串口通信原理及操作流程

.,第六講串口通信原理及操作流程,曾鐵軍,主要內(nèi)容,串行通信總線標準及其接口,MCS-51的串行接口,實例1,信息編碼：文字,信息載體：文字、紙張,信息傳送方式：郵遞員,實例2,第四步,第二步,第一步,說出同學A的名字或?qū)W號,提問,說出同學B的名字或?qū)W號,提問,課堂上老師先讓同學A、再讓同學B回答問題的過程？,實例3,老師讓學習委員來取作業(yè)本的兩種方式,(1)老師等著學習委員來取,(2)將作業(yè)本放在辦公桌上，學習委員自己來取,串行通信基礎(chǔ)知識,1.1串行通信與并行通信,1.2異步通信與同步通信,1.3串行通信的傳輸方向,1.4信號的調(diào)制與解調(diào),1.5串行通信的錯誤校驗,1.6傳輸速率與傳輸距離,串行通信與并行通信,在計算機系統(tǒng)中，CPU和外部通信有兩種通信方式：并行通信和串行通信。并行通信，即數(shù)據(jù)的各位同時傳送；串行通信，即數(shù)據(jù)一位一位順序傳送。,并行通信,串行通信,異步通信與同步通信,1.異步通信異步通信是指通信的發(fā)送與接收設(shè)備使用各自的時鐘控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收過程。為使雙方的收發(fā)協(xié)調(diào)，要求發(fā)送和接收設(shè)備的時鐘盡可能一致。,：步通信的數(shù)據(jù)格異式,中斷的概念,異步通信的特點：不要求收發(fā)雙方時鐘的嚴格一致，實現(xiàn)容易，設(shè)備開銷較小，但每個字符要附加23位用于起止位，各幀之間還有間隔，因此傳輸效率不高。,建立發(fā)送方時鐘對接收方時鐘的直接控制，使雙方達到完全同步。此時，傳輸數(shù)據(jù)的位之間的距離均為“位間隔”的整數(shù)倍，同時傳送的字符間不留間隙，即保持位同步關(guān)系，也保持字符同步關(guān)系。,外同步,自同步,同步通信,同步通信,標題：中包含源地址、目標地址和路由指示等信息,SOH（01H）：表示標題的開始,STX（02H），表示傳送的數(shù)據(jù)塊開始,組終字符ETB（17H）或文終字符ETX（03H）。,校驗碼,典型的面向字符的同步規(guī)程:IBM的二進制同步規(guī)程BSC,面向位的同步格式：,將數(shù)據(jù)塊看作數(shù)據(jù)流，并用序列01111110作為開始和結(jié)束標志。為了避免在數(shù)據(jù)流中出現(xiàn)序列01111110時引起的混亂，發(fā)送方總是在其發(fā)送的數(shù)據(jù)流中每出現(xiàn)5個連續(xù)的1就插入一個附加的0；接收方則每檢測到5個連續(xù)的1并且其后有一個0時，就刪除該0。典型的面向位的同步協(xié)議如ISO的高級數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程HDLC和IBM的同步數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程SDLC。同步通信的特點是以特定的位組合“01111110”作為幀的開始和結(jié)束標志，所傳輸?shù)囊粠瑪?shù)據(jù)可以是任意位。所以傳輸?shù)男瘦^高，但實現(xiàn)的硬件設(shè)備比異步通信復雜。,1.3串行通信的傳輸方向,1.4信號的調(diào)制與解調(diào),調(diào)制器（Modulator）：把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，然后送到通信線路上去。