串行通訊及其接口

1、6. 6. 串行通訊及其接口串行通訊及其接口并行通信并行通信: 數(shù)據(jù)的各位同時(shí)傳送。數(shù)據(jù)的各位同時(shí)傳送。 優(yōu)點(diǎn)：傳送速度快優(yōu)點(diǎn)：傳送速度快 缺點(diǎn)：數(shù)據(jù)線多，成本較高，且由于并行數(shù)據(jù)傳輸線的耦合和共模缺點(diǎn)：數(shù)據(jù)線多，成本較高，且由于并行數(shù)據(jù)傳輸線的耦合和共模干擾，傳輸距離短。干擾，傳輸距離短。 主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)傳送量很大的場合，如打印機(jī)，液晶屏等。隨著現(xiàn)主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)傳送量很大的場合，如打印機(jī)，液晶屏等。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，并行通信的應(yīng)用在逐漸減少。代電子技術(shù)的發(fā)展，并行通信的應(yīng)用在逐漸減少。 串行通信串行通信：將數(shù)據(jù)按順序分解為一位（或幾位，一般不大于：將數(shù)據(jù)按順序分解為一位（或幾位，一般不

2、大于4位）的序位）的序列，按順序傳送。列，按順序傳送。 優(yōu)點(diǎn)：傳送線路簡單，成本低，傳送距離長優(yōu)點(diǎn)：傳送線路簡單，成本低，傳送距離長 缺點(diǎn)：傳送速度比并行通信低缺點(diǎn)：傳送速度比并行通信低 隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，傳送速度越來越快，應(yīng)用越來越廣泛。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，傳送速度越來越快，應(yīng)用越來越廣泛。如如USB、1394、Profibus、SERCOS、各種網(wǎng)絡(luò)等、各種網(wǎng)絡(luò)等6-1 串行通訊的一般概念串行通訊的一般概念 6-1-1 并行通信和串行通信并行通信和串行通信 按數(shù)據(jù)的傳送方向，串行通信可分為：單工、雙工、半雙工按數(shù)據(jù)的傳送方向，串行通信可分為：單工、雙工、半雙工3種形種形式。式。6

3、-1-2 串行通信的數(shù)據(jù)通路形式串行通信的數(shù)據(jù)通路形式AB單工通信單工通信AB雙工通信雙工通信半雙工通信半雙工通信 A B 多機(jī)通信多機(jī)通信 主站主站從站從站1從站從站2從站從站N站站1站站B站站Na. 異步通信異步通信 在異步通信中，沒有統(tǒng)一的時(shí)鐘信號(hào)，各設(shè)備使用自己的時(shí)鐘信號(hào)在異步通信中，沒有統(tǒng)一的時(shí)鐘信號(hào)，各設(shè)備使用自己的時(shí)鐘信號(hào),各設(shè)備時(shí)鐘必須在頻率上保證一致（誤差允許范圍很?。總€(gè)傳送字各設(shè)備時(shí)鐘必須在頻率上保證一致（誤差允許范圍很?。總€(gè)傳送字節(jié)必須用其始位來同步時(shí)鐘，用節(jié)必須用其始位來同步時(shí)鐘，用12個(gè)停止位來表示傳送字節(jié)的結(jié)束。由個(gè)停止位來表示傳送字節(jié)的結(jié)束。由起始位、數(shù)據(jù)

4、位、奇偶校驗(yàn)位和停止位起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位和停止位等等 4 部分組成的串行數(shù)據(jù)稱為部分組成的串行數(shù)據(jù)稱為字字符幀符幀（Character Frame） 也叫也叫數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)幀。 異步通信的優(yōu)點(diǎn)異步通信的優(yōu)點(diǎn)是不需要傳送同步時(shí)鐘，字符幀長度不受限制，是不需要傳送同步時(shí)鐘，字符幀長度不受限制，故設(shè)備簡單。故設(shè)備簡單。缺點(diǎn)缺點(diǎn)是字符幀中因包含起始位和停止位而降低了有效數(shù)據(jù)的是字符幀中因包含起始位和停止位而降低了有效數(shù)據(jù)的傳輸速率。傳輸速率。 D0PD1D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3起始位起始位空閑位空閑位停止位停止位 異步串行通信的異步串行通信的字符幀格式字符幀格式6-1-3 串行通信

