第8章 串行接口

1、用于單片機與外部其他計算機系統(tǒng)和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳輸，以形成一個集檢測、控制、管理為一體(yt)的計算機控制網(wǎng)絡(luò)。單片機的應(yīng)用已從單機應(yīng)用發(fā)展成多機應(yīng)用，解決多機互連的核心問題是單片機之間的通信。數(shù)據(jù)傳輸有兩種形式：并行通信和串行通信MCS51系列單片機有四個8位并行接口，還有串行接口串行接口共四十八頁串行異步通信(tng xn)的工作方式串行異步通信(tng xn)的波特率知識點：串行異步通信的控制串行異步通信的幀格式共四十八頁什么(shn me)是串行通信？串行通信(tng xn)和并行通信(tng xn) 計算機1 GND 計算機2 GND并行通信 TXD RXD GNDRXD TXD G

2、ND發(fā)送接收串行通信并行通信：數(shù)據(jù)的各位同時傳送；串行通信：數(shù)據(jù)一位一位順序傳送。直接用兩塊單片機的四個并行口中的一個并行口進行數(shù)據(jù)的傳輸稱為并行通信；用兩塊單片機的，進行數(shù)據(jù)傳輸稱為串行通信共四十八頁 例如：如果一個位二進制數(shù)據(jù)用并行通信(tng xn)傳送所需時間為，用串行同步通信(tng xn)所需時間約為8，而用串行異步通信所需時間大于8。在并行通信中，一個并行數(shù)據(jù)占多少位二進制數(shù)，就需要多少根傳輸線。這種方式的特點是通信速度快，但傳輸線多，成本高，只適合(shh)近距離傳送信息，一般通信距離應(yīng)小于30米。 串行通信僅需一到兩根傳輸線，故在長距離傳送數(shù)據(jù)時，比較經(jīng)濟。但由于它每次只能傳

3、送一位，所以，傳送速度較慢。共四十八頁同步通信：按數(shù)據(jù)塊傳送。即將需要傳送的字符順序連接起來，組成一個數(shù)據(jù)塊。在數(shù)據(jù)傳送前用同步字符（12個）來指示，以用時鐘實現(xiàn)發(fā)送端和接收端同步。在數(shù)據(jù)塊后面加上特殊(tsh)的校驗字符。同步通信中字符間無間隔，也不用起始位和停止位，因此傳送速率高，但硬件復(fù)雜，在MCS51單片機中一般不使用。共四十八頁各種通信方式(fngsh)的比較并行通信：8位數(shù)據(jù)在1個時鐘作用下同時送出 優(yōu)點：方法(fngf)簡單、速度快 缺點：費用高、只適合短距離串行同步通信：通信雙方由同一時鐘，經(jīng)同步字符引導(dǎo)后，8位數(shù)據(jù)分別在8個時鐘作用下逐位送出。與串行異步通信相比較 優(yōu)點：方法

4、簡單、速度略快 缺點：需要同一時鐘串行異步通信：通信雙方約定按幀傳送數(shù)據(jù)，需要10個以上的時鐘作用下才能將8位數(shù)據(jù)送出。與串行同步通信比較 優(yōu)點：無需同一時鐘 缺點：方法復(fù)雜、速度略慢比較結(jié)果：串行異步通信更優(yōu)，本章重點介紹共四十八頁串行通信(tng xn)的分類：異步(Asynchronous Communication) 同步(Synchronous Communication) 串行通信(tng xn)制式：單工(a)、半雙工(b)和全雙工(c) (simplex half duplex full duplex)發(fā)送器A站接收器B站單工通信(a)發(fā)收A站發(fā)收B站發(fā)收A站發(fā)收B站(b)(c

5、)共四十八頁 串行通信有兩種基本通信方式，即異步通信和同步通信。 1. 異步通信 在異步通信中，數(shù)據(jù)或字符是分為一幀一幀地傳送。在幀格式中，一個字符由四個部分(b fen)組成： 起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗位和停止位。串行異步通信(tng xn) 起始位“0”信號用來通知接收設(shè)備一個待接收的字符開始到來。線路上在不傳送字符期間應(yīng)保持為“1”。接收端不斷檢測線路的狀態(tài)，若連續(xù)為“1”以后又測到一“0”,表示發(fā)來了一個新字符，應(yīng)馬上準(zhǔn)備接收 起始位后面緊接著是數(shù)據(jù)位，它可以是5位(DOD4)、6位、7位或8位(DOD7) 奇偶校驗位：為了防止接收錯誤數(shù)據(jù)特意安排的校驗位。在通信中也可以用這一位是“0

