【課題】串行通信基礎(chǔ)、單片機(jī)的串行接口

1、【課 題】串行通信基礎(chǔ)、單片機(jī)的串行接口【教學(xué)目的】（1）了解并行通信與串行通信的含義；（2）理解波特率的概念，學(xué)會(huì)波特率的計(jì)算方法；（3）能按要求正確設(shè)置特殊功能寄存器SCON和PCON；【教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)】（1）串行通信總線標(biāo)準(zhǔn)及其接口；（2）串行口控制寄存器SCON各位的設(shè)置?！窘虒W(xué)手段】多媒體設(shè)備、電腦、軟件環(huán)境【課 時(shí)】2學(xué)時(shí)【教學(xué)進(jìn)程】1、串行通信基礎(chǔ)（20分鐘）（課件展示）l 串行通信的分類l 串行通信的制式l 串行通信的接口電路2、串行通信總線標(biāo)準(zhǔn)及其接口（30分鐘）（課件展示）l RS-232C接口l RS-232C信息格式標(biāo)準(zhǔn)l RS-232C電平轉(zhuǎn)換器l RS-232C總線

2、規(guī)定3、MCS51單片機(jī)的串行口結(jié)構(gòu)（5分鐘）（課件展示）4、串行口數(shù)據(jù)緩沖器SBUF（10分鐘）（課件展示）5、串行口控制寄存器SCON（20分鐘）（課件展示）6、電源及波特率選擇寄存器PCON（5分鐘）（課件展示）7、MCS-51單片機(jī)串行口的波特率設(shè)定8、課堂總結(jié)（10分鐘） 串行通信基礎(chǔ)在單片機(jī)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(shí)傳送，如圖9.1(a)所示；串行通信，即數(shù)據(jù)一位一位順序傳送，如圖9.1(b)所示。圖9.1 兩種通信方式的示意圖 兩種基本通信方式比較起來，串行通信方式能夠節(jié)省傳輸線，特別是數(shù)據(jù)位數(shù)很多和遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳送時(shí)，這

3、一優(yōu)點(diǎn)更為突出；串行通信方式的主要缺點(diǎn)是傳送速度比并行通信要慢。 一、串行通信的分類 按照串行數(shù)據(jù)的時(shí)鐘控制方式,串行通信可分為同步通信和異步通信兩類。在異步通信中，接收端是依靠字符幀格式來判斷發(fā)送端是何時(shí)開始發(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)。 1、異步通信（Asynchronous Communication） 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)送端和接收端由各自獨(dú)立的時(shí)鐘來控制數(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。 2、字符幀（Charac

4、ter Frame）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，如圖9.2所示。圖9.2 異步通信的字符幀格式起始位：位于字符幀開頭，只占一位，為邏輯0低電平，用于向接收設(shè)備表示發(fā)送端開始發(fā)送一幀信息。數(shù)據(jù)位：緊跟起始位之后，用戶根據(jù)情況可取5位、6位、7位或8位，低位在前高位在后。奇偶校驗(yàn)位：位于數(shù)據(jù)位之后，僅占一位，用來表征串行通信中采用奇校驗(yàn)還是偶校驗(yàn)，由用戶決定。停止位：位于字符幀最后，為邏輯1高電平。通常可取1位、1.5位或2位，用于向接收端表示一幀字符信息已經(jīng)發(fā)送完，也為發(fā)送下一幀作準(zhǔn)備。在串行通信中，兩相鄰字符幀之間可以沒有空閑位，也可以有若干空閑位，這由

5、用戶來決定。圖9.2（b）表示有3個(gè)空閑位的字符幀格式。 3、波特率（baud rate）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)乃俣龋ㄌ芈试礁?，?shù)據(jù)傳輸速度越快。但波特率和字符的實(shí)際傳輸速率不同，字符的實(shí)際傳輸速率是每秒內(nèi)所傳字符幀的幀數(shù)，和字符幀格式有關(guān)。通常，異步通信的波特率為509600bit/s。異步通信的優(yōu)點(diǎn)是不需要傳送同步時(shí)鐘，字符幀長度不受限制，故設(shè)備簡單。缺點(diǎn)是字符幀中因包含起始位和停止位而降低了有效數(shù)據(jù)的傳輸速率。 4、同步通信（Synchronous Communication