5、格式串行通信格式 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。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。起始位檢測起始位檢測 異步通信中，每秒鐘傳送二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)為異步通信中，每秒鐘傳送二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)為波特率波特率(Baud Rate),單位為單位為 bpsbps。異步串行通信的收發(fā)設(shè)備，必須使用相同的波特率。異步串行通信的收發(fā)設(shè)備，必須使用相同的波特率。 異步通信設(shè)備，都具有自己的波特率時(shí)鐘發(fā)生器，其時(shí)鐘頻率一般異步通信設(shè)備，都具有自己的波特率時(shí)鐘發(fā)生器，其時(shí)鐘頻率一般為波特率的為波特率的1616倍，在檢測到起始時(shí)位跳變時(shí)，接收方同步其接收時(shí)鐘，倍，

6、在檢測到起始時(shí)位跳變時(shí)，接收方同步其接收時(shí)鐘，然后，間隔然后，間隔2424個(gè)時(shí)鐘，檢測第一個(gè)數(shù)據(jù)位，以后每間隔個(gè)時(shí)鐘，檢測第一個(gè)數(shù)據(jù)位，以后每間隔1616個(gè)時(shí)鐘檢測一個(gè)時(shí)鐘檢測一位，直到停止位，位，直到停止位，1 1幀數(shù)據(jù)結(jié)束。幀數(shù)據(jù)結(jié)束。 用起始位同步接受時(shí)鐘，消除了時(shí)鐘誤差的累積，降低了對(duì)收發(fā)時(shí)用起始位同步接受時(shí)鐘，消除了時(shí)鐘誤差的累積，降低了對(duì)收發(fā)時(shí)鐘頻率的一致性要求，一般，時(shí)鐘誤差鐘頻率的一致性要求，一般，時(shí)鐘誤差3% 3% 即可。即可。 發(fā)送發(fā)送時(shí)鐘時(shí)鐘接收接收時(shí)鐘時(shí)鐘數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)讀取第讀取第1 1個(gè)數(shù)據(jù)位個(gè)數(shù)據(jù)位 讀取第讀取第2 2個(gè)數(shù)據(jù)位個(gè)數(shù)據(jù)位 b. 同步通信同步通信 在通信的設(shè)備

7、中在通信的設(shè)備中,采用同一時(shí)鐘信號(hào)采用同一時(shí)鐘信號(hào),這個(gè)時(shí)鐘信號(hào)可以是其中一臺(tái)這個(gè)時(shí)鐘信號(hào)可以是其中一臺(tái)設(shè)備產(chǎn)生的設(shè)備產(chǎn)生的,也可以采用外部時(shí)鐘信號(hào)源。也可以采用外部時(shí)鐘信號(hào)源。 0 0 1 1 1 1 0 1 由于具有同步時(shí)鐘由于具有同步時(shí)鐘,傳送速度快傳送速度快; 但若傳送距離較長時(shí)但若傳送距離較長時(shí), 時(shí)鐘信號(hào)易時(shí)鐘信號(hào)易受干擾受干擾, 且不經(jīng)濟(jì)。多用于板內(nèi)芯片間的數(shù)據(jù)通信和短距離設(shè)備間的數(shù)且不經(jīng)濟(jì)。多用于板內(nèi)芯片間的數(shù)據(jù)通信和短距離設(shè)備間的數(shù)據(jù)通信。如：據(jù)通信。如：I2C、 SPI、 LVDS等等 在同步通信中，除了位同步，還需要幀（字符）同步，幀同步可以在同步通信中，除了位同步，還需

8、要幀（字符）同步，幀同步可以由單獨(dú)的硬件信號(hào)實(shí)現(xiàn)，也可以用數(shù)據(jù)線上的同步字符來實(shí)現(xiàn)（非由單獨(dú)的硬件信號(hào)實(shí)現(xiàn)，也可以用數(shù)據(jù)線上的同步字符來實(shí)現(xiàn)（非2進(jìn)進(jìn)制數(shù)據(jù)）制數(shù)據(jù)） 時(shí)鐘發(fā)生器時(shí)鐘發(fā)生器 主器件主器件MOSI 從器件從器件MISONSSSCK1）SPI 同步串行總線標(biāo)準(zhǔn)同步串行總線標(biāo)準(zhǔn) SPI總線采用總線采用3線制全雙工串行通信線制全雙工串行通信。7 6 5 4 3 2 1 07 6 5 4 3 2 1 0MSBbit6bit5bit4bit3bit2bit1LSBSCKMISO/MOSINSS2）I2C 同步串行總線標(biāo)準(zhǔn)同步串行總線標(biāo)準(zhǔn) I2C總線采用總線采用2線制全雙工串行通信線制全雙工