6、”或“1”來確定這一幀中的字符所代表的信息是地址或數(shù)據(jù)。 停止位用來表征字符的結(jié)束，它一定是高電位“1”，停止位可以是l位（常用）、15位或2位。接收端收到停止位后，知道上一字符已傳送完畢，同時，也為接收下一個字符做好準(zhǔn)備共四十八頁MCS-51串行接口的結(jié)構(gòu)(jigu)共四十八頁MCS-51串行接口寄存器SBUF串行口數(shù)據(jù)緩沖器有兩個物理上獨立的串行數(shù)據(jù)緩沖器SBUF：一個(y )發(fā)送寄存器SBUF只能讀出，不能寫入，一個接收SBUF只能寫入，不能讀出，故他們都用SBUF表示，共用一個地址99H。SCON串行口控制寄存器PCON電源及波特率選擇寄存器共四十八頁控制(kngzh)寄存器SCONS

7、M0SM1SM2RENTB8RB8TIRI工作方式選擇多機通信控制位允許串行接收位接收數(shù)據(jù)的第9位發(fā)送數(shù)據(jù)的第9位接收中斷標(biāo)志發(fā)送中斷標(biāo)志9FH9EH9DH9CH9BH9AH99H98HRI、TI ：由軟件置0SM2：方式2和方式3的多級通信(tng xn)控制位。對于方式2或方式3，如SM2置為1，則接收到的第9位數(shù)據(jù)（RB8）為1時置位RI，否則不置位；對于方式1，若SM2=1，則只有接收到有效的停止位時才會置位RI。對于方式0，SM2應(yīng)該為0。RB8，TB8：可用作數(shù)據(jù)的奇偶校驗位，或在多機通信中，作為地址幀/數(shù)據(jù)幀的標(biāo)志位，需要有軟件置1或清0。對于方式0，不使用RB8。共四十八頁SM

8、0 SM1工作方式功能波特率0 0方式08位同步移位寄存器fosc/120 1方式110位UART可變1 0方式211位UARTfosc/64或fosc/321 1方式311位UART可變串行方式(fngsh)的定義例：設(shè)串行口工作(gngzu)在方式1，允許接收，則指令為： MOV SCON,#01010000BSM0SM1SM2RENTB8RB8TIRI共四十八頁串行通信只用該位，為1時，波特率2；為0時不變。PCON的地址為87H，不能位尋址，需要(xyo)字節(jié)傳送。電源(dinyun)及波特率選擇寄存器PCONSMODGF1GF0PDIDL87H共四十八頁4中斷允許控制寄存器IE其中，

9、ES為串行通信(tng xn)中斷允許位。ES=0,禁止串行端口中斷；ES=1，允許串行端口的接收和發(fā)送中斷。位D7D6D5D4D3D2D1D0字節(jié)地址IEEA-ESET1EX1ET0EX0A8H位地址AFHAEHADHACHABHAAHA9HA8H共四十八頁方式(fngsh)0在方式0下，串行口作同步移位寄存器用，其波特率固定為fosc/12。串行數(shù)據(jù)從RXD(P3.0)端輸入或輸出，同步移位脈沖由TXD(P3.1)送出。這種方式常用于擴展I/O口，發(fā)送和接收都是8位數(shù)據(jù)為1幀，沒有起始位和停止位，低位在前。當(dāng)執(zhí)行一條寫入SBUF的指令時，就啟動了串行接口的發(fā)送過程（如MOV SBUF,A）

