第7章串行接口

1、第第7章串行接口章串行接口 計算機之間的通信有并行通信和串行通信兩種。串行通信是一位一位傳送數(shù)據(jù)的，由于串行通信只需要二根傳送線，特別適用于長距離通信。在串行通信中，通信的快慢用波特率來表示,在不同的工作模式下，波特率的設(shè)置方式也不同，只有正確進行波特率的設(shè)置，才能進行可靠的數(shù)據(jù)通信。串行通信的總線標準有多種，有RS一232C、RS422、RS一485以及2OmA電流環(huán)。RS一232C是最常用的串行接口標準。.MCS一51系列單片機內(nèi)部有一個全雙工的異步通信I/O口，波特率和幀的格式可以通過軟件編程來設(shè)置。它的串行通信口有四種工作模式：方式0、方式1、方式23。幀的格式有1O位、11位兩種。M

2、CS一51系列單片機的串行通信有著廣泛的應(yīng)用。可以實現(xiàn)單片機與單片機之間或單片機與PC機之間的串行通信，也可以使用單片機的串行通信接口，實現(xiàn)鍵盤輸入和LED、LCD顯示器的輸出控制，簡化電路，節(jié)約單片機的硬件資源。應(yīng)用串行通信接口，還可以進行遠程參數(shù)檢測和控制。第7章 串行接口 第7章 串行接口 通信系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)傳送端、數(shù)據(jù)接收端、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口和傳送數(shù)據(jù)的線路。單片機、PC機、工作站都可以作為傳送、接收數(shù)據(jù)的終端設(shè)備。數(shù)據(jù)在傳送過程中常常需要經(jīng)過一些中間設(shè)備，這些中間設(shè)備稱為數(shù)據(jù)交換設(shè)備，負責(zé)數(shù)據(jù)的傳送工作。數(shù)據(jù)在通信過程中，由數(shù)據(jù)的終端設(shè)備傳送端送出數(shù)據(jù)，通過調(diào)制解調(diào)器把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為一定的電平

3、信號，在通信線路上進行傳輸。通信信息被傳輸?shù)接嬎銠C的接收端時，同樣，也需要通過調(diào)制解調(diào)器把電平信號轉(zhuǎn)換為計算機能接受的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)才能進入計算機。計算機在通信過程中通常使用RS-232接口，通信線路常用雙絞線、同軸電纜、光纖或無線電波。數(shù)據(jù)通信的方式有兩種，一種為并行通信，另一種為串行通信。通常根據(jù)通信的距離和具體要求決定采用何種通信的方式。一般當(dāng)通信的距離在15m 到30 m之內(nèi)，可以采用并行通信方式或串行通信方式，當(dāng)通信的距離在30m以上時，應(yīng)采用串行通信方式。MCS-51系列單片機具有并行通信和串行通信兩種方式，給單片機在通信中的應(yīng)用帶來極大的方便。7.1串行通信概念第7章 串行接口 在并

4、行通信中,數(shù)據(jù)的所有位是同時進行傳送的。它的特點是數(shù)據(jù)傳送的速度快，缺點是需要比較多的傳送數(shù)據(jù)線，有多少位數(shù)據(jù)就需要多少根線，而且數(shù)據(jù)傳送的距離有限，在單片機中，一般常常應(yīng)用于CPU與LED、LCD顯示器的連接，或CPU與A/D、D/A轉(zhuǎn)換器之間的數(shù)據(jù)傳送等并行接口方面。圖7.1所示為MCS-51系列單片機與外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)并行通信的連接方法。7.1串行通信概念 D0 D1 MCS-51 D2 D3 D4單片機 D5 D6 D7控制檢測D0D1D2 計算機D3D4 外部D5D6 設(shè)備D7選通狀態(tài) 在串行通信中,數(shù)據(jù)是按一定的順序一位一位地傳送的。串行通信時只需要兩根傳送線，可以利用 線進行通

