單片機(jī)基礎(chǔ)與應(yīng)用第7章串行口通信技術(shù)課件

1、 教學(xué)內(nèi)容串行通信基礎(chǔ) 單片機(jī)串行接口 RS-232C串行通信接口串行口應(yīng)用 第7章 串行口通信技術(shù) 串行通信基礎(chǔ) 兩種通信方式的示意圖串行通信基礎(chǔ) 并行通信中，信息傳輸?shù)奈粩?shù)和數(shù)據(jù)位數(shù)相等；串行通信中，數(shù)據(jù)一位一位順序傳送。并行通信速度快，傳輸線多，適合于近距離的數(shù)據(jù)通信，但硬件接線成本高；串行通信速度慢，但硬件成本低，傳輸線少，適合于長距離數(shù)據(jù)傳輸。 串行通信的制式 在串行通信中數(shù)據(jù)是在兩個站之間進(jìn)行傳送的，按照數(shù)據(jù)傳送方向，串行通信可分為單工（simplex）、半雙工（half duplex）和全雙工（full duplex）三種制式。在單工制式下，通信線的一端是發(fā)送器，一端是接收器，數(shù)

2、據(jù)只能按照一個固定的方向傳送。在半雙工制式下，系統(tǒng)的每個通信設(shè)備都由一個發(fā)送器和一個接收器組成，但同一時刻只能有一個站發(fā)送，一個站接收；兩個方向上的數(shù)據(jù)傳送不能同時進(jìn)行。即只能一端發(fā)送,一端接收，其收發(fā)開關(guān)一般是由軟件控制的電子開關(guān)示。全雙工通信系統(tǒng)的每端都有發(fā)送器和接收器，可以同時發(fā)送和接收，即數(shù)據(jù)可以在兩個方向上同時傳送。異步通信 在異步通信中，數(shù)據(jù)通常是以字符為單位組成字符幀傳送的。字符幀由發(fā)送端一幀一幀地發(fā)送，每一幀數(shù)據(jù)是低位在前，高位在后，通過傳輸線被接收端一幀一幀地接收。發(fā)送端和接收端可以由各自獨(dú)立的時鐘來控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，這兩個時鐘彼此獨(dú)立，互不同步。在異步通信中，接收端是依

3、靠字符幀格式來判斷發(fā)送端是何時開始發(fā)送何時結(jié)束發(fā)送的。字符幀也叫數(shù)據(jù)幀，由起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位和停止位等四部分組成。 異步通信 異步通信 異步通信的另一個重要指標(biāo)為波特率。波特率為每秒鐘傳送二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)，也叫比特數(shù)，單位為b/s，即位/秒。波特率用于表征數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，波特率越高，?shù)據(jù)傳輸速度越快。通常，異步通信的波特率為509600b/s。同步通信 同步通信是一種連續(xù)串行傳送數(shù)據(jù)的通信方式，一次通信只傳輸一幀信息。這里的信息幀和異步通信的字符幀不同，通常有若干個數(shù)據(jù)字符，但它們均由同步字符、數(shù)據(jù)字符和校驗(yàn)字符CRC三部分組成。在同步通信中，同步字符可以采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)格式，也可以由用

4、戶約定。51單片機(jī)的串行接口 串行口結(jié)構(gòu)示意圖51單片機(jī)的串行接口 SBUF是兩個在物理上獨(dú)立的接收、發(fā)送寄存器，一個用于存放接收到的數(shù)據(jù)，另一個用于存放待發(fā)送的數(shù)據(jù)，可同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。兩個緩沖器共用一個地址99H，通過對SBUF的讀、寫語句來區(qū)別是對接收緩沖器還是發(fā)送緩沖器進(jìn)行操作。CPU在寫SBUF時，操作的是發(fā)送緩沖器；讀SBUF時，就是讀接收緩沖器的內(nèi)容。SBUF=sendi; / 發(fā)送第i個數(shù)據(jù)bufferi=SBUF; /接收數(shù)據(jù)串行口控制寄存器SCON SCON (98H)SM0SM1SM2RENTB8RB8TIRI串行口的工作方式SM0 SM1工作方式功能波特率0 0方式0