9、串行通信。主主 站站從站從站0A2 A1 A0 0 0 00 0 11 1 1從站從站1A2 A1 A0從站從站7A2 A1 A0SDASCL6-2-1 RS232C RS232是應(yīng)用最早是應(yīng)用最早,最廣泛的雙機(jī)異步串行通信總線標(biāo)準(zhǔn)。是美國電最廣泛的雙機(jī)異步串行通信總線標(biāo)準(zhǔn)。是美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)的推薦標(biāo)準(zhǔn)子工業(yè)協(xié)會(huì)的推薦標(biāo)準(zhǔn) RS = recommended standard 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了數(shù)據(jù)終端設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)和數(shù)據(jù)通信設(shè)備和數(shù)據(jù)通信設(shè)備(DCE)間串行通信接間串行通信接口的物理口的物理(電平電平)、信號(hào)和機(jī)械連接標(biāo)準(zhǔn)、信號(hào)和機(jī)械連接標(biāo)準(zhǔn)6-2 常用異步串行通訊接口標(biāo)準(zhǔn)常用異

10、步串行通訊接口標(biāo)準(zhǔn) 計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)DTEDCEDCEDTE 電話線電話線 Modem Modem 計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī) RS232C RS232C 計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī) TXD TXD RXD RXD GND GNDRS232C的電氣標(biāo)準(zhǔn)和機(jī)械連接的電氣標(biāo)準(zhǔn)和機(jī)械連接DTE插針式插針式DCE內(nèi)孔式內(nèi)孔式25針針DB插連接器插連接器DTE插針式插針式DCE內(nèi)孔式內(nèi)孔式9針針DB插連接器插連接器RS232C的電氣標(biāo)準(zhǔn)：的電氣標(biāo)準(zhǔn)： 3V15V : 邏輯邏輯0 -3V-15V: 邏輯邏輯150ft 9600bpsTTL/CMOS-RS232電平轉(zhuǎn)換芯片：電平轉(zhuǎn)換芯片：MAX232、MAX202等等RS23

11、2C接口信號(hào)定義接口信號(hào)定義引腳引腳(9針針) 引腳引腳(25針針)信號(hào)信號(hào)信號(hào)源信號(hào)源類類 型型描描 述述18CDDCE控制控制載波信號(hào)檢測載波信號(hào)檢測23RxDDCE數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)接收數(shù)據(jù)接收數(shù)據(jù)32TxDDTE數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)420DTRDTE控制控制終端準(zhǔn)備好終端準(zhǔn)備好57GND- -信號(hào)地信號(hào)地66DSRDCE控制控制數(shù)據(jù)機(jī)準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)機(jī)準(zhǔn)備好74RTSDTE控制控制請(qǐng)求發(fā)送請(qǐng)求發(fā)送85CTSDCE控制控制清除以便發(fā)送清除以便發(fā)送922RIDCE控制控制振鈴信號(hào)振鈴信號(hào)計(jì)算機(jī)間計(jì)算機(jī)間RS232C通信的常用連接方法通信的常用連接方法全握手全握手無握手無握手 計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)

12、TXD TXD RXD RXD GND GNDTxDRxDRTSCTSDTRDSRCDRIGNDTxDRxDRTSCTSDTRDSRCDRIGND6-2-2 RS422 和和 RS485 平衡和非平衡線路平衡和非平衡線路非平衡線路（單端收發(fā)器）非平衡線路（單端收發(fā)器）平衡線路（差分收發(fā)器）平衡線路（差分收發(fā)器）RS422 和和 RS485 接口標(biāo)準(zhǔn)接口標(biāo)準(zhǔn)規(guī)規(guī) 格格 RS422RS485傳輸模式傳輸模式平衡平衡平衡平衡差動(dòng)輸出差動(dòng)輸出（V） 2 1.5接收器敏感度接收器敏感度（V） 0.2 0.2驅(qū)動(dòng)器負(fù)載，最?。?qū)動(dòng)器負(fù)載，最小（）10060最大驅(qū)動(dòng)器數(shù)量最大驅(qū)動(dòng)器數(shù)量132最大接收器數(shù)量最

13、大接收器數(shù)量1032最大傳輸速度最大傳輸速度 ( bps ) )10M10M最大電纜長度最大電纜長度 90Kbps ( ft )40004000最大電纜長度最大電纜長度 10Mbps ( ft )5050RS422 的連接線路的連接線路 R主站主站RRS422 多采用多采用1:N的全雙工連接方式的全雙工連接方式從站從站1從站從站NRS485 的連接線路的連接線路 RRRS485多半雙工的連接方式多半雙工的連接方式6-3 8051 8051的串行通訊端口的串行通訊端口 6-3-1 8051串行口結(jié)構(gòu)串行口結(jié)構(gòu) 8051具有一個(gè)全雙工的具有一個(gè)全雙工的通用異步接收器通用異步接收器/ /發(fā)送器發(fā)送器

