（C語(yǔ)言版） 計(jì)算機(jī)科學(xué)系項(xiàng)目七單片機(jī)串行通信設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、項(xiàng)目七 單片機(jī)串行通信 的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了解單片機(jī)串行通信的基礎(chǔ)知識(shí)；掌握單片機(jī)串行口的基本結(jié)構(gòu)及相關(guān)寄存器的設(shè)置；掌握串行口的4種工作方式（方式0、1）掌握上位機(jī)與下位機(jī)串行通信的連接方法和簡(jiǎn)單的編程；教學(xué)目的一、串行通信的基礎(chǔ)知識(shí)1、串行通信和并行通信（1）并行通信 并行通信是數(shù)據(jù)的各位同時(shí)進(jìn)行傳送 (發(fā)送或接收)的通信方式。其優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳送速度快；缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)有多少位，就需要多少根傳送線。（2）串行通信 串行通信是數(shù)據(jù)的各位一位一位順序傳送的通信方式。其優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳送線少(利用電話線就可作為傳送線)，這樣就大大降低了傳送成本，特別適用于遠(yuǎn)距離通信；其缺點(diǎn)是傳送速度較低。2、 串行通信中數(shù)據(jù)的傳

2、輸方式串行通信中數(shù)據(jù)的傳輸方式有單工、半雙工、全雙工傳輸方式。單工傳輸方式：數(shù)據(jù)只能單方向地從一端向另一端傳送。半雙工傳輸方式：允許數(shù)據(jù)向兩個(gè)方向中的任一方向傳送，但每次只允許向一個(gè)方向傳送。全雙工傳輸方式：允許數(shù)據(jù)同時(shí)雙向傳送。全雙工通信效率最高，適用于計(jì)算機(jī)之間的通信。3、 串行通信的兩種基本通信方式串行通信有兩種基本通信方式，即同步通信方式和異步通信方式。（1）同步通信在同步通信中，發(fā)送器和接收器由同一個(gè)時(shí)鐘控制，如圖7-1(a)所示。同步傳送時(shí)，字符與字符之間沒有間隙，也不用起始位和停止位，僅在要傳送的數(shù)據(jù)塊開始傳送前，用同步字符SYNC來指示，其數(shù)據(jù)格式如圖7-1(b)示。 圖-同步

3、通信和同步字符 同步傳送的優(yōu)點(diǎn)是可以提高傳送速率，但硬件比較復(fù)雜。 （2）異步通信 在異步通信中，發(fā)送器和接收器均有各自時(shí)鐘控制，如圖7-2(a)所示。通信時(shí)，數(shù)據(jù)是一幀一幀 (包含一個(gè)字符代碼或一字節(jié)數(shù)據(jù))傳送的，每一串行幀的數(shù)據(jù)格式如圖7-2(b)所示。圖-異步通信和幀數(shù)據(jù)格式 在幀格式中，一個(gè)字符由四個(gè)部分組成：起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位和停止位。即首先是一個(gè)起始位“0”，然后是數(shù)據(jù)位 (規(guī)定低位在前，高位在后)，接下來是奇偶校驗(yàn)位 (可省略)，最后是停止位“1”。串行通信時(shí)是一位一位進(jìn)行傳送的，每傳送一位需要時(shí)間的，這個(gè)時(shí)間由數(shù)據(jù)傳送速率確定，而傳送速率是以每秒傳送多少個(gè)二進(jìn)制位來度量

4、的，這個(gè)速率叫波特率，它的單位是位/秒（b/s或bps）。波特率是通信里非常重要的一個(gè)指標(biāo)。注意：波特率是衡量傳輸通道頻寬的指標(biāo)，與時(shí)鐘頻率有關(guān)，時(shí)鐘頻率越高，波特率越大。 4、 串行通信的傳送速率1、串行口結(jié)構(gòu)二、 單片機(jī)串行口結(jié)構(gòu)及控制寄存器 圖7-3串行接口的結(jié)構(gòu)原理示意圖 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(jìn)行讀或?qū)懙摹．?dāng)向SBUF發(fā)“寫”命令時(shí)，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(biāo)志位TI=1。在接收數(shù)據(jù)時(shí)，一幀數(shù)據(jù)從RXD端經(jīng)接收端口進(jìn)入SBUF之后，串行口發(fā)出中斷請(qǐng)求，通知CPU接收這一數(shù)據(jù)。CPU執(zhí)行一條讀指令，就能