5、8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可變串行口控制寄存器SCON SCON (98H)SM0SM1SM2RENTB8RB8TIRISM2：多機(jī)通信控制位，用于方式2和方式3中。REN：允許串行接收位。由軟件置位或清零。REN=1時，允許接收，REN=0時，禁止接收。TB8：發(fā)送數(shù)據(jù)的第9位。在方式2和方式3中，由軟件置位或復(fù)位。一般可做奇偶校驗(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)識位，一般約定地址幀時TB8為1，數(shù)據(jù)幀時TB8為0。RB8：接收數(shù)據(jù)的第9位。功能同TB8。串行

6、口控制寄存器SCON SCON (98H)SM0SM1SM2RENTB8RB8TIRITI：發(fā)送中斷標(biāo)志位。在方式0中，發(fā)送完8位數(shù)據(jù)后，由硬件置位；在其他方式中，在發(fā)送停止位之初由硬件置位。因此，TI=1是發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)的標(biāo)志，其狀態(tài)既可供軟件查詢使用，也可請求中斷。TI位必須由軟件清0。RI：接收中斷標(biāo)志位。在方式0中，接收完8位數(shù)據(jù)后，由硬件置位；在其他方式中，當(dāng)接收到停止位時該位由硬件置1。因此，RI=1是接收完一幀數(shù)據(jù)的標(biāo)志，其狀態(tài)既可供軟件查詢使用，也可請求中斷。RI位也必須由軟件清0。電源及波特率選擇寄存器PCON PCON主要是為CHMOS型單片機(jī)的電源控制而設(shè)置的專用寄存器，

7、字節(jié)地址為87H，不可以位尋址。在HMOS的AT89C51單片機(jī)中，PCON除了最高位以外其它位都是虛設(shè)的。 PCON (87H) SMODGF1GF0PDIDL 與串行通信有關(guān)的只有SMOD位。SMOD為波特率選擇位。在方式1、2和3時，串行通信的波特率與SMOD有關(guān)。當(dāng)SMOD=1時，通信波特率乘2，當(dāng)SMOD=0時，波特率不變。51單片機(jī)串行口的工作方式 方式0 在方式0下，串行口作同步移位寄存器使用，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。 這種方式通常用于擴(kuò)展I/O口。 串行口的I/O端口擴(kuò)展 。 采用串行口擴(kuò)展并

8、行輸入口 串行口的I/O端口擴(kuò)展 。 采用串行口擴(kuò)展并行輸出口 51單片機(jī)串行口的工作方式 方式1 發(fā)送時，當(dāng)數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖器SBUF后，啟動發(fā)送器發(fā)送，數(shù)據(jù)從TXD輸出。當(dāng)發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)后，置中斷標(biāo)志TI為1。方式1下的波特率取決于定時器1的溢出率和PCON中的SMOD位。 接收時，REN置1，允許接收，串行口采樣RXD，當(dāng)采樣由1到0跳變時，確認(rèn)是起始位“0”，開始接收一幀數(shù)據(jù)。當(dāng)RI=0，且停止位為1或SM2=0時，停止位進(jìn)入RB8位，同時置中斷標(biāo)志RI；否則信息將丟失。所以，采用方式1接收時，應(yīng)先用軟件清除RI或SM2標(biāo)志。51單片機(jī)串行口的工作方式 方式2發(fā)送時，先根據(jù)通信協(xié)議由軟