5、信，特別適用于長距離通信，非常方便，價格低。圖7.2所示為MCS-51系列單片機之間的串行通信的連接方法。第7章 串行接口7.1串行通信概念 MCS-51 單片機（1）RXDTXDGND GND MCS-51 單片機（2）TXDRXDGND 在串行通信時，計算機內(nèi)部的并行數(shù)據(jù)傳送到內(nèi)部移位寄存器中，然后數(shù)據(jù)被逐位移出形成串行數(shù)據(jù)，通過通信線傳送到接收端，再將串行數(shù)據(jù)逐位送入移位寄存器后轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)存放在計算機中。進行串行通信的接收端和發(fā)送端的計算機，必須有一些約定，必須有相同的傳送速率和采用統(tǒng)一的編碼方法，接收端的計算機必須知道發(fā)送端的計算機發(fā)送了哪些信息，發(fā)送的信息是否正確，如果有錯如何通

6、知對方重新發(fā)送。發(fā)送端的計算機必須知道接收端的計算機是否正確接收到信息，是否需要重新發(fā)送，這些約定叫做串行通信協(xié)議或規(guī)程。通信的雙方遵守了這些協(xié)議才能正確地進行數(shù)據(jù)通信。 串行異步通信時，數(shù)據(jù)是一幀一幀傳送的，不需要同步時鐘，通信方法的示意圖如圖7.3所示。第7章 串行接口7.1串行通信概念移位寄存器數(shù)據(jù)接收器移位寄存器 在異步通信中，異步數(shù)據(jù)發(fā)送器先送出一個起始位，再送出具有一定格式的串行數(shù)據(jù)位、奇偶校驗位和停止位。 在沒有進行通信時，通信線上處于“1”狀態(tài)。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送器要發(fā)送一個字符數(shù)據(jù)時，首先發(fā)送一個起始位信號“0”，數(shù)據(jù)接收器檢測到這個“0”，就開始準備接收。所以起始位的作用就是表示字

7、符傳送的開始，同時還被用作同步接收端的時鐘，以保證以后的接收正確。起始位后面是數(shù)據(jù)位，數(shù)據(jù)位的個數(shù)可以有5、6、7或8位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)位從最低位開始傳送。數(shù)據(jù)位之后發(fā)送奇偶校驗位，它只占據(jù)一位，通信雙方在通信時須約定一致的奇偶校驗方式，用于有限差錯檢測。奇偶校驗位或數(shù)據(jù)位（在沒有奇偶校驗時）之后發(fā)送停止位，停止位有1位、1位半和2位，它一定是“1”，停止位用來表示一個字符數(shù)據(jù)的結(jié)束。數(shù)據(jù)接收器收到停止位后，知道前一個字符傳送結(jié)束，同時也為接收下一個字符作準備，如果再收到“0”信號，就表示有新的字符要傳送，否則就表示目前的通信結(jié)束。 串行通信中，數(shù)據(jù)在通信線路兩端的設(shè)備之間傳送的方式通常有三種：單工

8、、半雙工和全雙工。單工為單向配置，只允許數(shù)據(jù)按照一個固定的方向傳送，通信線的一端為發(fā)送端，另一端為接收端。半雙工為半雙向配置，允許數(shù)據(jù)向任何一個方向傳送，但每次只能有一個站發(fā)送，另一個站接收。通信線兩端的每一端都由一個發(fā)送設(shè)備和一個接收設(shè)備組成，通過接收和發(fā)送開關(guān)使設(shè)備與線路接通，接收與發(fā)送開關(guān)是由軟件控制的電子開關(guān)，通信線兩端的設(shè)備通過半雙工通信協(xié)議進行功能的切換。全雙工為全雙向配置，允許同時雙向傳送數(shù)據(jù)。在半雙工通信方式中，由于發(fā)送、接收方式的切換需要時間，效率比較低。而在全雙工通信中，數(shù)據(jù)可以同時雙向傳送，效率比較高。但是，通信線兩端的通信設(shè)備都必須有完整、獨立的發(fā)送器和接收器。第7章