5、將接收的數(shù)據(jù)送入累加器中。與此同時(shí)，接收端口接收下一幀數(shù)據(jù)。2、 串行口控制串行通信有關(guān)的控制寄存器有串行控制寄存器SCON、電源控制寄存器PCON及中斷允許寄存器IE等。 （1）串行控制寄存器SCONSCON寄存器的字節(jié)地址為98H，可位尋址，位地址為98H9FH。SCON用于設(shè)定串行口工作方式、接收發(fā)送控制及設(shè)置狀態(tài)標(biāo)志。SCON格式如下：SCON中的各位含義如下：1) SM0，SM1串行口的工作方式選擇位。其功能及編碼見表7-1。SCON中的各位含義如下：2) SM2多機(jī)通信控制位。在方式2或方式3中，如果SM2=1，則接收到的第9位數(shù)據(jù)（RB8）為0時(shí)不激活RI，接收到的數(shù)據(jù)丟失；只有

6、當(dāng)收到的第9位數(shù)據(jù)（RB8）為1時(shí)才激活RI，向CPU申請(qǐng)中斷。如果SM2=0，則不論收到的第9位數(shù)據(jù)（RB8）為1還是為0，都會(huì)將接收的前8位數(shù)據(jù)裝入SBUF中。在方式1時(shí)，如果SM2=1，則只有收到有效的停止位時(shí)才會(huì)激活RI；若沒有接收到有效的停止位，則RI清零。在方式0中，SM2必須為0。SCON中的各位含義如下：3) REN允許串行接收控制位。由軟件置位以允許接收，由軟件清零時(shí)禁止接收。4) TB8為發(fā)送數(shù)據(jù)位。在方式2和方式3時(shí)，為要發(fā)送的第9位數(shù)據(jù)。根據(jù)需要由軟件置位和復(fù)位。在多機(jī)通信時(shí)，TB8的狀態(tài)用來表示主機(jī)發(fā)送的是地址或是數(shù)據(jù)，通常協(xié)議規(guī)定“0”表示數(shù)據(jù)，“1”表示地址。SC

7、ON中的各位含義如下：5) RB8為接收數(shù)據(jù)位。在方式2和方式3時(shí)，為接收到的第9位數(shù)據(jù)。RB8和SM2，TB8一起，常用于通信控制。在方式1時(shí)，如果SM2=0，RB8接收到的是停止位。在方式0時(shí)，不使用RB8。SCON中的各位含義如下： 6) TI發(fā)送完成標(biāo)志位。由片內(nèi)硬件在方式0串行發(fā)送第8位結(jié)束時(shí)置位，或在其他方式串行發(fā)送停止位的開始時(shí)置位。必須由軟件清零。當(dāng)SUBF發(fā)送完一個(gè)完整的數(shù)據(jù)幀時(shí)TI=1。如果串口中斷是開放的，則TI=1時(shí)會(huì)自動(dòng)引發(fā)中斷。用戶可以通過中斷服務(wù)程序向SBUF送下一個(gè)要發(fā)送的數(shù)據(jù)。 SBUF=A ； 中斷方式發(fā)送數(shù)據(jù)；也可以使用查詢的方式對(duì)TI進(jìn)行檢測(cè)，如果TI=

8、1則執(zhí)行： SBUF=A； 否則等待 查詢方式發(fā)送數(shù)據(jù)。SCON中的各位含義如下：7） RI接收完成標(biāo)志。由片內(nèi)硬件在方式0串行接收到第8位結(jié)束時(shí)置位，或在其他方式串行接收到停止位的中間時(shí)置位。必須由軟件清零。當(dāng)SUBF從RXD接收完一個(gè)完整的數(shù)據(jù)幀時(shí)RI=1。如果串口中斷是開放的，則RI=1時(shí)會(huì)自動(dòng)引發(fā)中斷。用戶可以通過中斷服務(wù)程序?qū)BUF中的數(shù)據(jù)取出送累加器A。 如果串行口中斷未允許，也可以使用查詢的方式對(duì)RI進(jìn)行檢測(cè)，如果RI=1則讀取SBUF中的數(shù)據(jù)，否則等待。（2）電源控制寄存器PCON電源控制寄存器PCON能夠進(jìn)行電源控制，其D7位SMOD是串行口波特率設(shè)置位。寄存器PCON的字