解調(diào)器（Demodulator）：把從通信線路上收到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。調(diào)制解調(diào)器MODEM：由于通信是雙向的，調(diào)制器和解調(diào)器合并在一個裝置中。,調(diào)制解調(diào)的方式有多種，這里調(diào)頻為例：通過數(shù)字信號對二個不同頻率的正弦載波信號的鍵控和信號的合成實現(xiàn)。,1.5串行通信的錯誤校驗,1、奇偶校驗在發(fā)送數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)位尾隨的1位為奇偶校驗位（1或0）。奇校驗時，數(shù)據(jù)中“1”的個數(shù)與校驗位“1”的個數(shù)之和應(yīng)為奇數(shù)；偶校驗時，數(shù)據(jù)中“1”的個數(shù)與校驗位“1”的個數(shù)之和應(yīng)為偶數(shù)。接收字符時，對“1”的個數(shù)進行校驗，若發(fā)現(xiàn)不一致，則說明傳輸數(shù)據(jù)過程中出現(xiàn)了差錯。2、代碼和校驗代碼和校驗是發(fā)送方將所發(fā)數(shù)據(jù)塊求和（或各字節(jié)異或），產(chǎn)生一個字節(jié)的校驗字符（校驗和）附加到數(shù)據(jù)塊末尾。接收方接收數(shù)據(jù)同時對數(shù)據(jù)塊（除校驗字節(jié)外）求和（或各字節(jié)異或），將所得結(jié)果與發(fā)送方的“校驗和”進行比較，相符則無差錯，否則即認為傳送過程中出現(xiàn)了差錯。3、循環(huán)冗余校驗這種校驗是通過某種數(shù)學運算實現(xiàn)有效信息與校驗位之間的循環(huán)校驗，常用于對磁盤信息的傳輸、存儲區(qū)完整性校驗等。這種校驗方法糾錯能力強，廣泛應(yīng)用于同步通信中。,1.6傳輸速率與傳輸距離,碼元傳輸速率RB簡稱傳碼率，又稱符號速率等。它表示單位時間內(nèi)傳輸碼元的數(shù)目，單位是波特（Baud），記為B。例如，若1秒內(nèi)傳2400個碼元，則傳碼率為2400B。數(shù)字信號有多進制和二進制之分，但碼元速率與進制數(shù)無關(guān)，只與傳輸?shù)拇a元長度T有關(guān):,由于M進制的一個碼元可以用log2M個二進制碼元去表示，因而在保證信息速率不變的情況下，M進制的碼元速率RBM與二進制的碼元速率RB2之間有以下轉(zhuǎn)換關(guān)系：信息傳輸速率Rb簡稱傳信率，又稱比特率等。它表示單位時間內(nèi)傳遞的平均信息量或比特數(shù)，單位是比特/秒，可記為bit/s，或b/s，或bps。,C51串口通信時一個比特是一個碼元，所以波特率等同于比特率，即每秒鐘傳輸二進制代碼的位數(shù)，單位是：位秒（bps）。如每秒鐘傳送240個字符，而每個字符格式包含10位(1個起始位、1個停止位、8個數(shù)據(jù)位)，這時的比特率為：10位240個/秒=2400bps,傳輸距離與傳輸速率的關(guān)系,串行接口或終端直接傳送串行信息位流的最大距離與傳輸速率及傳輸線的電氣特性有關(guān)。當傳輸線使用每0.3m（約1英尺）有50PF電容的非平衡屏蔽雙絞線時，傳輸距離隨傳輸速率的增加而減小。當比特率超過1000bps時，最大傳輸距離迅速下降，如9600bps時最大距離下降到只有76m（約250英尺）。,2串行通信總線標準及其接口,2.1RS-232C接口,用于串行通訊的標準。規(guī)定采用一個25個腳的DB-25連接器對連接器的每個引腳的信號加以規(guī)定對各種信號的電平加以規(guī)定。IBM將RS232簡化成了DB-9連接器工業(yè)控制的RS-232一般只使用RXD、TXD、GND三條線。