9、串行接口7.1串行通信概念 在MCS-51單片機芯片內(nèi)部有一個全雙工的串行口，它可以通過單片機內(nèi)部的定時器/計數(shù)器和串行口控制寄存器，用軟件設(shè)置的方式以4種工作模式和不同的波特率進行工作。第7章 串行接口7.2 串行接口的工作方式 在MCS-51單片機內(nèi)部的串行接口，有二個物理上獨立的發(fā)送緩沖器和接收緩沖器。發(fā)送緩沖器只能寫入信息，不能被讀出，用于發(fā)送信息。接收緩沖器只能讀出信息，不能被寫入，用于接收信息。這兩個緩沖器共用一個地址：99H。另外，在串行接口內(nèi)部還有二個特殊的寄存器SCON、PCON，用于控制串行接口的工作方式和波特率。 第7章 串行接口串行接口的結(jié)構(gòu)接口第7章 串行接口1.串行

10、接口控制寄存器SCON串行接口控制寄存器SCON的地址為98H，8個二進制位?？梢詫Υ薪涌诘墓ぷ鞣绞健⒔邮瞻l(fā)送和串行接口的工作狀態(tài)標志進行設(shè)置。其格式如下。 串行接口的結(jié)構(gòu)接口數(shù)據(jù)位D7D6D5D4D3D2D1D0SCONSM0SM1SM2RENTB8RB8TIRI位地址9F9E9D9C9B9A9998其中：SM0、SM1：用于控制串行接口的工作方式 SM0、SM1=00，定義為串行接口工作方式0,移位寄存器方式，用于I/O口擴展； SM0、SM1=01，定義為串行接口工作方式1，8位UART，波特率可變； SM0、SM1=10，定義為串行接口工作方式2，9位UART，波特率為fosc/64

11、或fosc/32； SM0、SM1=11，定義為串行接口工作方式3，9位UART，波特率可變；SM2:用于方式2、方式3時的多機通訊控制 SM2=1,允許多機通訊。多機通訊規(guī)定，在方式2、方式3的情況下，接收第9位數(shù)據(jù)D8=1，表示本幀為地址值，若D8=0，表示本幀為數(shù)據(jù)值，不使RI=1。在方式1的情況下，按接收到有效的停止位時，使RI=1。 SM2=0，在方式0時，必須使SM2=0REN：允許串行接收控制位 REN=1，允許接收信息 REN=0，不允許接收信息TB8：是工作方式2、工作方式3中，發(fā)送的第9位數(shù)據(jù)。它既可以作為數(shù)據(jù)的奇偶校驗位，也可以作為多機通訊中的地址幀或數(shù)據(jù)幀的標志。RB8

12、: 是工作方式2、工作方式3中，接收的第9位數(shù)據(jù)。它既可以作為約定的奇偶校驗位，也可以作為多機通訊中的地址幀或數(shù)據(jù)幀的標志。在工作方式1中，當(dāng)SM2=0時，RB8的內(nèi)容是已接收到的停止位。在工作方式0中，不使用RB8。TI:發(fā)送中斷標志位。在工作方式0時，發(fā)送完8位數(shù)據(jù)后，由硬件置TI=1，向CPU申請發(fā)送中斷。CPU在響應(yīng)中斷后，要由軟件置TI=0。在其它工作方式時，在發(fā)送停止位開始時由硬件置TI=1，并向CPU申請發(fā)送中斷。CPU在響應(yīng)中斷后，也要由軟件置TI=0。RI:接收中斷標志位。在工作方式0時，接收完8位數(shù)據(jù)后，由硬件置RI=1，向CPU申請接收中斷。CPU在響應(yīng)中斷后，要由軟件置