9、件設(shè)置TB8，然后將要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入SBUF，啟動發(fā)送。寫SBUF的語句，除了將8位數(shù)據(jù)送入SBUF外，同時還將TB8裝入發(fā)送移位寄存器的第9位，并通知發(fā)送控制器進(jìn)行一次發(fā)送，一幀信息即從TXD發(fā)送。在送完一幀信息后，TI被自動置1，在發(fā)送下一幀信息之前，TI必須在中斷服務(wù)程序或查詢程序中清0。51單片機(jī)串行口的工作方式 方式2當(dāng)REN=1時，允許串行口接收數(shù)據(jù)。當(dāng)接收器采樣到RXD端的負(fù)跳變，并判斷起始位有效后，數(shù)據(jù)由RXD端輸入，開始接收一幀信息。當(dāng)接收器接收到第9位數(shù)據(jù)后，若同時滿足以下兩個條件：RI=0和SM2=0或接收到的第9位數(shù)據(jù)為1，則接收數(shù)據(jù)有效，將8位數(shù)據(jù)送入SBUF，第9位

10、送入RB8，并置RI=1。若不滿足上述兩個條件，則信息丟失。 51單片機(jī)串行口的工作方式 方式3方式3為波特率可變的11位UART通信方式，除了波特率以外，方式3和方式2完全相同。 51單片機(jī)串行口的波特率 方式0和方式2 在方式0中，波特率為時鐘頻率的1/12，即fosc/12，固定不變。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= 。 51單片機(jī)串行口的波特率 方式1和方式3 在方式1和方式3下，波特率由定時器T1的溢出率和SMOD共同決定，即：方式1和方式3的波特率= 定時器1溢出率 其中，

11、定時器1的溢出率取決于單片機(jī)定時器1的計(jì)數(shù)速率和定時器的預(yù)置值。計(jì)數(shù)速率與TMOD寄存器中的C/位有關(guān)，當(dāng)C/=0時，計(jì)數(shù)速率為fosc/12，當(dāng)C/=1時，計(jì)數(shù)速率為外部輸入時鐘頻率。 51單片機(jī)串行口的波特率 方式1和方式3 實(shí)際上，當(dāng)定時器T1做波特率發(fā)生器使用時，通常是工作在模式2下，即作為一個自動重裝載的8位定時器，此時TL1作計(jì)數(shù)用，自動重裝載的值在TH1內(nèi)。設(shè)計(jì)數(shù)的預(yù)置值（初始值）為X，那么每過256-X個機(jī)器周期，定時器溢出一次。為了避免溢出而產(chǎn)生不必要的中斷，此時應(yīng)禁止T1中斷。溢出周期為12（256-X）/fosc.溢出率為溢出周期的倒數(shù)。 51單片機(jī)串行口工作過程 。 查

12、詢方式發(fā)送過程（1）串口初始化。設(shè)置工作方式（幀格式）、設(shè)置波特率（傳輸速率）、啟動波特率發(fā)生器（T1）。（2）發(fā)送數(shù)據(jù)。將要發(fā)送的數(shù)據(jù)送入SBUF，即可啟動發(fā)送。此時串口自動按幀格式將SBUF中的數(shù)據(jù)組裝為數(shù)據(jù)幀，并在波特率發(fā)生器的控制下將數(shù)據(jù)幀逐位發(fā)送到TXD端（最低位先發(fā)）。當(dāng)發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)后，單片機(jī)內(nèi)部自動置中斷標(biāo)志TI為1。51單片機(jī)串行口工作過程 。 查詢方式發(fā)送過程（3）判斷一幀是否發(fā)送完畢。判斷TI是否為1，是則表示發(fā)送完畢，可以繼續(xù)發(fā)送下一幀；否則繼續(xù)判斷直至發(fā)送結(jié)束。 while(TI=0); / 查詢等待發(fā)送是否完成（4）清零發(fā)送標(biāo)志位TI。 TI=0; / 發(fā)送完成，T