,筆記本通過本設(shè)備可連接到串口鼠標、各種串口設(shè)備，PLC、POS、門禁、檢測、通訊用儀器儀表等串口232接口的外設(shè)。,電氣特性、邏輯電平,EIA-RS-232C對電氣特性、邏輯電平和各種信號線功能都作了規(guī)定。在TxD和RxD上：邏輯1=-3V-15V邏輯0=+315V在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制線上：信號有效（接通，ON狀態(tài)，正電壓）+3V+15V信號無效（斷開，OFF狀態(tài)，負電壓)=-3V-15V,RS-232信號傳輸,UART,并行,TTL,收發(fā)器,D0,D7,0V,5V,RS-232,-12V,+12V,+12或者-12V?,RS-232信號傳輸及信號波形,RS-232信號傳輸及信號波形,功能特性,過程特性,過程特性規(guī)定了信號之間的時序關(guān)系，以便正確地接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。,遠程通信連接,RS-232連接類型I,TxDRxDRTSCTSDTRDSRDCDGND,TxDRxDRTSCTSDTRDSRDCDGND,DTE信號,DTE信號,典型應(yīng)用:PC+交叉電纜+PC,接線,RS-232連接類型II,典型應(yīng)用:PC+直連電纜+Modem,近程通信連接,RS-232C接口存在的問題,有電平偏移,傳輸距離短，傳輸速率低,抗干擾能力差,1,2,3,RS-422A接口,RS-422A輸出驅(qū)動器為雙端平衡驅(qū)動器。如果其中一條線為邏輯“1”狀態(tài)，另一條線就為邏輯“0”，比采用單端不平衡驅(qū)動對電壓的放大倍數(shù)大一倍。差分電路能從地線干擾中拾取有效信號，差分接收器可以分辨200mV以上電位差。若傳輸過程中混入了干擾和噪聲，由于差分放大器的作用，可使干擾和噪聲相互抵消。因此可以避免或大大減弱地線干擾和電磁干擾的影響。RS-422A傳輸速率（90Kbps）時，傳輸距離可達1200米。,2.3RS-485接口,RS-485是RS-422A的變型：RS-422A用于全雙工，而RS-485則還可用于半雙工。RS-485是一種多發(fā)送器標準，在通信線路上最多可以使用32對差分驅(qū)動器/接收器。RS-485的信號傳輸采用兩線間的電壓來表示邏輯1和邏輯0。由于發(fā)送方需要兩根傳輸線，接收方也需要兩根傳輸線。傳輸線采用差動信道，所以它的干擾抑制性極好，又因為它的阻抗低，無接地問題，所以傳輸距離可達1200米，傳輸速率可達1Mbps。,RS-485是一點對多點的通信接口，一般采用雙絞線的結(jié)構(gòu)。普通的PC機一般不帶RS485接口，因此要使用RS-232C/RS-485轉(zhuǎn)換器。對于單片機可以通過芯片MAX485來完成TTL/RS-485的電平轉(zhuǎn)換。在計算機和單片機組成的RS-485通信系統(tǒng)中，下位機由單片機系統(tǒng)組成，上位機為普通的PC機，負責監(jiān)視下位機的運行狀態(tài)，并對其狀態(tài)信息進行集中處理，以圖文方式顯示下位機的工作狀態(tài)以及工業(yè)現(xiàn)場被控設(shè)備的工作狀況。系統(tǒng)中各節(jié)點（包括上位機）的識別是通過設(shè)置不同的站地址來實現(xiàn)的。,RS-232&RS-422&RS-485比較,80C51串行口的結(jié)構(gòu),物理上有獨立的接收、發(fā)送緩沖器SBUF，它們占用同一地址99H；接收器是雙緩沖結(jié)構(gòu)；發(fā)送緩沖器，因為發(fā)送時CPU是主動的，不會產(chǎn)生重疊錯誤。