第七章UART串行接口

1、第第7 7章章UART UART 串行接口串行接口 教學(xué)目的：了解80C51系列單片機(jī)UART串行接口的結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用；能夠采用查詢方式進(jìn)行串行通信。教學(xué)重點(diǎn)：1. UART串行接口的工作原理； 2. UART串行接口的4種工作方式的編 程、應(yīng)用。教學(xué)難點(diǎn)：1 .多機(jī)通信方式 2.波特率值的設(shè)置7.1 串行通信概述 在實(shí)際應(yīng)用中,不但計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備之間常常要進(jìn)行信息交換,而且計(jì)算機(jī)之間也需要交換信息,所有這些信息的交換均稱為“通信”。 通信有并行通信和串行通信兩種方式。在多微機(jī)系統(tǒng)以及現(xiàn)代測控系統(tǒng)中信息的交換多采用串行通信方式。并行通信 并行通信：所傳送數(shù)據(jù)的各位用多條數(shù)據(jù)線同時(shí)發(fā)送或接收

2、 。 并行通信控制簡單、傳輸速度快；由于傳輸線較多，長距離傳送時(shí)成本高且接收方的各位同時(shí)接收存在困難。串行通信 串行通信串行通信：所傳送數(shù)據(jù)的各位按順序一位一位地發(fā)送或接收。 串行通信的特點(diǎn)串行通信的特點(diǎn)：傳輸線少，長距離傳送時(shí)成本：傳輸線少，長距離傳送時(shí)成本低，且可以利用電話網(wǎng)等現(xiàn)成的設(shè)備，但數(shù)據(jù)的低，且可以利用電話網(wǎng)等現(xiàn)成的設(shè)備，但數(shù)據(jù)的傳送控制比并行通信復(fù)雜。傳送控制比并行通信復(fù)雜。7.1.1 同步通信和異步通信方式1 1、異異步通信步通信ASYNCASYNC（Asynchronous Data CommunicatioAsynchronous Data Communication n）

3、 異步通信是以字符（構(gòu)成的幀）為單位進(jìn)行傳輸（也稱為幀格式），字符與字符之間的間隙（時(shí)間間隔）是任意的，但每個(gè)字符中的各位是以固定的時(shí)間傳送的，即字符之間是異步的（字符之間不一定有“位間隔”的整數(shù)倍的關(guān)系），但同一字符內(nèi)的各位是同步的（各位之間的距離均為“位間隔”的整數(shù)倍）。一個(gè)字符由起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位和停止位4個(gè)部分組成。起始位為0信號(hào)占1位；其后接著的就是數(shù)據(jù)位,它可以是5位、6位、7位或8位，傳送時(shí)低位在先、高位在后；再后面的1位為奇偶校驗(yàn)位,可要也可以不要；最后是停止位,它用信號(hào)1來表示字符的結(jié)束,可以是1位、1位半或2位。p 起始位：通信線上沒有數(shù)據(jù)傳送時(shí)，為高電平（邏輯1）

4、；當(dāng)要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先發(fā)1個(gè)低電平信號(hào)（邏輯0），此信號(hào)稱為“起始位”，表示開始傳輸1幀數(shù)據(jù)。p 數(shù)據(jù)位：起始位之后的位即數(shù)據(jù)位。一般從最低位開始傳送，最高位在最后。p 奇偶校驗(yàn)位：通過對數(shù)據(jù)奇偶性的檢查，可用于判別字符傳送的正確性，有3種可能的選擇，即奇、偶、無校驗(yàn)。通信雙方須事先約定是采用奇校驗(yàn)還是偶校驗(yàn)。p 停止位：表示一幀結(jié)束，用高電平（邏輯1）表示。停止位可以是1、1.5或2位。 例如，采用串行異步通信方式傳送ASCII碼字符5，規(guī)定為7位數(shù)據(jù)位，1位偶校驗(yàn)位，1位停止位，無空閑位。 由于5的ASCII碼為35H，其對應(yīng)7位數(shù)據(jù)位為0110101，如按低位在前、高位在后順序排列應(yīng)為1