10、。串行口以fosc/12的固定波特率從TXD引腳輸出串行同步時鐘，8位同步數(shù)據(jù)從RXD引腳輸出。8位數(shù)據(jù)發(fā)送完后自動將TI置1，向CPU申請中斷。告訴CPU可以發(fā)送下一幀數(shù)據(jù)，在這之前(zhqin)，必須在中斷服務(wù)程序中用軟件將TI清0。寫入SBUFRXD(數(shù)據(jù))TXD（移位脈沖）TI（中斷標(biāo)志）圖6-31 方式0輸出時序共四十八頁當(dāng)用戶在應(yīng)用程序中，將SCON中的REN位置1時（同時RI=0），就啟動了一次數(shù)據(jù)接收過程。數(shù)據(jù)從外接引腳RXD（P3.0）輸入，移位脈沖從外接引腳TXD（P3.1）輸出。8位數(shù)據(jù)接收完后，由硬件將輸入移位寄存器中的內(nèi)容寫入SBUF，并自動(zdng)將RI置1，向

11、CPU申請中斷。CPU響應(yīng)中斷后，用軟件將RI清0，同時讀走輸入的數(shù)據(jù)，接著啟動串行口接收下一個數(shù)據(jù)。REN=1RXD(數(shù)據(jù))TXD（移位脈沖）圖6-32 方式0輸入時序RI=0共四十八頁方式(fngsh)0用于擴展I/O口輸入74L165:并入(bn r)串出移位寄存器 方式0用于擴展I/O口輸出74L164:串入并出移位寄存器 共四十八頁方式(fngsh)110位的幀格式(g shi) 串行口為波特率可變的10位通用異步接口UART。每發(fā)送或接收的一幀信息中，包括1位起始位0，8位數(shù)據(jù)位和1位停止位1。共四十八頁1）方式1發(fā)送當(dāng)執(zhí)行一條寫入SBUF的指令時，就啟動了串行接口的發(fā)送過程。在發(fā)

12、送時鐘脈沖的作用下，從TXD引腳先送出起始(q sh)位（0），然后是8位數(shù)據(jù)位，最后是停止位（1）。一幀數(shù)據(jù)發(fā)送完后自動將TI置1，向CPU申請中斷。若要再發(fā)送下一幀數(shù)據(jù)，必須用軟件先將TI清0。2）方式1接收當(dāng)用軟件將SCON中的REN位置1時（同時RI=0），就允許接收器接收。接收器以波特率的16倍速率采樣RXD引腳，當(dāng)采樣到“1”到“0”的負(fù)跳變時，即檢測到了有效的起始位，就開始啟動接收，將輸入的8位數(shù)據(jù)逐位移入內(nèi)部的輸入移位寄存器。如果接收不到起始位，則重新檢查RXD引腳是否有負(fù)跳變信號。當(dāng)RI=0，且SM2=0或接收到的停止位為1時，將接收到的9位數(shù)據(jù)的前8位裝入接收SBUF，第9

13、位（停止位）裝入RB8，并置位RI,向CPU申請中斷。否則接收的信息將被丟棄。所以編程時要特別注意RI必須在每次接收完成后將其清0，以準(zhǔn)備下一次接收。共四十八頁方式(fngsh)2 串行口為11位UART，傳送波特率與SMOD有關(guān)。發(fā)送或接收的一幀數(shù)據(jù)中包括1位起始(q sh)位0，8位數(shù)據(jù)位，1位可編程位(用于奇偶校驗)和1位停止位1。11位的幀格式共四十八頁方式2發(fā)送： 當(dāng)執(zhí)行一條寫入SBUF的指令時，就啟動了串行接口的發(fā)送過程。一幀數(shù)據(jù)發(fā)送完后自動將TI置1，向CPU申請中斷。若要再發(fā)送下一幀數(shù)據(jù)，必須用軟件先將TI清0。發(fā)送的11位數(shù)據(jù)中，第9位數(shù)據(jù)（附加位）放在TB8中，可由軟件清零