14、UART（Universal Asychronous Receiver/Transmitter）, 接收或發(fā)送數(shù)據(jù)，是通過對(duì)兩個(gè)獨(dú)接收或發(fā)送數(shù)據(jù)，是通過對(duì)兩個(gè)獨(dú)立收發(fā)引腳立收發(fā)引腳 RXD(P3.0)、TXD (P3.1)來實(shí)現(xiàn)的。來實(shí)現(xiàn)的。CPU則通過則通過3個(gè)特殊功能個(gè)特殊功能寄存器寄存器( SBUF、SCON、PCON )來實(shí)現(xiàn)對(duì)來實(shí)現(xiàn)對(duì)UART的控制。的控制。a. 收發(fā)緩沖器收發(fā)緩沖器SBUF 8051的的UART，包含兩個(gè)物理上獨(dú)立的接收、發(fā)送寄存器，包含兩個(gè)物理上獨(dú)立的接收、發(fā)送寄存器SBUF，一，一個(gè)用于存放接收到的數(shù)據(jù)，另一個(gè)用于存放欲發(fā)送的數(shù)據(jù)，二者共用一個(gè)用于存放接收到的數(shù)

15、據(jù)，另一個(gè)用于存放欲發(fā)送的數(shù)據(jù)，二者共用一個(gè)字節(jié)地址（個(gè)字節(jié)地址（99H），發(fā)送緩沖器只能寫入不能讀出，接收緩沖器只能，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，當(dāng)對(duì)讀出不能寫入，當(dāng)對(duì)SBUF進(jìn)行寫操作時(shí)，操作的目標(biāo)是發(fā)送寄存器，當(dāng)進(jìn)行寫操作時(shí)，操作的目標(biāo)是發(fā)送寄存器，當(dāng)對(duì)對(duì)SBUF進(jìn)行讀操作時(shí)，操作的目標(biāo)是接收寄存器進(jìn)行讀操作時(shí)，操作的目標(biāo)是接收寄存器 如：如：MOVA，SBUF；A接收寄存器接收寄存器MOVSBUF ， A ；發(fā)送寄存器；發(fā)送寄存器 A b. 電源和波特率控制寄存器電源和波特率控制寄存器 PCON （87H） SMOD1SMOD0-POF2GF1GF0PDID

16、LD7D6D5D4D3D2D1D0SMOD 1為波特率倍頻選擇位。為波特率倍頻選擇位。 在方式在方式 1、2 和和 3 時(shí)，串行通信的波特率與時(shí)，串行通信的波特率與 SMOD 有關(guān)。有關(guān)。當(dāng)當(dāng) SMOD=1 時(shí)時(shí)，通信波特率乘，通信波特率乘 2；當(dāng)；當(dāng) SMOD=0 時(shí)時(shí)，通信波特率不變。，通信波特率不變。SMOD 0用于選擇串口控制寄存器用于選擇串口控制寄存器SCON最高位的功能：最高位的功能： 當(dāng)當(dāng) SMOD0=0 時(shí)，時(shí)， SCON的最高位為工作方式選擇（的最高位為工作方式選擇（SM0）；）； 當(dāng)當(dāng) SMOD0=1 時(shí)，時(shí)， SCON的最高位為幀錯(cuò)誤標(biāo)志（的最高位為幀錯(cuò)誤標(biāo)志（FE）。）

17、。c. 串行控制寄存器串行控制寄存器SCON SCON 用來控制串行口的工作方式和狀態(tài)，可以位尋址，字節(jié)地址用來控制串行口的工作方式和狀態(tài)，可以位尋址，字節(jié)地址為為 98H。 SM0/FESM1SM2RENTB8RB8TIRID7D6D5D4D3D2D1D0SM0、SM1：串行方式選擇位串行方式選擇位 SM0 SM1工作方式工作方式功功 能能波波 特特 率率0 0方式方式 0 8位同步移位寄存器位同步移位寄存器 fOSC/ /120 1方式方式 1 8位位UART 可變可變(T1或或T2溢出率溢出率/n)1 0方式方式 2 9位位UART fOSC/ /64 或或 fOSC/ /32 1 1方