5、010110。前面加1位起始位，后面配上偶校驗(yàn)位1位0，最后面加1位停止位1，因此傳送的字符格式為0101011001，其對應(yīng)的波形如圖所示。傳送ASCII碼字符5的波形圖 在串行異步傳送中,CPU與外設(shè)之間事先必須約定：字符格式。 雙方要事先約定字符的編碼形式、奇偶校驗(yàn)形式及起始位和停止位的規(guī)定。例如用ASCII碼通信，有效數(shù)據(jù)為7位,加1個(gè)奇偶校驗(yàn)位、1個(gè)起始位和1個(gè)停止位共10位。當(dāng)然停止位也可大于1位。波特率(Baudrate)。 波特率就是數(shù)據(jù)的傳送速率,即每秒鐘傳送的二進(jìn)制位數(shù),單位為位/秒。 異步通信的特點(diǎn)：不要求收發(fā)雙方時(shí)鐘的嚴(yán)格一致，實(shí)現(xiàn)容易，設(shè)備開銷較小，但每個(gè)字符要附加2

6、3位用于起止位，各幀之間還有間隔，因此傳輸效率不高。2 2、同步通信、同步通信SYNCSYNC（Synchronous Data CommunicationSynchronous Data Communication） 在異步傳送中,每1個(gè)字符都要用起始位和停止位作為字符開始和結(jié)束的標(biāo)志,占用了一定的時(shí)間。為了提高傳送速度,有時(shí)就去掉這些標(biāo)志,而采用同步傳送,即1次傳送1組數(shù)據(jù)。在這1組數(shù)據(jù)的開始處要用同步字符SYN（12個(gè)）來加以指示,實(shí)現(xiàn)發(fā)送端和接收端同步。一旦檢測到約定同步字符，下面就連續(xù)、順序地發(fā)送和接受數(shù)據(jù)。 同步通信時(shí)要建立發(fā)送方時(shí)鐘對接收方時(shí)鐘的直接控制，使雙方達(dá)到完全同步。此時(shí)

7、，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(shí)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。 同步通信所傳輸?shù)囊粠瑪?shù)據(jù)可以是任意位。所以傳輸?shù)男瘦^高，但實(shí)現(xiàn)的硬件設(shè)備比異步通信復(fù)雜。7.1.2 串行通信的數(shù)據(jù)傳送速率 傳送速率是指數(shù)據(jù)傳送的速度。 在串行通信中數(shù)據(jù)傳送速率的單位用波特率（Baud rate）表示，其意義是每秒鐘傳送多少位二進(jìn)制數(shù)。單位為b/s或bps 波特率與字符的傳送速率(字符/秒)之間存在如下關(guān)系： 波特率=位/字符字符/秒=位/秒 例如,假設(shè)字符傳送的速率為120字符/秒,而每1個(gè)字符為10位,那么傳送的波特率為：10位/字符120字符/秒=1200

8、位/秒=1200波特 每1位二進(jìn)制位的傳送時(shí)間Td就是波特率的倒數(shù)，例如上例中： Td=1/1200=0.833ms7.1.3 串行通信的方式串行通信的數(shù)據(jù)傳送方向有3種形式。單工（Simplex）：只允許單方向傳送，只需一條數(shù)據(jù)線。半雙工（Half Duplex） ：接收和發(fā)送分時(shí)雙向進(jìn)行，只需一條數(shù)據(jù)線。全雙工（Full Duplex） ：甲、乙兩機(jī)之間數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收可以同時(shí)進(jìn)行，通信必須使用二根數(shù)據(jù)線 。圖7-2 通信方式示意圖7.1.4 通信協(xié)議 計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的一些約定，包括通信方式、幀格式、波特率、命令碼的約定等 。7.2 80C51串行口簡介 80C51的串行口是一個(gè)

9、可編程的全雙工串行通信接口，通過軟件編程它可以做通用異步接收和發(fā)送器UART（Universal Asynchronous ReceiverTransmitter），也可做同步移位寄存器用。其幀格式可設(shè)置8位、10位或11位，并能設(shè)置不同的波特率 。7.2.1 串行口結(jié)構(gòu)與工作原理圖 73 串行口結(jié)構(gòu)框圖 主要由接收與發(fā)送緩沖寄存器SBUF、輸入移位寄存器以及串行控制寄存器SCON等組成。 波特率發(fā)生器可以利用定時(shí)器T1或T2控制發(fā)送和接收的速率。 SCON用于存放串行口的控制和狀態(tài)信息。 發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖寄存器SBUF用于存放準(zhǔn)備發(fā)送出去的數(shù)據(jù)；接收數(shù)據(jù)緩沖寄存器SBUF用于接收由外部輸入到輸入