9、節(jié)地址為87H，沒有位尋址功能。PCON中各位排列如下：PCON寄存器的D7位為SMOD，稱為波特率倍增位。即當(dāng)SMOD=1時(shí)，波特率加倍；當(dāng)SMOD=0時(shí)，波特率不加倍。通過軟件可設(shè)置SMOD=0或SMOD=1。順便說明PCON中電源控制各位的功能：CF1和CF0是通用標(biāo)志位，可由指令置1或清0。PD是掉電方式控制位，PD=1時(shí)進(jìn)入掉電方式，單片機(jī)停止一切工作，只有硬件復(fù)位可以恢復(fù)工作。IDL=1時(shí)進(jìn)入待機(jī)方式，可以由中斷喚醒。（3）中斷允許控制寄存器IEIE寄存器控制中斷系統(tǒng)的各中斷的允許與否。其中與串行通信有關(guān)的位有EA和ES位，當(dāng)EA=1且ES=1時(shí)，串行中斷允許。三、 單片機(jī)串行口的

10、工作方式串行接口的工作方式有四種，由SCON中的SM0和SM1來定義。在這四種工作方式中，異步串行通信只使用方式1、方式2、方式3。方式0是同步半雙工通信，經(jīng)常用于擴(kuò)展并行輸入/輸出口。1、 方式0串行口工作于方式0下，其SBUF作為8位同步移位寄存器使用，數(shù)據(jù)由RXD（P3.0）端輸入或輸出，同步移位脈沖由TXD（P3.1）端輸出，發(fā)送、接收的是8位數(shù)據(jù)，不設(shè)起始位和停止位，低位在先，高位在后。其幀格式為：（1）發(fā)送SBUF中的串行數(shù)據(jù)由RXD逐位移出；TXD輸出移位時(shí)鐘，頻率=fosc/12；每送出8位數(shù)據(jù) TI就自動(dòng)置1；需要用軟件清零 TI。（2）接收串行數(shù)據(jù)由RXD逐位移入SBUF中

11、；TXD輸出移位時(shí)鐘，頻率=fosc/12；每接收 8位數(shù)據(jù)RI就自動(dòng)置1；需要用軟件清零 RI。 注意：在方式0中， TB8位沒有用，SM2位（多機(jī)通信控制位）必須為0；復(fù)位時(shí),SCON 已經(jīng)被清零,缺省值: 方式0；接收前,務(wù)必先置位 REN=1 允許接收數(shù)據(jù)。（3） 方式0的波特率波特率= fosc/12 方式0工作時(shí)，多用查詢方式編程： 發(fā)送：SBUF=A ； while（ ！TI ）； TI=0； 接收：if（RI=1） RI=0； A=SBUF；2、 方式1方式1是10位為一幀的全雙工異步串行通信方式。共包括1個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位（低位在先）和一個(gè)停止位。TXD為發(fā)送端，RXD為接

12、收端，波特率可變。其幀格式為：（1）發(fā)送串行口在方式1下進(jìn)行發(fā)送時(shí)，數(shù)據(jù)由TXD端輸出，CPU執(zhí)行一條寫入SBUF的指令就會(huì)啟動(dòng)串行口發(fā)送，發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)信息時(shí)，發(fā)送中斷標(biāo)志TI置“1”；需要用軟件清零 TI。（2）接收接收數(shù)據(jù)時(shí)，SCON應(yīng)處于允許接收狀態(tài)（REN1）。接收數(shù)據(jù)有效時(shí)，裝載SBUF，停止位進(jìn)入RB8，RI置“1”。中斷標(biāo)志RI必須由軟件清零。（3）方式1的波特率使用定時(shí)器T1作為串行口方式1和方式3的波特率發(fā)生器，定時(shí)器T1常工作于方式2，波特率計(jì)算公式如下：其中X是定時(shí)器的初值。 在實(shí)際應(yīng)用中，一般是先按照所要求的通信波特率設(shè)定SMOD，然后再算出定時(shí)器T1的時(shí)間常數(shù)。定時(shí)