6、）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9.3所示。圖9.3（a）為單同步字符幀結(jié)構(gòu)，圖9.3（b）為雙同步字符幀結(jié)構(gòu)，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，也可以由用戶約定。同步通信的數(shù)據(jù)傳輸速率較高，通?？蛇_(dá)56Kb/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。 5、串行通信的制式在串行通信中數(shù)據(jù)是在兩個(gè)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（ful

7、l duplex）三種制式。圖9.4為三種制式的示意圖。在單工制式下，通信線的一端接發(fā)送器，一端接接收器，數(shù)據(jù)只能按照一個(gè)固定的方向傳送。如圖9.4(a)所示 在半雙工制式下，系統(tǒng)的每個(gè)通信設(shè)備都由一個(gè)發(fā)送器和一個(gè)接收器組成，如圖9.4(b)所示。在這種制式下，數(shù)據(jù)能從A站傳送到B站，也可以從B站傳送到A站，但是不能同時(shí)在兩個(gè)方向上傳送，即只能一端發(fā)送,一端接收。其收發(fā)開關(guān)一般是由軟件來進(jìn)行控制的。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(shí)發(fā)送和接收，即數(shù)據(jù)可以在兩個(gè)方向上同時(shí)傳送。如圖9.4(c)所示。在實(shí)際應(yīng)用中，盡管多數(shù)串行通信接口電路具有全雙工功能，一般情況只工作于半雙工制式下，

8、這種用法簡單、實(shí)用。6、串行通信的接口電路串行接口電路的種類和型號(hào)很多。能夠完成異步通信的硬件電路稱為UART，即通用異步接收器/發(fā)送器；能夠完成同步通信的硬件電路稱為USRT；既能夠完成異步又能同步通信的硬件電路稱為USART。 從本質(zhì)上說，所有的串行接口電路都是以并行數(shù)據(jù)形式與CPU連接，以串行數(shù)據(jù)形式與外部邏輯設(shè)備連接。它們的基本功能是從外部邏輯設(shè)備接收串行數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)后傳送給CPU，或從CPU接收并行數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)后輸出到外部邏輯設(shè)備。 串行通信總線標(biāo)準(zhǔn)及其接口 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)通信主要采用異步串行通信。在設(shè)計(jì)通信接口時(shí)，必須根據(jù)需要選擇標(biāo)準(zhǔn)接口，并考慮傳輸介質(zhì)、

9、電平轉(zhuǎn)換等問題。采用標(biāo)準(zhǔn)接口后，能夠方便地把單片機(jī)和外設(shè)、測量儀器等有機(jī)地連接起來，從而構(gòu)成一個(gè)測控系統(tǒng)。例如當(dāng)需要單片機(jī)和PC機(jī)通信時(shí)，通常采用RS-232接口進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。 異步串行通信接口主要有三類：RS-232接口；RS-449、RS-422和RS-485接口以及20mA電流環(huán)。下面介紹較常用的RS-232接口標(biāo)準(zhǔn)。 一、RS-232C接口 RS-232C是使用最早、應(yīng)用最多的一種異步串行通信總線標(biāo)準(zhǔn)。它是美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）1962年公布、1969年最后修訂而成的。其中RS表示Recommended Standard，232是該標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)識(shí)號(hào)，C表示最后一次修訂。RS-232C主

10、要用來定義計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的一些數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）和數(shù)據(jù)電路終接設(shè)備（DCE）之間的電氣性能。例如CRT、打印機(jī)與CPU的通信大都采用RS-232C接口，MCS-51單片機(jī)與PC機(jī)的通信也是采用該種類型的接口。由于MCS-51系列單片機(jī)本身有一個(gè)全雙工的串行接口，因此該系列單片機(jī)用RS-232C串行接口總線非常方便。 RS-232C串行接口總線適用于：設(shè)備之間的通信距離不大于15米，傳輸速率最大為20kB/s。二、RS-232C信息格式標(biāo)準(zhǔn)RS-232C采用串行格式，如圖9.5所示。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:信息的開始為起始位,信息的結(jié)束為停止位;信息本身可以是5、6、7、8位再加一位奇偶位。如果兩個(gè)信息之間

11、無信息，則寫“1”，表示空。圖9.5 RS-232C信息格式三、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，而是采用負(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，使用時(shí)必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，否則將使TTL電路燒壞，實(shí)際應(yīng)用時(shí)必須注意！常用的電平轉(zhuǎn)換集成電路是傳輸線驅(qū)動(dòng)器MC1488和傳輸線接收器MC1489。 MC1488內(nèi)部有三個(gè)與非門和一個(gè)反相器，供電電壓為12V，輸入為TTL電平，輸出為RS-232C電平，MC1489內(nèi)部有四個(gè)反相器，供電電壓為5V，輸