10、移位寄存器中的數(shù)據(jù)。 80C51串行口正是通過對上述專用寄存器的設(shè)置、檢測與讀取來管理串行通信。 串行口的接收發(fā)送操作：首先對串行口初始化。發(fā)送時(shí)CPU寫SBUF ，一方面修改發(fā)送寄存器，同時(shí)啟動(dòng)數(shù)據(jù)串行發(fā)送到TXD端，發(fā)送完畢后置標(biāo)志位TI；接收時(shí)置允許接收位REN才開始接受操作，接受完畢置位RI，這時(shí)CPU可以讀SBUF，即讀接收到的數(shù)據(jù)。 發(fā)送操作：數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖寄存器SBUF（99H），串行口即把8位數(shù)據(jù)以fosc 12 波特率從RXD端送出（低位在前）， TXD端送出同步移位脈沖，發(fā)送完后置中斷標(biāo)志TI=1。MOV TMOD, #00HMOV SBUF, #dataJNB TI,

11、$CLR TIRET 接收操作：REN是串行口接收器允許接收控制位。當(dāng)RI=0，軟件置REN為1時(shí)，即開始從RXD端以fosc 12波特率輸入數(shù)據(jù)（低位在前）， TXD端送出同步移位脈沖，當(dāng)接收到8位數(shù)據(jù)時(shí)，置中斷標(biāo)志RI=1。RECV：MOV TMOD，#00H CLR RI SETB REN JNB RI， $ MOV A，SBUF CLR RI RET7.2.2 串行口寄存器 與串行口工作有關(guān)的寄存器有6個(gè)：串行口控制寄存器SCON、接收與發(fā)送緩沖寄存器SBUF、電源控制寄存器PCON、中斷允許控制寄存器IE、中斷優(yōu)先級(jí)寄存器IP。1、串行口控制寄存器 SCON用于串行通信的方式選擇、接

12、收和發(fā)送控制，并可反映串行口的工作狀態(tài)SM0、SM1：串行方式選擇位SM2：多機(jī)通信控制位 主要用于方式2和方式3。當(dāng)接收機(jī)的SM2=1時(shí)可以利用收到的RB8來控制是否激活RI（RB80時(shí)不激活RI，收到的信息丟棄；RB81時(shí)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)入SBUF，并激活RI，進(jìn)而在中斷服務(wù)中將數(shù)據(jù)從SBUF讀走）。當(dāng)SM2=0時(shí)，不論收到的RB8為0和1，均可以使收到的數(shù)據(jù)進(jìn)入SBUF，并激活RI（即此時(shí)RB8不具有控制RI激活的功能）。通過控制SM2，可以實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信。 在方式0時(shí)，SM2必須是0。在方式1時(shí)，若SM2=1，則只有接收到有效停止位時(shí)，RI才置1。REN：允許串行接收位 由軟件置REN=1，

13、則啟動(dòng)串行口接收數(shù)據(jù)；若軟件置REN=0，則禁止接收。TB8：發(fā)送數(shù)據(jù)的第9位 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?？梢杂米鲾?shù)據(jù)的奇偶校驗(yàn)位，或在多機(jī)通信中，作為地址幀/數(shù)據(jù)幀的標(biāo)志位。在方式0和方式1中，該位未用。RB8：接收數(shù)據(jù)的第9位在方式2或方式3中，是接收到數(shù)據(jù)的第九位，雙機(jī)通信是奇偶位，多機(jī)通信是地址數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)位。 TI：發(fā)送中斷標(biāo)志位 在方式0時(shí)，當(dāng)串行發(fā)送第8位數(shù)據(jù)結(jié)束時(shí)，或在其它方式，串行發(fā)送停止位的開始時(shí)，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(biāo)志位 在方式0時(shí)，當(dāng)串行接收第8位

14、數(shù)據(jù)結(jié)束時(shí)，或在其它方式，串行接收停止位的中間時(shí)，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。復(fù)位時(shí)，SCON的所有位均清02、數(shù)據(jù)緩沖寄存器SBUF 數(shù)據(jù)緩沖寄存器SBUF實(shí)際上是2個(gè)獨(dú)立的寄存器：接收數(shù)據(jù)緩沖寄存器和發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖寄存器，采用同一個(gè)地址代碼99H,寄存器名都是SBUF。 CPU通過不同的操作指令區(qū)別這2個(gè)寄存器，CPU發(fā)出寫SBUF命令時(shí)，即向發(fā)送緩沖寄存器中裝載新的信息，同時(shí)啟動(dòng)數(shù)據(jù)串行發(fā)送，51系列單片機(jī)沒有專門的啟動(dòng)發(fā)送狀態(tài)的指令；當(dāng)CPU發(fā)出讀SBUF命令時(shí)，即讀接收緩沖寄存器的內(nèi)容。 接收寄存器是雙緩沖的,以避免

