單片機(jī)原理及應(yīng)用 課件 【ch07】串 行 接 口

第七章串行接口工業(yè)和信息化部“十四五”規(guī)劃教材單片機(jī)原理及應(yīng)用01串行通信基礎(chǔ)

并行通信：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；其缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)有多少位，就需要多少根傳送線。圖7-1(a)為80C51單片機(jī)與外設(shè)間8位數(shù)據(jù)并行通信的連接方法。串行通信基礎(chǔ)

串行通信：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，這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。圖7-1(b)為串行數(shù)據(jù)通信方式的連接方法。串行通信基礎(chǔ)異步通信(AsynchronousCommunication)字符幀(CharacterFrame)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。字符幀格式是異步通信的一個(gè)重要指標(biāo)。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bit/s，即位/秒。波特率用于表征數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?，波特率越高，?shù)據(jù)傳輸速率越快。串行通信的分類字符幀也叫數(shù)據(jù)幀，由起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位和停止位四部分組成，如圖7-2所示。串行通信的分類同步通信(SynchronousCommunication)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，如圖7-3所示。串行通信的分類串行通信的制式按照數(shù)據(jù)傳送方向，串行通信可分為單工(Simplex)、半雙工(HalfDuplex)和全雙工(FullDuplex)3種制式。圖7-4為3種制式的示意圖。20%30%40%50%能夠完成異步通信的硬件電路稱為通用異步接收器/發(fā)送器(UniversalAsychronousReceiver/Transmitter，UART);能夠完成同步通信的硬件電路稱為通用同步接收器/發(fā)送器(UniversalSychronousReceiver/Transmitter，USRT);既能夠完成異步又能完成同步通信的硬件電路稱為通用同步/異步接收器/發(fā)送器(UniversalSychronous/AsychronousReceiver/Transmitter，USART)。串行通信的接口電路02通信總線標(biāo)準(zhǔn)及其接口RS-232C信息格式標(biāo)準(zhǔn)

RS-232C采用串行格式，信息格式如圖7-5所示。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：信息的開(kāi)始為起始位，信息的結(jié)束為停止位；信息本身可以是5、6、7、8位，再加一位奇偶校驗(yàn)位。RS-232C接口RS-232C電平轉(zhuǎn)換器RS-232C規(guī)定了自己的電氣標(biāo)準(zhǔn)，由于它是在TTL電路之前研制的，所以它的電平不是+5V和地，而采用負(fù)邏輯，即：邏輯“0”:+5V～+15V邏輯“1”:-15V～-5VRS-232C接口RS-232C總線規(guī)定RS-232C標(biāo)準(zhǔn)總線為25根，采用標(biāo)準(zhǔn)的D型25芯插頭座，現(xiàn)在25芯插頭座已很少采用，一般簡(jiǎn)化為9芯D型插座。讀者欲了解其引腳安排的詳細(xì)知識(shí)，可參閱相關(guān)資料。在簡(jiǎn)單的全雙工系統(tǒng)中，僅用發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)和信號(hào)地三根線即可，對(duì)于80C51單片機(jī)，利用其RXD(串行數(shù)據(jù)接收端)線、TXD(串行數(shù)據(jù)發(fā)送端)線和一根地線，就可以構(gòu)成符合RS-232C接口標(biāo)準(zhǔn)的全雙工通信口。RS-232C接口RS-449、RS-422A、RS-423A標(biāo)準(zhǔn)接口RS-449標(biāo)準(zhǔn)接口RS-449是1977年公布的標(biāo)準(zhǔn)接口，在很多方面可以代替RS-232C使用，兩者的主要差別在于信號(hào)在導(dǎo)線上的傳輸方法不同。RS-232C是利用傳輸信號(hào)與公共地的電壓差，而RS-449是利用信號(hào)導(dǎo)線之間的信號(hào)電壓差。RS-449規(guī)定了兩種接口標(biāo)準(zhǔn)連接器，一種為37腳，另一種為9腳。RS-449可以不使用調(diào)制解調(diào)器，它比RS-232C傳輸速率高，通信距離長(zhǎng)，且由于RS-449系統(tǒng)用平衡信號(hào)差傳輸高速信號(hào)，所以噪聲低，又可以多點(diǎn)或者使用公共線通信，故RS-449通信電纜可與多個(gè)設(shè)備并聯(lián)。RS-422A、RS-423A標(biāo)準(zhǔn)RS-422A接口電路如圖7-7所示，發(fā)送器75174將TTL電平轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的RS-422A電平；接收器75175將RS-422A接口信號(hào)轉(zhuǎn)換為TTL電平。RS-449、RS-422A、RS-423A標(biāo)準(zhǔn)接口RS-422A、RS-423A標(biāo)準(zhǔn)RS-423A也需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，常用的驅(qū)動(dòng)器和接收器為3691和26L32。其接口電路如圖7-8所示。RS-449、RS-422A、RS-423A標(biāo)準(zhǔn)接口