14、或置位，可作為校驗位和幀識別位。2）方式2接收(jishu) 當(dāng)用方式2接收時，SCON中的REN位必須置1， 若SM2=0，無論第9位為0還是1，將接收到的9位數(shù)據(jù)的前8位裝入接收SBUF，第9位裝入RB8，并置位RI ，向CPU申請中斷。 若SM2=1，如果接收到的第9位數(shù)據(jù)即RB8為1，則將數(shù)據(jù)裝人SBUF和RB8中并產(chǎn)生中斷請求，若接收到的第9位數(shù)據(jù)為0，則不產(chǎn)生中斷，當(dāng)前幀信息自動丟失 。共四十八頁方式(fngsh)3 方式3為11位UART通信方式，除了(ch le)波特率可變以外，方式3和方式2完全相同。11位的幀格式共四十八頁串行口四種工作方式應(yīng)用(yngyng)比較方式(fn

15、gsh)的選擇由SM1、SM0實現(xiàn)。工作方式功能說明波特率方式08位同步移位寄存器常用于擴展I/O口fosc/12方式110位UART8位數(shù)據(jù)、起始位、結(jié)束位可變（取決于定時器1溢出率）方式211位UART8位數(shù)據(jù)、起始位0、結(jié)束位1和奇偶校驗位fosc/64或fosc/32方式311位UART數(shù)據(jù)、起始、校驗、結(jié)束位可變（取決于定時器1溢出率）共四十八頁數(shù)據(jù)傳送的速率。串行通信的數(shù)據(jù)是按位進行(jnxng)傳送的，每秒鐘傳送的二進制數(shù)碼的位數(shù)稱為波特率（也稱比特數(shù)）單位是bps（bit per second），即位/秒。波特率是串行通信的重要指標(biāo)，用于衡量數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾省?051串行口的波特

16、率共四十八頁8051串行口的波特率1.方式(fngsh)0和方式2的波特率是固定的 在方式2中，波特率取決于PCON中的SMOD值： 當(dāng)SMOD=0時，波特率為fosc/64； 當(dāng)SMOD=1時，波特率為fosc/32.即波特率 = 。oscSMODf642 在方式(fngsh)0中，波特率為晶振頻率的1/12，即fosc/12，固定不變方式0發(fā)送數(shù)據(jù)的時鐘將fosc經(jīng)12分頻獲得方式2的發(fā)送數(shù)據(jù)的時鐘是將fosc經(jīng)過32或64分頻（由SMOD位決定）獲得共四十八頁2. 方式1和方式3的波特率可變，由定時器1的溢出(y ch)率決定 方式1和方式3的發(fā)送數(shù)據(jù)的時鐘由定時器T1的溢出提供，并且(

17、bngqi)將T1的溢出信號經(jīng)過16或32分頻（由SMOD位決定），所以它們的波特率與T1的定時初值密切相關(guān)。波特率2SMODT1溢出率/32當(dāng)定時器Tl作波特率發(fā)生器使用時，通常選用可自動裝入初值模式(工作方式2)，在工作方式2中，TLl作為計數(shù)用，而自動裝入的初值放在THl中，設(shè)計數(shù)初值為x，則每過“256一x”個機器周期，定時器T1就會產(chǎn)生一次溢出。為了避免因溢出而引起中斷，此時應(yīng)禁止T1中斷。這時，溢出周期為：一個機器周期是晶振的頻率f除以12（標(biāo)準(zhǔn)模式） 共四十八頁共四十八頁系統(tǒng)初始化時，將所有從機的SM2均置1，并處于允許串行口中斷接收狀態(tài)。主機欲與某從機通信(tng xn)，先向

18、所有從機發(fā)出所選從機地址，然后才發(fā)送命令或數(shù)據(jù)。在主機發(fā)送地址時，置第9位數(shù)據(jù)（TB8）為1，表示發(fā)送的是地址幀；然后，再將第9位數(shù)據(jù)（ TB8 ）清0，發(fā)送命令或數(shù)據(jù)。各從機由于SM2=1，將響應(yīng)主機發(fā)送來的第9位數(shù)據(jù)（RB8）為1的地址信息，這之后，從機有兩種表現(xiàn)：（1）若從機地址與主機發(fā)送的地址相同，則該從機將本機的SM2清零，繼續(xù)接收主機發(fā)來的數(shù)據(jù)或命令。（2）若從機地址與主機發(fā)送的地址不同，則該從機將維持SM2=1，拒絕理會主機后面發(fā)來的信息，繼續(xù)等待主機點名。多機通信(tng xn)原理共四十八頁1、串行通信的方向分為哪幾類？2、串行異步通信的幀格式(g shi)是怎樣的？3、波特