13、器T1的時(shí)間常數(shù)X=28-2SMODfosc/（1232波特率）3、方式2串行口工作于方式2，為波特率固定11位異步通信口，發(fā)送和接收的一幀信息由11位組成，即1位起始位、8位數(shù)據(jù)位（低位在先）、1位可編程位（第9位）和1位停止位，TXD為發(fā)送端，RXD為接收端，發(fā)送時(shí)可編程位（TB8）根據(jù)需要設(shè)置為“0”或“1”（TB8既可作為多機(jī)通信中的地址數(shù)據(jù)標(biāo)志位又可作為數(shù)據(jù)的奇偶校驗(yàn)位）；接收時(shí)，可編程位的信息被送入SCON的RB8中。其幀格式為：（1）發(fā)送在方式2發(fā)送時(shí)，數(shù)據(jù)由TXD端輸出，附加的第9位數(shù)據(jù)為SCON中的TB8，CPU執(zhí)行一條寫SBUF的指令后，便立即啟動(dòng)發(fā)送器發(fā)送，送完一幀信息后

14、，TI被置“1”。在發(fā)送下一幀信息之前，TI必須由中斷服務(wù)程序（或查詢程序）清零。（2）接收當(dāng)REN=1時(shí)，允許串行口接收數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)由RXD端輸入，接收11位信息。接收數(shù)據(jù)有效，8位數(shù)據(jù)裝入SBUF，第9位數(shù)據(jù)裝入RB8，并置RI為1。（3）方式2的波特率方式2的波特率=(2SMOD/64)fosc4、方式3串行口工作于方式3，為波特率可變的11位異步通信方式，除了波特率外，方式3和方式2相同。方式3的波特率和方式1的波特率計(jì)算相同。四、電平轉(zhuǎn)換計(jì)算機(jī)的是RS-232電平,單片機(jī)的是TTL電平。RS-232電平使用的是負(fù)邏輯：低電平“0”：+5+15V；高電平“1”：-5-15V。 因此RS-

15、232不能和TTL電平直接相連，必須加適當(dāng)?shù)慕涌冢駝t使TTL電路燒壞。實(shí)際使用時(shí)，需進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，常用的芯片的是MAX232。單片機(jī)、計(jì)算機(jī)、MAX232之間連接電路圖五、 串行口的應(yīng)用（方式0、1）1、串口初始化步驟（1）確定T1的工作方式-設(shè)定TMOD (2) 計(jì)算T1的初值并裝載（3）啟動(dòng)T1-TR1 (4) 確定串口的工作方式-設(shè)定SCON (5) 開啟中斷源、確定優(yōu)先級(jí)2、方式0應(yīng)用- 串行口擴(kuò)展并行I/O口串行口工作在方式0下，作同步移位器使用，擴(kuò)展出并行I/O口。若擴(kuò)展為并行輸出口可接各種設(shè)備，比如發(fā)光二極管、LED顯示器等，用74ls164芯片；若擴(kuò)展為并行輸入口可接開關(guān)、按鈕等，用74ls165芯片。（1）、擴(kuò)展并行輸入口74ls165芯片（8位并行輸入、串行輸出移位寄存器）（2）、擴(kuò)展并行輸出口74ls164芯片（8位并行輸出、串行輸入移位寄存器）實(shí)例：?jiǎn)纹瑱C(jī)串口擴(kuò)展并行輸出口工作任務(wù)：控制8個(gè)LED 的左移和右移循環(huán) 點(diǎn)亮。電路設(shè)計(jì)：程序設(shè)計(jì)：3、方式1應(yīng)用-實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信（1）、用2片單片機(jī)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。一片作為下位機(jī)通過串行通信將模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換結(jié)果傳送到另