物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實訓(xùn)RSRS串口通信

1、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實訓(xùn)RSRS串口通信RS232_RS485串行 能力目標(biāo)：1.掌握串行通信概念與工作原理2.能夠利用定時器1實現(xiàn)串口通信3.能夠利用獨立波特率發(fā)生器實現(xiàn)串口通信4.掌握RS232和RS485串行通信方式及應(yīng)用一、串行通信的概念 隨著多微機系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及，計算機的通信功能愈來愈顯得重要。 計算機通信是指計算機與外部設(shè)備或計算機與計算機之間的信息交換。所有這些信息的交換均稱為“通信”。并行通信與串行通信 通信的基本方式分為并行通信和串行通信兩種。 并行通信，是指數(shù)據(jù)的各位同時進(jìn)行傳送的方式。其特點是傳輸速度快，但當(dāng)距離較遠(yuǎn)，位數(shù)又多時導(dǎo)致了通信線路復(fù)雜且成本高。 串

2、行通信，是指數(shù)據(jù)一位一位的順序傳送的通信方式。其特點是通信線路簡單，只要一對傳輸線就可以實現(xiàn)通信，從而大大的降低了成本，特別適用于遠(yuǎn)距離通信，但傳送速度慢。 在多微機系統(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。并行通信與串行通信示意圖D1D2D3D4D5D6D7D01控制(選通)狀態(tài)1011111000000000T計算機計算機或外設(shè)8T計算機計算機或外設(shè)a)b)串行通信中的異步通信 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。串行通信中的異步通信 異步通信是以字符（構(gòu)成的幀）為單位進(jìn)行傳輸，字符與字符

3、之間的間隙（時間間隔）是任意的，但每個字符中的各位是以固定的時間傳送的，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）。串行通信中的異步通信 在異步數(shù)據(jù)傳送中，CPU與外設(shè)之間事先必須約好兩項事宜： 第一：字符格式。雙方要約好字符的編碼形式、奇偶校驗形式、以及起始位和停止位的規(guī)定。 第二：波特率（Baud rate）。波特率是衡量數(shù)據(jù)傳送速率的指標(biāo)，它要求發(fā)送站和接收站都要以相同的數(shù)據(jù)傳送速率工作。 通用的異步接收器/發(fā)送器UART 通用的異步接收器/發(fā)送器，簡稱UART（Universal Asynchron

4、ous Receiver/Transmitter），是串行接口的核心部件，它既能發(fā)送，由并行串行輸出；又能接收，由串行并行輸入。對每一方來說都是一個雙緩沖器結(jié)構(gòu)。 當(dāng)UART接收數(shù)據(jù)時，串行數(shù)據(jù)先經(jīng)RXD端（Receiver Data）進(jìn)入移位寄存器，再經(jīng)移位寄存器輸出并行數(shù)據(jù)到緩沖器，最后通過數(shù)據(jù)總線送到CPU；當(dāng)UART發(fā)送信息時，先由CPU經(jīng)數(shù)據(jù)總線將并行數(shù)據(jù)送給緩沖器，再由并行緩沖器送給一位寄存器，最后逐位由TXD（Transmitter Data）端輸出。所有這些工作都是在時鐘信號和其他控制信號作用下完成的。通用的異步接收器/發(fā)送器UARTWRRESETCONTROLTXC奇偶錯溢出

5、錯幀錯RXCTBEDATA BusRXDTXDRDCSINOUTPEOEFE接收移位寄存器接收數(shù)據(jù)緩沖器發(fā)送緩沖器空發(fā)送移位寄存器發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖器INTUARTUART內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖示意圖二、STC12C5A60S2單片機的串行口 STC12C5A60S2單片機具有2個采用UART工作方式的全雙工串行通信接口（串口1和串口2）。每個串口由2個數(shù)據(jù)緩沖器、1個移位寄存器、1個串行控制寄存器和一個波特率發(fā)生器等組成。每個串口的數(shù)據(jù)緩沖器由串行接收緩沖器和發(fā)送緩沖器構(gòu)成，它們在物理上是獨立的，既可以接收數(shù)據(jù)也可以發(fā)送數(shù)據(jù)，還可以同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。二、STC12C5A60S2單片機的串行口 接

