第7章串行口通信技術(shù)

本章內(nèi)容串行通信基礎(chǔ)MCS-51的串行接口MCS-51單片機(jī)雙機(jī)通信RS-232C串行通信總線標(biāo)準(zhǔn)及其接口第7章串行口通信技術(shù)7.1串行通信基礎(chǔ)

7.1.1串行通信與并行通信在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，CPU與外部有兩種通信方式：并行通信和串行通信。并行通信，就是數(shù)據(jù)的各位同時(shí)傳送；串行通信，即一位一位地順序傳送。圖7.2為這兩種通信方式的示意圖：兩種通信方式的示意圖

串行通信與并行通信有何異同？串行通信和并行通信方式各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？

在并行通信中，信息傳輸?shù)奈粩?shù)和數(shù)據(jù)位數(shù)相等；在串行通信中，數(shù)據(jù)一位一位地順序傳送。

并行通信速度快，傳輸線多，適合近距離的數(shù)據(jù)通信，但硬件成本高；串行通信速度慢，但硬件成本低，傳輸線少，適合長(zhǎng)距離的數(shù)據(jù)通信；【單工方式】數(shù)據(jù)僅按一個(gè)固定方向傳送?！景腚p工方式】數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)雙向傳送，但不能同時(shí)進(jìn)行，實(shí)際的應(yīng)用采用某種協(xié)議實(shí)現(xiàn)收/發(fā)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換?！救p工方式】允許雙方同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)雙向傳送,但一般全雙工傳輸方式的線路和設(shè)備較復(fù)雜。ABAABB7.1.2串行通信的制式7.1.3串行通信的分類(lèi)按照串行數(shù)據(jù)的時(shí)鐘控制方式，串行通信可分為異步通信和同步通信兩類(lèi)。1.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(guò)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(shí)鐘來(lái)控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，這兩個(gè)時(shí)鐘彼此獨(dú)立，互不同步。在異步通信中，接收端是依靠字符幀格式來(lái)判斷發(fā)送端是何時(shí)開(kāi)始發(fā)送何時(shí)結(jié)束發(fā)送的。圖3-6串行通信的數(shù)據(jù)位異步通信幀格式異步通信的兩個(gè)重要指標(biāo)：1）字符幀字符幀也叫數(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。2）波特率異步通信的另一個(gè)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?cái)?shù)，單位為b/s，即位/秒。波特率用于表征數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣龋ㄌ芈试礁?，?shù)據(jù)傳輸速度越快。通常，異步通信的波特率為50～19200b/s。2.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(gè)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（循環(huán)冗余校驗(yàn)）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，也可以由用戶約定。雙同步字符幀格式：這種同步通信方式的同步由每個(gè)數(shù)據(jù)塊前面的同步字符實(shí)現(xiàn)。同步字符的格式和數(shù)量可以根據(jù)需要約定。在接收端檢測(cè)到同步字符之后，便確認(rèn)有效數(shù)據(jù)字符的傳送開(kāi)始。與異步通信不同的是，同步方式需要提供單獨(dú)的時(shí)鐘信號(hào)，且要求接收器時(shí)鐘和發(fā)送器時(shí)鐘嚴(yán)格保持同步。為此在硬件電路上采取了一些復(fù)雜的措施來(lái)加以保證。同步通信與異步通信各自的優(yōu)缺點(diǎn)：

同步通信的優(yōu)缺點(diǎn)：數(shù)據(jù)傳輸率較高，通常可達(dá)56000b/s或更高。其缺點(diǎn)是要求發(fā)送時(shí)鐘和接收時(shí)鐘必須保持嚴(yán)格同步。異步通信的優(yōu)缺點(diǎn)：異步通信不須要傳送同步時(shí)鐘，字符幀長(zhǎng)度不受限制，故設(shè)備簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是字符幀中包含起始位和停止位而降低了有效數(shù)據(jù)的傳輸速率。7.2單片機(jī)的串行接口

串行口結(jié)構(gòu)示意圖MCS-51單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)可編程全雙工的通信接口，它具有通用異步接收和發(fā)送器UART（UniversalAsynchronousReceiver/Transmitter）的全部功能，能同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，也可作為同步移位寄存器使用。串行口結(jié)構(gòu)如下圖所示：7.2.1串口結(jié)構(gòu)

51單片機(jī)串口有關(guān)的特殊功能寄存器有：SBUF、SCON和PCON1.串行口數(shù)據(jù)緩沖器SBUFSBUF是兩個(gè)在物理上獨(dú)立的接收、發(fā)送寄存器，一個(gè)用于存放接收到的數(shù)據(jù)，另一個(gè)用于存放待發(fā)送的數(shù)據(jù)，可同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。兩個(gè)緩沖器共用一個(gè)地址99H，通過(guò)對(duì)SBUF的讀、寫(xiě)語(yǔ)句來(lái)區(qū)別是對(duì)接收緩沖器還是發(fā)送緩沖器進(jìn)行操作。CPU在寫(xiě)SBUF時(shí)，操作的是發(fā)送緩沖器；讀SBUF時(shí)，就是讀接收緩沖器的內(nèi)容。如：SBUF=send[i];//發(fā)送第i個(gè)數(shù)據(jù)buffer[i]=SBUF;//接收數(shù)據(jù)2.串行口控制寄存器SCON