,UART應(yīng)考慮的因素,1是作擴展IO口用還是通信用？通信的話是雙機通信還是多機通信？2UART與MCU聯(lián)系，接收和發(fā)送兩方面3通信速率4一幀數(shù)據(jù)的長度5數(shù)據(jù)校驗，發(fā)送和接收兩方面6UART作為一被控模塊，能否被控？,3.280C51串行口的控制寄存器,SCON是一個特殊功能寄存器，用以設(shè)定串行口的工作方式、接收/發(fā)送控制以及設(shè)置狀態(tài)標志：,SM0和SM1為工作方式選擇位，可選擇四種工作方式：,SM2，多機通信控制位，主要用于方式2和方式3。當接收機的SM2=1時可以利用收到的RB8來控制是否激活RI（RB80時不激活RI，收到的信息丟棄；RB81時收到的數(shù)據(jù)進入SBUF，并激活RI，進而在中斷服務(wù)中將數(shù)據(jù)從SBUF讀走）。當SM2=0時，不論收到的RB8為0和1，均可以使收到的數(shù)據(jù)進入SBUF，并激活RI（即此時RB8不具有控制RI激活的功能）。通過控制SM2，可以實現(xiàn)多機通信。在方式0時，SM2必須是0。在方式1時，若SM2=1，則只有接收到有效停止位時，RI才置1。REN，允許串行接收位。由軟件置REN=1，則啟動串行口接收數(shù)據(jù)；若軟件置REN=0，則禁止接收。,TB8，在方式2或方式3中，是發(fā)送數(shù)據(jù)的第九位，可以用軟件規(guī)定其作用。可以用作數(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)幀的標志位。在方式0和方式1中，該位未用。RB8，在方式2或方式3中，是接收到數(shù)據(jù)的第九位，作為奇偶校驗位或地址幀/數(shù)據(jù)幀的標志位。在方式1時，若SM2=0，則RB8是接收到的停止位。,TI，發(fā)送中斷標志位。在方式0時，當串行發(fā)送第8位數(shù)據(jù)結(jié)束時，或在其它方式，串行發(fā)送停止位的開始時，由內(nèi)部硬件使TI置1，向CPU發(fā)中斷申請。在中斷服務(wù)程序中，必須用軟件將其清0，取消此中斷申請。RI，接收中斷標志位。在方式0時，當串行接收第8位數(shù)據(jù)結(jié)束時，或在其它方式，串行接收停止位的中間時，由內(nèi)部硬件使RI置1，向CPU發(fā)中斷申請。也必須在中斷服務(wù)程序中，用軟件將其清0，取消此中斷申請。,PCON中只有一位SMOD與串行口工作有關(guān)：,SMOD（PCON.7）波特率倍增位。在串行口方式1、方式2、方式3時，波特率與SMOD有關(guān)，當SMOD=1時，波特率提高一倍。復位時，SMOD=0。,波特率的計算在串行通信中，收發(fā)雙方對發(fā)送或接收數(shù)據(jù)的速率要有約定。通過軟件可對單片機串行口編程為四種工作方式，其中方式0和方式2的波特率是固定的，而方式1和方式3的波特率是可變的，由定時器T1的溢出率來決定。串行口的四種工作方式對應(yīng)三種波特率。由于輸入的移位時鐘的來源不同，所以，各種方式的波特率計算公式也不相同。方式0的波特率=fosc/12方式2的波特率=（2SMOD/64）fosc方式1的波特率=（2SMOD/32）（T1溢出率）方式3的波特率=（2SMOD/32）（T1溢出率）,當T1作為波特率發(fā)生器時，最典型的用法是使T1工作在自動再裝入的8位定時器方式（即方式2，且TCON的TR1=1，以啟動定時器）。這時溢出率取決于TH1中的計數(shù)值。T1溢出率=fosc/12256（TH1）在單片機的應(yīng)用中，常用的晶振頻率為：12MHz和11.0592MHz。