19、率的含義是什么？4、串行異步通信的波特率要求7.8K時，若SMOD=0，T1的定時初值應(yīng)該是多少？思考題串行通信(tng xn)的方向分為3類。即單工、半雙工、全雙工數(shù)據(jù)傳送速率，表示每秒鐘傳送二進制代碼的位數(shù)，它的單位是位秒。X = 256-4 = FCH共四十八頁5、為什么說串行通信的方式0是一個移位(y wi)寄存器？6、方式1、方式2、方式3的波特率與哪些參數(shù)有關(guān)？思考題在方式0下，其波特率固定為fosc/12。串行數(shù)據(jù)從RXD(P3.0)端輸入或輸出，同步(tngb)移位脈沖由TXD(P3.1)送出。其作用相當(dāng)于同步移位寄存器。SMOD的狀態(tài)（1、0）、T1的溢出率、晶振頻率fosc

20、共四十八頁利用(lyng)串行口工作方式0擴展IO口 當(dāng)單片機系統(tǒng)為單機使用時，串行口別無它用，就可用來擴展并行IO口，這種方法不占用片外RAM地址，而且還能簡化單片機系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)。但缺點是操作速度較慢、擴展芯片越多。 例1、 兩片74LSl65擴展兩個8位并行輸入口的實用(shyng)電路。74LSl65是可并行置入的8位移位寄存器 當(dāng)移位置入端SL 由“1”變?yōu)椤?”時，并行輸入端的數(shù)據(jù)被置入各寄存器 當(dāng)SL =“1”，且時鐘禁止端(15腳)為低時，在時鐘脈沖的作用下，數(shù)據(jù)由QA向QH方向移動，圖中SIN為串行輸入端串行口應(yīng)用舉例共四十八頁下面的程序是從16位擴展口讀入10組數(shù)據(jù)(每組2

21、個字節(jié))，并把它們轉(zhuǎn)存到內(nèi)部RAM 40H開始的單元。 ORG 1000H MOV R6，#0AH ；設(shè)置讀入組數(shù) MOVRl，#40H ；設(shè)片內(nèi)RAM指針RCV0： CLR P l0 ；并行置入數(shù)據(jù) SETBP l0 ；允許串行移位 MOV R0，#02H ；設(shè)置每組字節(jié)數(shù)RCV1： MOV SCON，#10H ；設(shè)工作方式0，并啟動接收WAlT： JNB RI，WAIT ；未接收完一幀數(shù)據(jù)，等待 CLR RI ；清接收中斷標(biāo)志，準(zhǔn)備下次接收 MOV A，SBUF ；讀入數(shù)據(jù) MOV R1，A ；送內(nèi)部RAM區(qū) INC R1 ；指向下一個地址 DJNZ R0，RCV1 ；若未讀完一組繼續(xù) D

22、JNZ R6，RCV0 ；預(yù)定(ydng)的字節(jié)數(shù)讀完否，未完繼續(xù) END ；讀完，結(jié)束共四十八頁例2、用74LS164擴展并行輸出口 74LS164是8位串入并出移位寄存器，由于其無輸出控制端，故在串行輸入過程中，輸出端會不斷地變化，所以，一般應(yīng)在74LS164和輸出裝置(zhungzh)之間加接輸出控制門，以保證串行輸入結(jié)束后再輸出數(shù)據(jù)。RXD：在時鐘的作用下,將輸出緩沖器的數(shù)據(jù)(shj)逐位移入74LS164TXD：提供移位脈沖（該脈沖的周期就是單片機的機器周期），將輸出緩沖器的數(shù)據(jù)逐位移入74LS164當(dāng)16位數(shù)據(jù)各就各位后，CLR端提供一個“0”信號，74LS164將16位數(shù)據(jù)送出。