圖7-9是一個(gè)實(shí)用的20mA電流環(huán)接口電路。它是一個(gè)加上光電隔離的電流環(huán)傳送和接收電路。在發(fā)送端，將TTL電平轉(zhuǎn)換為環(huán)路電流信號(hào)，在接收端又轉(zhuǎn)換成TTL電平。20mA電流環(huán)接口20mA電流環(huán)接口

通信速度和通信距離通常的標(biāo)準(zhǔn)串行接口，都有滿足可靠傳輸時(shí)的最大通信速度和傳送距離指標(biāo)，但這兩個(gè)指標(biāo)具有相關(guān)性，適當(dāng)降低傳輸速度，可以提高通信距離，反之亦然。抗干擾能力通常選擇的標(biāo)準(zhǔn)接口，在保證不超過(guò)其使用范圍時(shí)都有一定的抗干擾能力，以保證可靠的信號(hào)傳輸。但在一些工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)中，通信環(huán)境十分惡劣，因此在通信介質(zhì)選擇、接口標(biāo)準(zhǔn)選擇時(shí)，要充分考慮抗干擾能力，并采取必要的抗干擾措施。0380C51的串行接口80C51串行接口結(jié)構(gòu)80C51內(nèi)部有兩個(gè)獨(dú)立的接收、發(fā)送緩沖器SBUF，SBUF屬于特殊功能寄存器。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，二者共用一個(gè)字節(jié)地址(99H)。串行口結(jié)構(gòu)示意圖如圖7-10所示。20%30%40%50%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，兩個(gè)緩沖器共用一個(gè)地址99H，通過(guò)對(duì)SBUF的讀、寫指令來(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SBUF時(shí)，就是修改發(fā)送緩沖器；讀SBUF，就是讀接收緩沖器的內(nèi)容。接收或發(fā)送數(shù)據(jù)，是通過(guò)串行口對(duì)外的兩條獨(dú)立收發(fā)信號(hào)線RXD(P3.0)、TXD(P3.1)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。80C51串行接口結(jié)構(gòu)串行口控制寄存器SCON收發(fā)雙方都有對(duì)SCON的編程，SCON用來(lái)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98H。單片機(jī)復(fù)位時(shí)，SCON被清零。其格式如下：80C51串行接口結(jié)構(gòu)串行口控制寄存器SCONSM0、SM1為串行方式選擇位，定義如表7-1所示。SM2:多機(jī)通信控制位，用于方式2和方式3中。在方式2和方式3處于接收時(shí)，若SM2=1，RB8=0，不激活RI，即RI=0;若SM2=1，且RB8=1時(shí)，則置RI=1。80C51串行接口結(jié)構(gòu)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，不可以位尋址，字節(jié)地址為87H。在HMOS的80C51單片機(jī)中，PCON除最高位外其他位都是虛設(shè)的。其格式如下：80C51串行接口結(jié)構(gòu)80C51串行接口的工作方式方式0在方式0下，串行口作同步移位寄存器用，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I/O口擴(kuò)展。方式0在滿足REN=1和RI=0的條件下，串行口即開(kāi)始從RXD端以fosc/12的波特率輸入數(shù)據(jù)(低位在前)，當(dāng)接收完8位數(shù)據(jù)后，置中斷標(biāo)志位RI為1，請(qǐng)求中斷。在再次接收數(shù)據(jù)之前，必須由軟件清RI為0。具體接線圖如圖7-12所示。80C51串行接口的工作方式方式1在方式1下，串行口為波特率可調(diào)的10位通用異步接口UART，發(fā)送或接收一幀信息，包括1位起始位0，8位數(shù)據(jù)位和1位停止位1。其幀格式如圖7-13所示。80C51串行接口的工作方式方式2方式2下，串行口為11位UART，傳送波特率與SMOD有關(guān)。發(fā)送或接收一幀數(shù)據(jù)包括1位起始位0，8位數(shù)據(jù)位，1位可編程位(用于奇偶校驗(yàn))和1位停止位1。其幀格式如圖7-14所示。80C51串行接口的工作方式方式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80C51串行接口的波特率80C51串行接口的波特率方式1和方式3在方式1和方式3下，波特率由定時(shí)器1的溢出率和SMOD共同決定，即其中，T1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。80C51串行接口的波特率方式1和方式3表7-2列出了各種常用的波特率及獲得辦法。若采用11.0592MHz的晶振，分析TMOD的設(shè)置，對(duì)照表7-2，可知串行通信的波特率應(yīng)為2400bit/s。0480C51單片機(jī)之間的通信如果通信的兩個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)距離較近，可以將它們的串行口直接相連，實(shí)現(xiàn)雙機(jī)通信，如圖7-15所示。雙機(jī)通信硬件電路為了增加通信距離，減少通道和電源干擾，可以在通信線路上采用光電隔離的方法，利用RS-422標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行雙機(jī)通信，實(shí)用的接口電路如圖7-16所示。雙機(jī)通信硬件電路這一功能通常采用主從式多機(jī)通信方式，在這種方式中，用一臺(tái)主機(jī)和多臺(tái)從機(jī)。主機(jī)發(fā)送的信息可以傳送到各個(gè)從機(jī)或指定的從機(jī)，各從機(jī)發(fā)送的信息只能被主機(jī)接收，從機(jī)與從機(jī)之間不能進(jìn)行通信。圖7-17是多機(jī)通信連接示意圖。多機(jī)通信多機(jī)通信在單片機(jī)串行口以方式2或方式3接收時(shí)，若SM2=1，則表示置多機(jī)通信功能位，這時(shí)有兩種情況：①接收到第9位數(shù)據(jù)為1。此時(shí)數(shù)據(jù)裝入SBUF，并置RI=1，向CPU發(fā)中斷請(qǐng)求。②接收到第9位數(shù)據(jù)為0。此時(shí)不產(chǎn)生中斷，信息將被丟失。若SM2=0，則接收到的第9位信息無(wú)論是1還是0，都產(chǎn)生RI=1的中斷標(biāo)志，接收的數(shù)據(jù)裝入SBUF。根據(jù)這個(gè)功能，就可以實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信。05PC和單片機(jī)之間的通信通信接口設(shè)計(jì)常用的有MC1488、MC1489和MAX232，圖7-18給出了采用MAX232芯片的PC和單片機(jī)串行通信接口電路，與PC相連采用9芯標(biāo)準(zhǔn)插座。20%30%40%50%單片機(jī)通信軟件