所以，選用的波特率也相對固定。常用的串行口波特率以及各參數(shù)的關(guān)系如表所示。,3.380C51串行口的工作方式,一、方式0串行口為同步移位寄存器的輸入輸出方式。主要用于擴展并行輸入或輸出口。數(shù)據(jù)由RXD（P3.0）引腳輸入或輸出，同步移位脈沖由TXD（P3.1）引腳輸出。發(fā)送和接收均為8位數(shù)據(jù)，低位在先，高位在后。波特率固定為fosc/12。1、方式0輸出,2、方式1輸入,用軟件置REN為1時，接收器以所選擇波特率的16倍速率采樣RXD引腳電平，檢測到RXD引腳輸入電平發(fā)生負跳變時，則說明起始位有效，將其移入輸入移位寄存器，并開始接收這一幀信息的其余位。接收過程中，數(shù)據(jù)從輸入移位寄存器右邊移入，起始位移至輸入移位寄存器最左邊時，控制電路進行最后一次移位。當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位數(shù)據(jù)裝入接收SBUF，第9位（停止位）進入RB8，并置RI=1，向CPU請求中斷。,三、方式2和方式3方式2或方式3時為11位數(shù)據(jù)的異步通信口。TXD為數(shù)據(jù)發(fā)送引腳，RXD為數(shù)據(jù)接收引腳。,方式2和方式3時起始位1位，數(shù)據(jù)9位（含1位附加的第9位，發(fā)送時為SCON中的TB8，接收時為RB8），停止位1位，一幀數(shù)據(jù)為11位。方式2的波特率固定為晶振頻率的1/64或1/32，方式3的波特率由定時器T1的溢出率決定。,1、方式2和方式3輸出,發(fā)送開始時，先把起始位0輸出到TXD引腳，然后發(fā)送移位寄存器的輸出位（D0）到TXD引腳。每一個移位脈沖都使輸出移位寄存器的各位右移一位，并由TXD引腳輸出。第一次移位時，停止位“1”移入輸出移位寄存器的第9位上，以后每次移位，左邊都移入0。當停止位移至輸出位時，左邊其余位全為0，檢測電路檢測到這一條件時，使控制電路進行最后一次移位，并置TI=1，向CPU請求中斷。,2、方式2和方式3輸入,接收時，數(shù)據(jù)從右邊移入輸入移位寄存器，在起始位0移到最左邊時，控制電路進行最后一次移位。當RI=0，且SM2=0（或接收到的第9位數(shù)據(jù)為1）時，接收到的數(shù)據(jù)裝入接收緩沖器SBUF和RB8（接收數(shù)據(jù)的第9位），置RI=1，向CPU請求中斷。如果條件不滿足，則數(shù)據(jù)丟失，且不置位RI，繼續(xù)搜索RXD引腳的負跳變。,串行口工作之前，應(yīng)對其進行初始化，主要是設(shè)置產(chǎn)生波特率的定時器1、串行口控制和中斷控制。具體步驟如下：確定T1的工作方式（編程TMOD寄存器）；計算T1的初值，裝載TH1、TL1；啟動T1（編程TCON中的TR1位）；確定串行口控制（編程SCON寄存器）；串行口在中斷方式工作時，要進行中斷設(shè)置（編程IE、IP寄存器）。,在計算機組成的測控系統(tǒng)中，經(jīng)常要利用串行通信方式進行數(shù)據(jù)傳輸。80C51單片機的串行口為計算機間的通信提供了極為便利的條件。利用單片機的串行口還可以方便地擴展鍵盤和顯示器，對于簡單的應(yīng)用非常便利。這里僅介紹單片機串行口在通信方面的應(yīng)用。,4單片機串行口應(yīng)用舉例,4.1單片機與單片機的通信,一、點對點的通信1、硬件連接,例題,在上位機上用串口調(diào)試助手發(fā)送一個字符X，單片機收到字符后返回給上位機“IgetX”，串口波特率設(shè)為9600.,4.2、多機通信,1、硬件連接單片機構(gòu)成的多機系統(tǒng)常