18、式方式 3 9位位UART 可變可變(T1或或T2溢出率溢出率/n)FE: 幀錯(cuò)誤標(biāo)志幀錯(cuò)誤標(biāo)志。當(dāng)當(dāng)UART檢測到停止位為檢測到停止位為0時(shí)，置位時(shí)，置位FE。需軟件清除。需軟件清除。SM2：主主-從式多機(jī)通信控制位，用于方式從式多機(jī)通信控制位，用于方式 2 和方式和方式 3 中。中。在以方式在以方式 2 和方式和方式 3 處于處于接收方式接收方式時(shí)，時(shí)， 若若 SM2=1：當(dāng)接收到的第：當(dāng)接收到的第 9 位數(shù)據(jù)位數(shù)據(jù) RB8為為0 時(shí)，則時(shí)，則RI=0； 當(dāng)接收到的第當(dāng)接收到的第 9 位數(shù)據(jù)位數(shù)據(jù) RB8為為1 時(shí)，則時(shí)，則RI=1。 若若 SM2=0：不論接收到的第：不論接收到的第9位位

19、RB8為為0還是為還是為1，RI 都以正常方式被都以正常方式被激活。激活。主主-從式多機(jī)通信：從式多機(jī)通信： 在通訊開始時(shí)在通訊開始時(shí)，各從機(jī)都應(yīng)置位，各從機(jī)都應(yīng)置位SM2。因?yàn)橹鳈C(jī)發(fā)出的第一幀數(shù)據(jù)因?yàn)橹鳈C(jī)發(fā)出的第一幀數(shù)據(jù)是地址幀是地址幀( RB8=1 )，各從機(jī)都激發(fā)中斷，并進(jìn)入各自的中斷服務(wù)程序。，各從機(jī)都激發(fā)中斷，并進(jìn)入各自的中斷服務(wù)程序。只有地址相符的從機(jī)才在中斷服務(wù)程序中使只有地址相符的從機(jī)才在中斷服務(wù)程序中使SM2=0，為以后接收或發(fā)送為以后接收或發(fā)送數(shù)據(jù)作準(zhǔn)備；其他從機(jī)仍保持?jǐn)?shù)據(jù)作準(zhǔn)備；其他從機(jī)仍保持SM2=1，對(duì)數(shù)據(jù)幀不予理睬。這樣就實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)幀不予理睬。這樣就實(shí)現(xiàn)了主機(jī)只能與

20、被尋址的從機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊。了主機(jī)只能與被尋址的從機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊。 在方式在方式 1 處于接收時(shí)，若處于接收時(shí)，若 SM2=1，則只有收到有效的停止位后，則只有收到有效的停止位后，RI =1。 在方式在方式 0 中，中，SM2 應(yīng)為應(yīng)為 0。REN: 允許接收。允許接收。 REN=0 時(shí)，禁止接收。由軟件置位或清零。時(shí)，禁止接收。由軟件置位或清零。TB8: 發(fā)送數(shù)據(jù)的第發(fā)送數(shù)據(jù)的第 9 位。位。 在方式在方式 2 和方式和方式 3 中，由軟件設(shè)置，可做奇偶校驗(yàn)位。中，由軟件設(shè)置，可做奇偶校驗(yàn)位。 在多機(jī)通信中，可作為區(qū)別地址幀或數(shù)據(jù)幀的標(biāo)識(shí)位。一般約定在多機(jī)通信中，可作為區(qū)別地址幀或數(shù)據(jù)幀的標(biāo)識(shí)位。一般

21、約定地地址幀時(shí)，址幀時(shí)，TB8 為為 1，數(shù)據(jù)幀時(shí)，數(shù)據(jù)幀時(shí)，TB8 為為 0。RB8: 接收數(shù)據(jù)的第接收數(shù)據(jù)的第 9 位。功能同位。功能同 TB8。TI：發(fā)送中斷標(biāo)志位。發(fā)送中斷標(biāo)志位。發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)的標(biāo)志發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)的標(biāo)志，由硬件置位，由硬件置位, 軟件清除，軟件清除，可觸發(fā)可觸發(fā)CPU中斷。中斷。RI：接收中斷標(biāo)志位。接收中斷標(biāo)志位。接收完一幀數(shù)據(jù)的標(biāo)志接收完一幀數(shù)據(jù)的標(biāo)志，由硬件置位，由硬件置位, 軟件清除，軟件清除，可觸發(fā)可觸發(fā)CPU中斷。中斷。 6-3-2 8051串行口的工作方式串行口的工作方式 根據(jù)根據(jù)SCON中中SM0、SM1： 8051的的UART有有4中工作方式，用于不同中工作方式，用于不同場合。場合。1） 方式方式0 移位寄存器方式移位寄存器方式 串行數(shù)據(jù)從串行數(shù)據(jù)從 RXD (P3.0)端輸入或輸出，同步移位脈沖由端輸入或輸出，同步移位脈沖由 TXD(P3.1)送出。送出。 這種方式