23、即：16位數(shù)據(jù)移位到74LS164后，P1.0輸出“0”信號在CLR=0的作用下，兩個74LS164將16位數(shù)據(jù)從這里送出。共四十八頁 下面的程序?qū)?nèi)部RAM區(qū)中20H和21H單元的內(nèi)容經(jīng)串行口由74LS164并行送出。 ORG 2000HSTART： MOV R6，#02H ；設(shè)置發(fā)送(f sn)字節(jié)數(shù) MOV R0，#20H ；設(shè)置片內(nèi)RAM指針 MOV SCON，#00H ；設(shè)置串行口方式0SEND： MOV A，R0 MOV SBUF，A ；啟動串行口發(fā)送WAIT： JNB TI，WAIT ；未發(fā)送完一幀，等待 CLR TI ；清發(fā)送中斷標(biāo)志 INC R0 ；取下一個數(shù) DJNZ R6

24、，SEND ；判是否發(fā)送完 CLR P1.0 ；送出16位數(shù)據(jù) END 共四十八頁例3、用串行口進行(jnxng)異步單工通信編程把片內(nèi)40H4FH單元中的數(shù)據(jù)串行發(fā)送 串口定義為工作方式2（11位），TB8作為(zuwi)奇偶校驗位，在數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖器之前，先將數(shù)據(jù)的奇偶位寫入TB8，這時，第位數(shù)據(jù)作為奇偶校驗用。 TXD RXD計算機1 GNDRXDTXD 計算機2 GND發(fā)送接收串行通信共四十八頁程序清單 MOV SCON，#80H ；設(shè)定工作(gngzu)方式2 MOV PCON，#80H ；波特率為focs/32 MOV R0，#40H ；設(shè)片內(nèi)指針 MOV R2，#10H ；數(shù)據(jù)

25、長度送送R2LOOP：MOV A，R0 ；取數(shù)據(jù)送A MOV C，P ；奇偶位送TB8 MOV TB8，C MOV SBUF，A ；啟動發(fā)送WAIT：JBC TI，CONT ；判發(fā)送中斷標(biāo)志 SJMP WAITCONT：INC R0 DJNZ R2，LOOP共四十八頁 串行接收 用工作方式2編制一個串行口接收程序，核對奇偶校驗位，并進行(jnxng)接收正確和接收錯誤的判斷和處理。 TXD RXD計算機1 GNDRXDTXD 計算機2 GND發(fā)送接收串行通信共四十八頁程序清單 MOV SCON，#90H ；工作方式2，并允許(ynx)接收LOOP：JBC RI，READ ；等待接收數(shù)據(jù)并將RI

26、清0 SJMP LOOPREAD：MOV A，SBUF ；讀入一幀數(shù)據(jù) JB PSW0，ONE ；判接收端奇偶 JB RB8，ERR ；判發(fā)送端奇偶 SJMP RIGHT ；ONE： JNB RB8，ERR ；RIGHT： ；接收正確ERR： ；接收錯誤共四十八頁1、方式0主要應(yīng)用在什么場合(chng h)？2、異步單工通信的特點是什么？3、比較異步單工通信與異步雙工通信的主要特點。思考題擴充(kuchng)I/O接口異步單工通信只能單方發(fā)送或接收異步雙工通信在發(fā)送的同時可以接收或接收的同時可以發(fā)送。共四十八頁除滿足約定的波特率、工作方式和特殊功能寄存器外，串行通信雙方必須采用相同的接口標(biāo)準(zhǔn)，

27、才能(cinng)正常通信不同設(shè)備串行接口的信號線定義、電器規(guī)格等特性都不盡相同。RS-232C定義了數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)與數(shù)據(jù)通信設(shè)備(DCE)間的物理接口標(biāo)準(zhǔn)，包括： 引腳定義 電氣特性 電平轉(zhuǎn)換RS-232C串行通信總線(zn xin)標(biāo)準(zhǔn)及其接口共四十八頁RS-232C串行通信(tng xn)總線標(biāo)準(zhǔn)及其接口 。 RS-232C標(biāo)準(zhǔn)總線為25根，可采用(ciyng)標(biāo)準(zhǔn)的DB-25和DB-9的D型插頭。目前計算機上只保留了兩個DB-9插頭，作為提供多功能I/O卡或主板上COM1和COM2兩個串行接口的連接器。引腳名稱功能引腳名稱功能1DCD載波檢測6DSR數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完成2RXD發(fā)送數(shù)據(jù)