15、在接收下一幀數(shù)據(jù)之前,CPU未能及時(shí)響應(yīng)接收器的中斷,沒有把上一幀數(shù)據(jù)讀走,而產(chǎn)生兩幀數(shù)據(jù)重疊的問題。3、電源控制寄存器PCON PCON中只有一位（最高位）SMOD與串行口的工作有關(guān), 該位是串行口的波特率倍增位； SMOD=1 時(shí), 波特率加倍, 否則不加倍；復(fù)位時(shí)，SMOD=0。4、中斷允許控制寄存器IE IE用于控制與管理單片機(jī)的中斷系統(tǒng)。IE的ES位用于控制串行口的中斷:ES=0時(shí)，禁止串行口中斷；ES=1時(shí)，允許串行口中斷。5、中斷優(yōu)先級(jí)寄存器IP IP用于管理單片機(jī)中各中斷源中斷優(yōu)先級(jí)。IP的PS位用于設(shè)置串行口中斷的優(yōu)先級(jí)：PS=0時(shí)，串行口中斷為低優(yōu)先級(jí)；PS=1時(shí)，串行口中

16、斷為高優(yōu)先級(jí)。7.2.3 80C51的幀格式 80C51串行口通過編程可設(shè)置4種工作方式，三種幀格式。 方式0以8位數(shù)據(jù)為一幀，不設(shè)起始位和停止位，先發(fā)送或接收最低位。 方式1以10位為一幀傳輸，設(shè)有一個(gè)起始位“0”，8個(gè)數(shù)據(jù)位和一個(gè)停止位“1”。 方式2和3以11位為一幀傳輸，設(shè)有1個(gè)起始位“0”，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)可編程位（第九數(shù)據(jù)位）D8和1個(gè)停止位“1”。7.2.4 波特率的設(shè)置 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(jī)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(shí)器T1的溢出率來決定。 串行口的四種

17、工作方式對應(yīng)三種波特率。由于輸入的移位時(shí)鐘的來源不同，所以，各種方式的波特率計(jì)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(dāng)T1作為波特率發(fā)生器時(shí)，最典型的用法是使T1工作在自動(dòng)再裝入的8位定時(shí)器方式（即方式2，且TCON的TR1=1，以啟動(dòng)定時(shí)器）。為了避免因溢出而產(chǎn)生不必要的中斷，此時(shí)應(yīng)禁止T1中斷。這時(shí)溢出率取決于TH1中的計(jì)數(shù)值。 T1 溢出率 = fosc /12256 （TH1） 在單片機(jī)的應(yīng)用中，常用的晶振頻率為：12M

18、Hz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。7.3 串行口通信工作方式7.3.1 方式0 方式0時(shí)，串行口為同步移位寄存器的輸入輸出方式。以8位數(shù)據(jù)為一幀，發(fā)送和接收均為8位數(shù)據(jù)，低位在先，高位在后。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。波特率固定為fosc/12。主要用于擴(kuò)展并行輸入或輸出口。方式0發(fā)送 數(shù)據(jù)從RXD引腳串行輸出,TXD引腳輸出同步脈沖。當(dāng)1個(gè)數(shù)據(jù)寫入串行口發(fā)送緩沖器SBUF時(shí),串行口將8位數(shù)據(jù)以fosc/12的固定波特率從RXD引腳輸出,從低位到高位。發(fā)送完后置中斷標(biāo)志TI

19、為1,呈中斷請求狀態(tài),在再次發(fā)送數(shù)據(jù)之前,必須用軟件將TI清0。方式0接收 在滿足REN=1和RI=0的條件下,串行口處于方式0輸入。此時(shí),RXD為數(shù)據(jù)輸入端,TXD為同步信號(hào)輸出端,接收器也以fosc/12的波特率采樣RXD引腳輸入的數(shù)據(jù)信息。當(dāng)接收器接收完8位數(shù)據(jù)后，置中斷標(biāo)志RI=1為請求中斷,在再次接收之前,必須用軟件將RI清0。 在方式0工作時(shí),必須使SCON寄存器中的SM2位為“0”；TB8和RB8在方式0中也未用。 方式0發(fā)送或接收完8位數(shù)據(jù)后由硬件置位TI或RI中斷請求標(biāo)志,CPU在響應(yīng)中斷后要用軟件清除TI或RI標(biāo)志。方式0接收和發(fā)送電路7.3.2 方式1 方式1是10位通用