80C51通過(guò)中斷方式接收PC發(fā)送的數(shù)據(jù)，并回送。單片機(jī)串行口工作在方式1，晶振頻率為6MHz，波特率為2400bit/s，定時(shí)器1按方式2工作，經(jīng)計(jì)算定時(shí)器預(yù)置值為0F3H，SMOD=1。軟件編程PC方面的通信程序可以用匯編語(yǔ)言編寫，也可以用其他高級(jí)語(yǔ)言如VC、VB來(lái)編寫。PC通信軟件06串行通信的差錯(cuò)控制編碼技術(shù)差錯(cuò)控制編碼從不同的角度出發(fā)，有不同的分類方法。①根據(jù)碼組的功能，可分為檢錯(cuò)碼和糾錯(cuò)碼兩類。一般地說(shuō)，檢錯(cuò)碼是指能自動(dòng)發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)的碼。糾錯(cuò)碼是指不僅能發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)而且能自動(dòng)糾正差錯(cuò)的碼。②按照信息碼元與監(jiān)督碼元的約束關(guān)系，又可分為分組碼和卷積碼兩類。③按碼組中監(jiān)督碼元與信息碼元之間的關(guān)系可分為線性碼和非線性碼兩類。差錯(cuò)控制編碼的分類奇偶校驗(yàn)碼奇偶校驗(yàn)碼的這種監(jiān)督關(guān)系可以用公式表示。設(shè)碼組長(zhǎng)度為n，表示為(am?，an-2，aπ3，…，ao)，其中，前n-1位為信息碼元，第n位為監(jiān)督位ao。幾種常用的差錯(cuò)控制編碼幾種常用的差錯(cuò)控制編碼漢明碼漢明碼是1950年由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室提出來(lái)的，是一種多重(復(fù)式)奇偶檢錯(cuò)系統(tǒng)。它將信息用邏輯形式編碼，以便能夠檢錯(cuò)和糾錯(cuò)。用在漢明碼中的全部傳輸碼字是由原來(lái)的信息和附加的奇偶校驗(yàn)位組成的。幾種常用的差錯(cuò)控制編碼漢明碼如對(duì)k=4，r=3的碼字進(jìn)行漢明碼編碼，校驗(yàn)位采用偶校驗(yàn)，則需r=3次偶檢查。這里3次檢查分別(以R1、R?、R?表示)在表7-4所示各位的位置上進(jìn)行。漢明碼若有4位信息碼1011，求3個(gè)校驗(yàn)位Pi、P?、P?的值，并生成漢明碼編碼，則可用上面3個(gè)公式解出(如表7-5所示)。幾種常用的差錯(cuò)控制編碼循環(huán)冗余校驗(yàn)碼循環(huán)冗余校驗(yàn)碼(CyclicRedundancyCheck，簡(jiǎn)稱CRC碼)，是一種能力非常強(qiáng)的檢錯(cuò)、糾錯(cuò)碼，并且實(shí)現(xiàn)編碼和檢碼