13、I由軟件清0（5）跳轉(zhuǎn)到（2），繼續(xù)發(fā)送下一幀數(shù)據(jù)。51單片機(jī)串行口工作過程 。 查詢方式接收過程（1）串口初始化。設(shè)置工作方式（幀格式）、設(shè)置波特率（傳輸速率）、啟動波特率發(fā)生器（T1）。值得注意的是，發(fā)送方和接收方的初始化必須一致。（2）允許接收。置位SCON寄存器的REN位。此時串行口采樣RXD，當(dāng)采樣到由1到0跳變時，確認(rèn)是起始位“0”，開始在波特率發(fā)生器的控制下將RXD端接收的數(shù)據(jù)逐位送入SBUF，一幀數(shù)據(jù)接收完畢后單片機(jī)內(nèi)部自動置中斷標(biāo)志RI為1。 REN=1; /接收允許51單片機(jī)串行口工作過程 。 中斷方式通信過程 51單片機(jī)串行口中斷分為發(fā)送中斷和接收中斷兩種。每當(dāng)串行口發(fā)送

14、或接收完一幀串行數(shù)據(jù)后，串行口電路自動將串行口控制寄存器SCON中的TI、RI中斷標(biāo)志位置位，并向CPU發(fā)出串行口中斷請求，CPU響應(yīng)串行口中斷后便立即轉(zhuǎn)入串行口中斷服務(wù)程序執(zhí)行。 51單片機(jī)串行口中斷類型號是4，其格式如下：void 函數(shù)名（） interrupt 4 using n 其中，n為單片機(jī)工作寄存器組編號，共四組，取值為0,1,2,3，缺省值為0。51單片機(jī)串行口工作過程 。 查詢方式接收過程（3）判斷是否接收到一幀數(shù)據(jù)。判斷RI是否為1，是則表示接收完畢，接收到的數(shù)據(jù)已存入SBUF；否則繼續(xù)判斷直至一幀數(shù)據(jù)接收完畢。while(RI=0); /查詢等待接收標(biāo)志為1，表示接收到數(shù)

15、據(jù)（4）清零接收標(biāo)志位RI。 RI=0; /RI由軟件清0（5）轉(zhuǎn)存數(shù)據(jù)。讀取SBUF中的數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)存到存儲器中。bufferi=SBUF; /接收數(shù)據(jù)（6）跳轉(zhuǎn)到（2），繼續(xù)接收下一幀數(shù)據(jù)。RS-232C串行通信接口。 EIA串行通信標(biāo)準(zhǔn) RS-232、RS-422和RS-485是美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）制訂并發(fā)布的異步串行通信標(biāo)準(zhǔn)，其中RS-232在PC機(jī)及工業(yè)通信中被廣泛采用，如錄像機(jī)、計(jì)算機(jī)以及 許多工業(yè)控制設(shè)備上都配備有RS-232串行通信接口。 通常RS-232接口以9個引腳（DB-9）或是25個引腳（DB-25）的型態(tài)出現(xiàn)，一般PC機(jī)上會有12組RS-232接口，分別稱為COM1和COM2。RS-232標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，采用150pF/m的通信電纜時，最大通信距離為15m，最高傳輸速率為20kbps。 RS232串行通信標(biāo)準(zhǔn) 1RS-232C的幀格式 RS-232C為異步串行通信標(biāo)準(zhǔn)，字符幀格式與UART相同。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：數(shù)據(jù)幀的開始為起始位，數(shù)據(jù)本身可以是5、6、7或8位，1位奇偶校驗(yàn)位，最后為停止位。數(shù)據(jù)幀之間用“1”，表示空閑位。2RS-232C的電平標(biāo)準(zhǔn) RS-232C的電氣標(biāo)準(zhǔn)采用下面的負(fù)邏輯。邏輯“0”：+5+15V，邏輯“1”：515V。 因此，RS-232C不能和TTL電平直接相連，否則將使TTL電路燒壞。在實(shí)際應(yīng)用中，RS-232C和TTL電平之間必須