20、異步通信接口。TXD（P3.1）為數(shù)據(jù)發(fā)送引腳，RXD（ P3.0）為數(shù)據(jù)接收引腳，傳送一幀數(shù)據(jù)的格式如圖所示。其中1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位。 波特率是可變的, 它取決于定時(shí)器 T1 的溢出速率及SMOD的狀態(tài)。方式1的波特率=(2SMOD/32)定時(shí)器T1的溢出率方式1發(fā)送 用軟件清除 TI后, CPU執(zhí)行任何一條以 SBUF為目標(biāo)寄存器的指令, 就啟動(dòng)發(fā)送過程。數(shù)據(jù)由TXD引腳輸出。一幀信號(hào)發(fā)送完時(shí), 將置位發(fā)送中斷標(biāo)志TI=1, 向CPU申請中斷, 完成一次發(fā)送過程 用軟件置REN為1時(shí)，且RI=0，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)

21、生負(fù)跳變時(shí)，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(shí)，控制電路進(jìn)行最后一次移位。當(dāng)RI=0，且SM2=0（或接收到的停止位為1）時(shí)，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(jìn)入RB8，并置RI=1，向CPU請求中斷。方式1接收7.3.3 方式2和方式3 方式2或方式3時(shí)為11位的異步通信方式。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(shí)起始位1位，數(shù)據(jù)9位（含1位附加的第9位，發(fā)送時(shí)為SCON中的TB8，接收時(shí)為RB8），停止位1位，一幀數(shù)據(jù)為1

22、1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(shí)器T1的溢出率決定。發(fā)送 發(fā)送前，先根據(jù)通信協(xié)議由軟件設(shè)置TB8（如作奇偶校驗(yàn)位或地址數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)位），然后執(zhí)行任何一條以SBUF作為目的寄存器的寫指令即啟動(dòng)發(fā)送器，同時(shí)TB8自動(dòng)裝到發(fā)送移位寄存器的第9位位置上 ，從TXD端輸出一幀數(shù)據(jù) ，發(fā)送完畢，TI標(biāo)志=1。多機(jī)通信中，TB8=1為地址幀； TB8=0為數(shù)據(jù)幀。接收 先置位REN為1，使串行口處于允許接收狀態(tài)，同時(shí)還要將RI清0。在滿足這個(gè)條件的前提下，再根據(jù)SM2的狀態(tài)和所接收到的RB8的狀態(tài)決定是否會(huì)使RI置1，并申請中斷，接收數(shù)據(jù)。 當(dāng)SM20時(shí)，不管RB8

23、為0還是為1，RI都置1，此串行口將接收發(fā)來的信息。 當(dāng)SM21，且RB8為l時(shí)，表示在多機(jī)通信情況下，接收的信息為地址幀，此時(shí)RI置1。串行口將接收發(fā)來的地址。 當(dāng)SM21，且RB8為0時(shí)，表示接收的信息為數(shù)據(jù)幀，但不是發(fā)給本從機(jī)的，此時(shí)RI不置1，因而SBUF中所接收的數(shù)據(jù)幀將丟失。 8 位數(shù)據(jù)裝入接收緩沖器SBUF,第9位數(shù)據(jù)裝入SCON中的RB8以及置位 RI的信號(hào)只有在產(chǎn)生最后一個(gè)移位脈沖且同滿足下列兩個(gè)條件, 才會(huì)產(chǎn)生: RI=0; SM2=0或接收到的第9位數(shù)據(jù)為“1”。 上述兩個(gè)條件中任一個(gè)不滿足, 所接收的數(shù)據(jù)幀就會(huì)丟失, 不再恢復(fù)。 兩者都滿足時(shí), 第9位數(shù)據(jù)裝入 TB8, 前8位數(shù)據(jù)裝入SBUF。7.3.4 多機(jī)通信圖7-4多機(jī)通信連接圖主從多機(jī)通信的具體過程如下：(1) 使所有的從機(jī)的SM2位置1，以便接收主機(jī)發(fā)來的地址。(2) 主機(jī)發(fā)出一幀地址信息，其中包括8位需要與之通信的從機(jī)地址，第9位為1。(3) 所有從機(jī)接收到地址幀后，各自將所接收到的地址與本機(jī)地址相比較，對于地址相同的從機(jī)，使SM2位清零以接收主機(jī)隨后發(fā)來的所有信息；對于地址不符合的從機(jī)，仍保持SM2=1的狀態(tài)，對主機(jī)隨后發(fā)來的數(shù)據(jù)不予理睬，直至發(fā)送新的地址幀。(4) 主機(jī)給已被尋址的從機(jī)發(fā)送控制指令和數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)幀的第9位為0)。(5)本次通信結(jié)束后，主、從機(jī)重置SM2