標示RI。具體如圖6-3所示。 圖6-3 單片機的串行口的工作方式0的接收數(shù)據(jù)時序圖6.2 項目理論知識項目理論知識2. 工作方式工作方式1（1）方式的作用方式的作用：為波特率可變的8位異步通信口（2）引腳的使用引腳的使用：數(shù)據(jù)位由P3.0（RXD）端接收，由P3.1（TXD）端發(fā)送。（3）數(shù)據(jù)的格式數(shù)據(jù)的格式：數(shù)據(jù)為10位，即1個起始位、8個數(shù)據(jù)位（低位在先，高位在

11、前）和1個停止位。其數(shù)據(jù)格式如圖6-4所示。 圖6-4 單片機的串行口的工作方式1的數(shù)據(jù)格式（4）方式的波特率方式的波特率：方式1的波特率由定時器T1的溢出率決定。6.2 項目理論知識項目理論知識（5）方式的時序圖方式的時序圖：采用方式1發(fā)送數(shù)據(jù)時，用軟件清除TI后，CPU執(zhí)行任何一條SBUF緩沖寄存器的傳送指令，就啟動發(fā)送過程，數(shù)據(jù)由TXD引腳輸出，此時的發(fā)送移動脈沖是由定時/計數(shù)器T1送來的溢出信號經(jīng)過16或32分頻而得到的。一幀信號發(fā)送完時，將置位發(fā)送中斷標志TI=1，向CPU申請中斷，完成一次發(fā)送過程。具體如圖6-5所示。 圖6-5 單片機的串行口的工作方式1的發(fā)送數(shù)據(jù)時序圖6.2 項

12、目理論知識項目理論知識采用方式1接收數(shù)據(jù)時，用軟件清除RI后，當允許接收位REN被置位1時，接收器以選定波特率的16倍的速率采樣RXD引腳上的電平。當檢測到有從1到0的負跳變時，則啟動接收過程。當最后一次移動脈沖生產(chǎn)時能滿足下列兩個條件：RI=0；接收到的停止位為1或SM2=0。則停止位送入RB8，8位數(shù)據(jù)進入SBUF，并置接收中斷標志RI=1，向CPU發(fā)出中斷請求，完成一次接收數(shù)據(jù)。具體如圖6-6所示。 圖6-6 單片機的串行口的工作方式1的接收數(shù)據(jù)時序圖6.2 項目理論知識項目理論知識3. 方式方式2和方式和方式3（1）方式的作用：方式的作用：作為9位異步通信接口。（2）引腳的使用引腳的使

13、用：數(shù)據(jù)位由P3.0（RXD）端接收，由P3.1（TXD）端發(fā)送。（3）數(shù)據(jù)的格式數(shù)據(jù)的格式：每幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是11位的：最低位是起始位（0），其后是8位數(shù)據(jù)位（低位在先，高位在后），第10位時用戶定義位（SCON中的TB8或RB8），最后1位是停止位。 圖6-7 單片機的串行口的工作方式2/3的數(shù)據(jù)格式（4）方式的波特率方式的波特率：方式2的波特率固定為fosc的1/64或1/32；方式3的波特率由定時器T1的溢出率決定。6.2 項目理論知識項目理論知識（5）方式的時序圖方式的時序圖：采用方式2或方式3發(fā)送數(shù)據(jù)時，先將發(fā)送數(shù)據(jù)（D0-D7）寫入SBUF，而D8位的內(nèi)容則由硬件電路從TB8中直接送

14、到發(fā)送移位寄存器的第9位并以此來啟動串行發(fā)送。一個字符幀發(fā)送完畢后，將TI位置1，向CPU申請中斷，完成發(fā)送過程。具體如圖6-8所示。 圖6-8 單片機的串行口的工作方式2/3的發(fā)送數(shù)據(jù)時序圖6.2 項目理論知識項目理論知識采用方式2或方式3接收數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)從右邊移入輸入移位寄存器，在起始位0移到最左邊時，控制電路進行最后一次移位。當RI=0，且SM2=0（或接收到的第9位數(shù)據(jù)為1）時，接收到的數(shù)據(jù)裝入接收緩沖器SBUF和RB8（接收數(shù)據(jù)的第9位），置RI=1，向CPU請求中斷。如果條件不滿足，則數(shù)據(jù)丟失，且不置位RI，繼續(xù)搜索RXD引腳的負跳變。如圖6-9所示。 圖6-9 單片機的串行口的工

15、作方式2/3的接收數(shù)據(jù)時序圖RI（ 中 斷 標 志 ）位 采 樣 脈 沖D0D1D2D3D4D5D6D7停 止 位RXD起 始RB86.2 項目理論知識項目理論知識6.2.4 單片機串行口的波特率計算單片機串行口的波特率計算波特率就是指每秒鐘傳輸數(shù)據(jù)的位數(shù)。通過軟件可對單片機串行口的4種工作方式的波特率進行設(shè)置，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T1的溢出率來決定。串行口的4種工作方式對應(yīng)3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相同。方式方式0：波特率：波特率 = fosc/12方式方式1：波特率：波特率 =（2S