SCON(98H)SM0SM1SM2RENTB8RB8TIRI串行口的工作方式SM0SM1工作方式功能波特率00方式08位同步移位寄存器fosc/1201方式110位UART可變10方式211位UARTfosc/64或fosc/3211方式311位UART可變2.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(shí)，允許接收，REN=0時(shí)，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(shí)位，一般約定地址幀時(shí)TB8為1，數(shù)據(jù)幀時(shí)TB8為0。RB8：接收數(shù)據(jù)的第9位。功能同TB8。2.串行口控制寄存器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(qǐng)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(shí)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(qǐng)求中斷。RI位也必須由軟件清0。3.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(zhuān)用寄存器，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)SMOD×××GF1GF0PDIDL

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(shí)，串行通信的波特率與SMOD有關(guān)。當(dāng)SMOD=1時(shí)，通信波特率乘2，當(dāng)SMOD=0時(shí)，波特率不變。7.2.2MCS-51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。方式0應(yīng)用舉例:

功能：利用單片機(jī)串行口擴(kuò)展16位并行I/O口，使每片74LS164所連接的8個(gè)發(fā)光二極管同時(shí)按左右方向往返循環(huán)，依次點(diǎn)亮。7.2.2MCS-51串行口的工作方式

方式1

發(fā)送時(shí)，當(dāng)數(shù)據(jù)寫(xiě)入發(fā)送緩沖器SBUF后，啟動(dòng)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(shí)器1的溢出率和PCON中的SMOD位。接收時(shí)，REN置1，允許接收，串行口采樣RXD，當(dāng)采樣由1到0跳變時(shí)，確認(rèn)是起始位“0”，開(kāi)始接收一幀數(shù)據(jù)。當(dāng)RI=0，且停止位為1或SM2=0時(shí)，停止位進(jìn)入RB8位，同時(shí)置中斷標(biāo)志RI；否則信息將丟失。所以，采用方式1接收時(shí)，應(yīng)先用軟件清除RI或SM2標(biāo)志。7.2.2MCS-51串行口的工作方式

方式2發(fā)送時(shí)，先根據(jù)通信協(xié)議由軟件設(shè)置TB8，然后將要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫(xiě)入SBUF，啟動(dòng)發(fā)送。寫(xiě)SBUF的語(yǔ)句，除了將8位數(shù)據(jù)送入SBUF外，同時(shí)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(dòng)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。7.2.2MCS-51串行口的工作方式

方式2當(dāng)REN=1時(shí)，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(kāi)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(shí)滿足以下兩個(gè)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位送入RB8，并置RI=1。若不滿足上述兩個(gè)條件，則信息丟失。7.2.2MCS-51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。

7.2.3MCS-51串行口的波特率

方式0和方式2在方式0中，波特率為時(shí)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(shí)，波特率為fosc/64；當(dāng)SMOD=1時(shí)，波特率為fosc/32。即波特率=

。。

7.2.3MCS-51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(shí)器T1的溢出率和SMOD共同決定，即：方式1和方式3的波特率:

其中，定時(shí)器1的溢出率取決于單片機(jī)定時(shí)器1的計(jì)數(shù)速率和定時(shí)器的預(yù)置值。計(jì)數(shù)速率與TMOD寄存器中的C/T位有關(guān)，當(dāng)C/T=0時(shí)，計(jì)數(shù)速率為fosc/12，當(dāng)C/T=1時(shí)，計(jì)數(shù)速率為外部輸入時(shí)鐘頻率。。

定時(shí)器初值(x)：7.2.3MCS-51串行口的波特率

方式1和方式3實(shí)際上，當(dāng)定時(shí)器T1做波特率發(fā)生器使用時(shí)，通常是工作在模式2下，即作為一個(gè)自動(dòng)重裝載的8位定時(shí)器，此時(shí)TL1作計(jì)數(shù)用，自動(dòng)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(guò)256-X個(gè)機(jī)器周期，定時(shí)器溢出一次。為了避免溢出而產(chǎn)生不必要的中斷，此時(shí)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)。。

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表7-1定時(shí)器1產(chǎn)生的常用波特率。

表7-2串行口工作方式一覽表。

串行口初始化具體步驟如下：（1）確定定時(shí)器的工作方式---寫(xiě)TMOD寄存器（2）計(jì)算定時(shí)器1的初值---裝載TH1、TL1（3）啟動(dòng)定時(shí)器1---寫(xiě)TCON的TR1位（4）確定串口的工作方式(SCON)（5）使用串口中斷方式，開(kāi)CPU和中斷源---寫(xiě)IE寄存器7.3MCS-51單片機(jī)雙機(jī)通信

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7.3.1雙機(jī)通信的硬件電路

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7.3.2雙機(jī)通信軟件編程（見(jiàn)源程序）7.4RS-232C串行通信總線標(biāo)準(zhǔn)及其接口

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RS-232C的電氣標(biāo)準(zhǔn)采用負(fù)邏輯，即：邏輯“0”：+5V～+15V

邏輯“1”：-5V～-15V

因此，RS-232C不能和TTL電平直接相連，否則將使TTL電路燒壞，實(shí)際應(yīng)用時(shí)必須注意。RS-232C和TTL電平之間必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，常用的電平轉(zhuǎn)換集成電路MAX232。MAX232引腳圖7.4RS-232C串行通信總線標(biāo)準(zhǔn)及其接口

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RS-232C標(biāo)準(zhǔn)總線為25根，可采用標(biāo)準(zhǔn)的DB-25和DB