13、RI=0。在其它工作方式時，在接收停止位的中途時由硬件置RI=1，并向CPU申請發(fā)送中斷。CPU在響應(yīng)中斷后，也要由軟件置RI=0。發(fā)送中斷與接收中斷是用同一中斷源，在全雙工通訊方式中，要用軟件來判別是發(fā)送中斷請求還是接收中斷請求。串行接口的結(jié)構(gòu)接口數(shù)據(jù)位D7D6D5D4D3D2D1D0PCONSMODGF1GF0PDIDL2. 電源控制寄存器PCON 電源控制寄存器PCON的地址為87H，沒有位尋址功能。可以對單片機實現(xiàn)電源控制管理，其中有一位對串行接口的工作實現(xiàn)控制。其格式如下。第7章 串行接口串行接口的結(jié)構(gòu)接口 其中PCON.7位SMOD，為波特率倍增位，當(dāng)SMOD=1時，使串行接口的波

14、特率加倍。其余幾位用于電源的控制。 通過對串行接口控制寄存器SCON的SM0、SM1二位的設(shè)定，可以定義串行接口的4種工作方式。1.工作方式0 串行接口工作方式0為同步移位寄存器輸入輸出方式，波特率是固定的，為f0SC/12。串行數(shù)據(jù)由RXD(P3.0)端輸入輸出，同步移位脈沖由TXD(P3.1)端輸出，發(fā)送、接收8位數(shù)據(jù)，低位在先。工作方式0不能用于串行同步通訊中，主要是使串行端口和外接的移位寄存器結(jié)合起來擴展單片機的并行輸入輸出端口。 當(dāng)要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入串行口發(fā)送緩沖器SBUF時，串行口將8位數(shù)據(jù)從RXD端輸出，以工作方式0發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送完數(shù)據(jù)后置中斷標志TI=1，TXD端輸出同步脈沖。

15、一幀數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，各控制端均恢復(fù)原狀態(tài)，只有TI保持高電平，呈中斷申請狀態(tài)。在下一次發(fā)送數(shù)據(jù)前，須由軟件將TI清零。 當(dāng)要接收數(shù)據(jù)時，在REN=1、RI=0的條件下，便啟動串行口接收數(shù)據(jù)。此時RXD為串行輸入端，TXD為同步脈沖輸出端。接收到一幀數(shù)據(jù)后，置中斷標志RI=l，呈中斷申請狀態(tài)，再次接收數(shù)據(jù)，須由軟件將TI清零。第7章 串行接口串行接口的工作方式2.工作方式1 串行接口工作方式1為8位異步通訊接口，傳送-幀數(shù)據(jù)有1O位，1位起始位(低電平信號)，8位數(shù)據(jù)位(先低位后高位)，1位停止位(高電平信號)。其格式如下：串行接口的結(jié)構(gòu)接口起始位 8位數(shù)據(jù) 停止位0D0 D1 D2 D3 D4

16、D5 D6 D71 當(dāng)把8位數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖器SBUF，便啟動串行接口發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)由TXD端輸出。串行接口能夠自動地在數(shù)據(jù)的前后插入1位起始位和1位停止位，組成10位一幀的數(shù)據(jù)，在發(fā)送移位脈沖的作用下依次從TXD端發(fā)送。8位數(shù)據(jù)發(fā)送后，在停止位開始時使TI=1，通知CPU發(fā)送下一幀數(shù)據(jù)。發(fā)送時的移位時鐘是由定時器T1送達的溢出信號經(jīng)16或32分頻(由SM0D位決定)取得，所以波特率是可變的。 在REN=1時，接收器以所選波特率的16倍速采樣RXD端的狀態(tài)，接收移位脈沖的頻率和發(fā)送頻率相同。在沒有信號到來之前，RXD端狀態(tài)為1。當(dāng)采樣到RXD端從1到0的跳變時就啟動接收器接收，先復(fù)位內(nèi)部16位