12、入為RS-232C電平，輸出為TTL電平。 另一種常用的電平轉(zhuǎn)換電路是MAX232，圖9.6為MAX232的引腳圖。圖9.6 MAX232引腳圖圖9.7 RS-232C引腳圖 四、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。各引腳的排列如圖9.7所示。在最簡單的全雙工系統(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MCS-51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。 MCS-51單片機(jī)的串行接口 MCS-51單片機(jī)的內(nèi)部有一個(gè)可編程全雙工串行通信接口，它具有U

13、ART的全部功能，該接口不僅可以同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，也可做同步移位寄存器使用。該串行口有4種工作方式，幀格式有8位、10位和11位，并能設(shè)置各種波特率。本節(jié)將對(duì)其結(jié)構(gòu)、工作方式和波特率進(jìn)行介紹。 一、MCS-51單片機(jī)的串行口結(jié)構(gòu)MCS-51單片機(jī)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）。 二、串行口數(shù)據(jù)緩沖器SBUF SBUF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)用于存放欲發(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

14、對(duì)SBUF的讀、寫指令來區(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)來實(shí)現(xiàn)的，因此可以同時(shí)發(fā)送、接收數(shù)據(jù)，為全雙工制式。 三、串行口控制寄存器SCONSCON用來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。 其格式如圖9.9所示。 9FH 9EH 9DH 9CH 9BH 9AH 99H 98H SM0SM1SM2RENTB8RB8TIRI圖9.9 SCON的各位定義 SM0、SM1：串行工作方式選擇位。定義如下表9

15、.1所示。表9.1 串行工作方式選擇位SM0 SM1工作方式功 能波特率 0 0方式0 8位同步移位寄存器 fosc/12 0 1方式110位UART 可變 1 0 方式211位UARTfosc/64或fosc/32 1 1方式311位UART可變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, 且接收到的第9位數(shù)據(jù)RB8為0時(shí),不激活RI；若SM2=1，且RB8=1時(shí)，則置RI=1。在方式2、3處于接收或發(fā)送方式，若SM2=0，不論接收到第9位RB8為0還是為1，TI，RI都以正常方式被激活。在方式1處于接收時(shí)，若SM2=1,則只有收到有效的停止位后，

16、RI置1。在方式0中，SM2應(yīng)為0。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，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。TI：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是發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)的標(biāo)志，可以用指令來查詢是否發(fā)送結(jié)束。TI=1時(shí)，也可向CPU申請中斷，響應(yīng)中斷后都必須由軟件清除TI。RI：接收中斷標(biāo)志位。在

17、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，在接收停止位的中間由硬件置位。同TI一樣，也可以通過指令來查詢是否接收完一幀數(shù)據(jù)。RI=1時(shí)，也可申請中斷，響應(yīng)中斷后都必須由軟件清除RI。SCON中的低2位與中斷有關(guān)，在中斷的有關(guān)章節(jié)中有詳細(xì)論述。 四、電源及波特率選擇寄存器PCONPCON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8051單片機(jī)中，PCON除了最高位以外其它位都是虛設(shè)的。其格式如圖9.10所示。SMOD為波特率選擇位與串行通信有關(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SM

18、OD有關(guān)。當(dāng)SMOD=1時(shí)，串行通信波特率乘2，當(dāng)SMOD=0時(shí)，串行通信波特率不變。四、MCS-51單片機(jī)串行口的波特率設(shè)定 在串行通信中，收發(fā)雙方對(duì)傳送的數(shù)據(jù)速率即波特率要有一定的約定。通過上一小節(jié)的論述，我們已經(jīng)知道，MCS-51單片機(jī)的串行口通過編程可以有4種工作方式。其中工作方式0和工作方式2的波特率是固定的，工作方式1和工作方式3的波特率可變，由定時(shí)器T1的溢出速率決定。 在工作方式0中，波特率為時(shí)鐘頻率的1/12，即fosc/12，固定不變。在工作方式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= fOSC (2SMOD/64)。 在工作方式1和工作方式3下，波特率由定時(shí)器T1的溢出速率和SMOD共同決定。即： 波特率 = T1溢出速率(2SMOD/32)。 其中T1的溢出速率取決于單片機(jī)定時(shí)