16、MOD/32）（）（T1溢出率）溢出率）方式方式2：波特率：波特率 =（2SMOD/64） fosc方式方式3：波特率：波特率 =（2SMOD/32）（）（T1溢出率）溢出率）6.2 項目理論知識項目理論知識6.2.5 單片機串行口的初始化步驟單片機串行口的初始化步驟在使用串行口之前，應(yīng)對其進行編程初始化，主要是設(shè)置產(chǎn)生波特率的定時器1、串行口控制和中斷控制。具體步驟如下：（1）確定定時器T1的工作方式，設(shè)置TMOD寄存器；（2）確定定時器T1的計數(shù)初值，裝載TH1、TL1；（3）啟動定時器T1，把TCON中的TR1位設(shè)置為1；（4）確定串行口的控制，設(shè)置SCON寄存器；（5）串行口工作在中斷

17、方式下，必須開總中斷和串行口中斷，設(shè)置IE寄存器。6.3 項目概要設(shè)計項目概要設(shè)計6.3.1 點對點雙機通信系統(tǒng)的概要設(shè)計點對點雙機通信系統(tǒng)的概要設(shè)計點對點雙機通信系統(tǒng)項目的設(shè)計要使用中斷來完成：項目的主要設(shè)計內(nèi)容是：（1）進行硬件電路設(shè)計時，需要考慮單片機連接的I/O端口和串行通信電路。串行通信電路的設(shè)計，需要考慮電路中串行發(fā)送端和接收端的連接電路。（2）進行軟件設(shè)計時，主要需要考慮如何進行串行通信的處理，其中包括串行發(fā)送端軟件設(shè)計、串行接收端軟件設(shè)計和串行中斷的響應(yīng)中斷處理。6.3 項目概要設(shè)計項目概要設(shè)計6.3.2 硬件電路的概要設(shè)計硬件電路的概要設(shè)計（1）串行發(fā)送端電路部分串行發(fā)送端采

18、用單片機的P3.1端口，使用第二功能（TXD），作為串行通信數(shù)據(jù)發(fā)送端。為了直觀說明發(fā)送的數(shù)據(jù)，單片機通過P1端口連接8個LED燈，顯示發(fā)送數(shù)據(jù)。（2）串行接收端電路部分串行接收端采用單片機的P3.0端口，使用的第二功能（RXD），作為串行通信數(shù)據(jù)接收端。為了直觀說明接收的數(shù)據(jù)，以便和發(fā)送端的數(shù)據(jù)進行比較，測試接收數(shù)據(jù)的正確性，單片機通過P1端口連接8個LED燈，顯示接收數(shù)據(jù)。并用閃爍的方式，和發(fā)送數(shù)據(jù)有所區(qū)別。6.3 項目概要設(shè)計項目概要設(shè)計6.3.3 軟件程序的概要設(shè)計軟件程序的概要設(shè)計有關(guān)點對點雙機通信項目的軟件設(shè)計的核心：如何進行串行通信。6.4 項目詳細設(shè)計項目詳細設(shè)計6.4 項目詳

19、細設(shè)計項目詳細設(shè)計6.4.2 硬件電路的詳細設(shè)計硬件電路的詳細設(shè)計（1）單片機（甲機）部分：由電阻R1-R8和LED燈D1-D8組成數(shù)據(jù)顯示部分，根據(jù)硬件電路的連接，當P1.0至P1.7端口為高電平時，LED燈D1-D8被點亮，當P1.0至P1.7端口為低電平時，LED燈D1-D8被熄滅。甲機的串行發(fā)送端（P3.1端口）和乙機的串行接收端連接，組成項目的串行發(fā)送數(shù)據(jù)通道。（2）單片機（乙機）部分：由電阻R9-R16和LED燈D8-D16組成數(shù)據(jù)顯示部分，根據(jù)硬件電路的連接，當P1.0至P1.7端口為高電平時，LED燈D8-D16被點亮，當P1.0至P1.7端口為低電平時，LED燈D8-D16被

20、熄滅。乙機的串行發(fā)送端（P3.1端口）和甲機的串行接收端連接，組成項目的串行接收數(shù)據(jù)通道。6.4 項目詳細設(shè)計項目詳細設(shè)計6.4.3 軟件程序的詳細設(shè)計軟件程序的詳細設(shè)計 軟件部分的設(shè)計主要是：雙機之間點對點的發(fā)送和接收處理。6.5 項目實施項目實施根據(jù)上述有關(guān)項目的詳細設(shè)計，現(xiàn)在使用Proteus軟件實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計。設(shè)計步驟如下：1新建可控流水燈系統(tǒng)設(shè)計；新建可控流水燈系統(tǒng)設(shè)計；2選擇可控流水燈系統(tǒng)所需的元器件；選擇可控流水燈系統(tǒng)所需的元器件；3放置對象（包括元器件和電源終端）并布局原放置對象（包括元器件和電源終端）并布局原理圖；理圖；4編輯修改元器件參數(shù)；編輯修改元器件參數(shù)；5放置連線，連接對象，建立原理圖。放置連線，連接對象，建立原理圖。6.5 項目實施項目實施序號序號 庫參考名稱庫參考名稱庫庫描述描述1AT89C51MCS8051 8051 Microcontroller2RESDEVICEGeneric resistor symbol3LED-REDACTIVEAnimated LED Model(RED)6.5 項目實施項目實施6.5.2 軟件程序的實施有關(guān)項目的軟件程序的實施，具體步驟如下：第一步，新建項目工程文件