17、分頻計數(shù)器，實現(xiàn)時間同步。在接收過程中，接收到的值是3次采樣中至少二次相同的值，以保證輸入的數(shù)據(jù)可靠無誤。 接收完一幀數(shù)據(jù)后，在RI=0、SM2=0或接收到的停止位為1，則接收數(shù)據(jù)有效，將接收移位寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)裝入SBUF中，停止位裝入SCON寄存器的RB8中，并置RI=1。若不能滿足RI=0、SM2=0或接收到的停止位為1的條件，則接收的數(shù)據(jù)丟失。中斷標志RI必須由軟件清零。3.工作方式2 串行接口工作方式2為9位異步通訊接口，傳送-幀數(shù)據(jù)有11位，1位起始位(低電平信號)，8位數(shù) 據(jù)位(先低位后高位)，1位可編程位，1位停止位(高電平信號)。其格式如下：串行接口的結(jié)構(gòu)接口起始位 9位數(shù)據(jù)

18、停止位0D0D1D2D3D4D5D6D7TB81 發(fā)送時可編程位TB8根據(jù)需要設(shè)置為0或1，TB8既可以作為多機通訊中的地址標志位，也可以作為數(shù)據(jù)的奇偶校驗位，在接收數(shù)據(jù)時，可編程位送入SCON寄存器中的RB8位。在工作方式2下，波特率只有二種：f0SC/64和f0SC/32，由SMOD的值決定。 發(fā)送時，數(shù)據(jù)由TXD端輸出，第九位數(shù)據(jù)是SCON中的TB8，數(shù)據(jù)寫入SBUF后，即啟動發(fā)送器發(fā)送。發(fā)送完一幀信息后，置TI=1，要發(fā)送下一幀信息前，TI必須由軟件清零。 在REN=1時，數(shù)據(jù)由RXD端輸入，共接收11位數(shù)。接收器以波特率的16倍的速率采樣RXD的電平，在檢測到RXD的電平從高到低的負

19、跳變時，啟動接收器接收信息。在接收過程中，若檢測到的起始位值不是0，則復(fù)位接收器，在接收到RXD端的下一個負跳變信號時重新啟動接收器。若檢測到的起始位值是O，開始接收本幀的信息。在接收完一幀信息后，且RI=0、SM2=0或接收到的第九位數(shù)據(jù)為1時，8位數(shù)據(jù)寫入接收緩沖器，第九位數(shù)據(jù)寫入SCON寄存器的RB8，并置TI=1，若上述條件不滿足時，接收的數(shù)據(jù)丟失，也不置TI=1。4.工作方式3 串行接口工作方式3也是9位異步通訊接口，傳送-幀數(shù)據(jù)有11位，1位起始位(低電平信號)，8位數(shù)據(jù)位(先低位后高位)，1位可編程位，1位停止位(高電平信號)。但波特率與工作方式2不同，只有一種。 串行接口的結(jié)構(gòu)

20、接口第7章 串行接口 MCS一51單片機的串行通信波特率是隨著串行口的工作方式不同而不同。波特率除了與單片機系統(tǒng)的振蕩頻率fosc、電源控制寄存器PCON的SM0D位有關(guān)外，還與定時器T1的設(shè)置狀態(tài)有關(guān)。只有正確進行波特率的設(shè)置才能使單片機正常工作。第7章 串行接口7.3 串行接口的波特率1. 四種工作方式下的波特率計算 串行口工作方式O時：波特率固定不變，它與系統(tǒng)的振蕩頻率fosc的大小有關(guān)，其值為fosc/12。串行口工作方式2時：波特率有兩種固定值。 當(dāng)SM0D=1時，波特率=2SM0D/64fosc=fosc/32 當(dāng)SM0D=0時，波特率=2SM0D/64fosc=fosc/64串行

21、口工作方式1和方式3時：波特率是可變的，可以根據(jù)應(yīng)用的需要靈活地設(shè)置波特率，對于波特率的設(shè)置，關(guān)鍵是要計算定時器T1的溢出率。 波特率=2SMOD/32定時器T1的溢出率 2. 定時器T1的溢出率計算 定時器的溢出率是指在1秒鐘內(nèi)進行計數(shù)產(chǎn)生溢出的次數(shù)。定時器的溢出率與定時器的工作模式有關(guān)，可以改變單片機內(nèi)部的特殊功能寄存器TM0D中的T1方式字段中的M1、M0二位，即TM0D.5和TMOD.4位，選擇定時器工作的四種工作模式中一種進行工作。在串行口通信中，一般都使定時器T1工作在模式2，我們只討論定時器T1在工作模式2時的溢出率計算。 在定時工作方式2時，T1為8位自動裝入定時器，由TL1進

22、行計數(shù)。TL1的計數(shù)輸入來自于內(nèi)部的時鐘脈沖，每隔12個系統(tǒng)時鐘周期(個機器周期)，內(nèi)部電路將產(chǎn)生個脈沖使TL1加1，當(dāng)TL1增加到FFH時，再增加1，TL1就產(chǎn)生溢出。因此定時器T1的溢出與系統(tǒng)的時鐘頻率fosc有關(guān)，也與每次溢出后TL1重新裝載值N有關(guān)。N值越大，定時器T1的溢出率也就越大。當(dāng)N=FFH時，那么每隔12個時鐘周期，定時器T1就溢出一次。一般情況下，定時器T1溢出一次所需要的時間為： (28N)12時鐘周期=(28N)12/fosc(秒) 于是，定時器每秒所溢出的次數(shù)為：定時器T1的溢出率=fosc/(12(28N)式中的N為時間常數(shù)，即TH1的預(yù)置值。 例如，系統(tǒng)的時鐘頻率

23、fosc=12MHz，TH1的預(yù)置值N=E6H，定時器T1在工作模式2下的溢出率為：12106/12/(28E6H)38461.5次/秒第7章 串行接口7.3 串行接口的波特率3. SM0D位對波特率的影響在MCS51單片機串行通信的波特率設(shè)置中，SMOD位的選擇會影響波特率的準確性。因為：波特率=2SMOD/32定時器T1的溢出率=2SMOD/32fosc/(12(28N)所以設(shè)波特率為2400，fosc=12MHz，當(dāng)：SM0D=0時預(yù)置常數(shù)N=2562SMODfosc/(波特率3212)=2562O12106/(24003212)243=F3H將此值裝入TH1，實際的波特率為：波特率=2

24、SMODfosc/(3212(28一N)=2O12106/(3212(28F3H)2403.8由此造成的波特率誤差為：波特率誤差=(2400一2403.8)/240O=0.16%SM0D=1時預(yù)置常數(shù)N=2562SMODfosc/(波特率3212)=256212106/(24003212)230=E6H將此值裝入TH1，實際的波特率為：波特率=2SMODfosc/(3212(28一N)=212106/(3212(28E6H)2403.8由此造成的波特率誤差為：波特率誤差=(2400一2403.8)/240O=0.16%但是當(dāng)fosc=6MHz時，通過計算，有：SMOD=0時，波特率的誤差為7%

25、SMOD=1時，波特率的誤差為0.16%第7章 串行接口7.3 串行接口的波特率 所以單片機的波特率設(shè)置要考慮到SMOD和波特率大小。表7.1是常用波特率，供參考。第7章 串行接口7.3 串行接口的波特率波特率f(MHz)SMOD定 時 器 1C/T方式重置裝入值方式0最大值：1MHz12X X XX方式2最大值：375Kz 12 1 X X X方式1、3： 62.5 Kz 19.2 Kz 9.6 Kz 4.8 Kz2.4 Kz1.2 Kz137.6Hz110 Hz110 Hz 1211.0592 11.059211.059211.059211.059211.969 6 12 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 2 2 2 2 2 2 2 1FFHFDHFDHFAHF4HE8H1DH27H FEEBH7.4 串行接口的應(yīng)用 應(yīng)用MCS51單片機的串行接口，可以擴展單片機的輸入輸出端口，可以實現(xiàn)單片機之間的串行異步通信，也可以在多個單片機之間進行串行異步通信，還可以在單片機和P