6、收緩沖器只能讀出，不能寫入，而發(fā)送緩沖器則只能寫入，不能讀出。它們共用一個地址號。STC12C5A60S2的串行口既可以用于串行異步通信，也可以構(gòu)成同步移位寄存器。如果在串行口的輸入/輸出引腳上加上電平轉(zhuǎn)換器，可以方便地構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)的RS-232接口。串口1與傳統(tǒng)8051單片機的串口完全兼容。串口2的結(jié)構(gòu)、工作原理與串口1類似。STC12C5A60S2單片機的串行口 對于具有串口2的STC12C5A60S2單片機，串口2只能使用獨立波特率發(fā)生器作為波特率發(fā)生器，不能夠選擇定時器1作為波特率發(fā)生器；串口1可以選擇定時器1作為波特率發(fā)生器，也可以選擇獨立波特率發(fā)生器作為波特率發(fā)生器。1.選擇定時器1作

7、為波特率發(fā)生器 定時器1作為波特率發(fā)生器時只能用在串口1中。 與串行接口1相關(guān)的寄存器：與串行口1相關(guān)的特殊功能寄存器 串口1控制寄存器SCON SCON（地址為98H，復(fù)位值為00H）用于確定串行通道的操作方式和控制串行通道的某些功能。也可用于發(fā)送和接收第九個數(shù)據(jù)位（TB8、RB8），并設(shè)有接收和發(fā)送中斷標(biāo)志（RI及TI）位。與串行口1相關(guān)的特殊功能寄存器 SM0和SM1為工作方式選擇位，可選擇四種工作方式：與串行口1相關(guān)的特殊功能寄存器 SM2:多機通信控制位，主要用于方式2和方式3。 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。 TB

8、8:在方式2或方式3中，是發(fā)送數(shù)據(jù)的第九位 RB8:在方式2或方式3中，是接收到數(shù)據(jù)的第九位與串行口1相關(guān)的特殊功能寄存器 TI:發(fā)送中斷標(biāo)志位。 在方式0時，當(dāng)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(biāo)志位。 在方式0時，當(dāng)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。與串行口1相關(guān)的特殊功能寄存器 串口1控制寄存器PCON PCON中只有一位

9、SMOD與串行口工作有關(guān) ： SMOD（） 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(dāng)SMOD=1時，波特率提高一倍。復(fù)位時，SMOD=0。8051串行口的工作方式 方式1是10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，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。8051串行口的工作方式 1、方式1輸出 2、方式1輸入8051串行口的工作方式 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(fù)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

10、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(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，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。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，方式1的波特率是可變的，由定時器T1的溢出率來決定。 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1的波特率 =（2SMOD/32）（T1溢出率）波特率的計算 當(dāng)T1作為波特率發(fā)生器時，最

11、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）波特率的計算 在單片機的應(yīng)用系統(tǒng)中，常用的晶振頻率為：12MHz和。常用的串行口波特率以及各參數(shù)的關(guān)系如表所示。串行口1通信初始化過程 串行口1工作之前，應(yīng)對其進(jìn)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

12、在中斷方式工作時，要進(jìn)行中斷設(shè)置（編程IE、IP寄存器）。 串口串口1 1通信例程通信例程2.獨立波特率發(fā)生器作為波特率發(fā)生器 獨立波特率發(fā)生器可以作為串口1和串口2的波特率發(fā)生器使用。 與串行接口2相關(guān)的寄存器：與串行口2相關(guān)的特殊功能寄存器 串口2控制寄存器S2CON 寄存器S2CON（地址為9AH，復(fù)位值為00H）用于確定串口2的操作方式和控制串口2的某些功能，也可用于發(fā)送和接收第9個數(shù)據(jù)位（S2TB8、S2RB8），并設(shè)有接收和發(fā)送中斷標(biāo)志（S2RI及S2TI）位。具體功能同串口1的SCON。與串行口2相關(guān)的特殊功能寄存器 數(shù)據(jù)緩沖器S2BUF 對于串口2，當(dāng)一個字符接收完畢，移位寄存

13、器中的數(shù)據(jù)字節(jié)裝入串行接收數(shù)據(jù)緩沖器S2BUF中，其第9位則裝入S2CON寄存器的S2RB8位。如果S2SM2使得已接收的數(shù)據(jù)無效，則S2RB8位和S2BUF緩沖器中的內(nèi)容不變與串行口2相關(guān)的特殊功能寄存器 輔助寄存器AUXR T0 x12和T1x12用于設(shè)置定時器0和1的速度。 BRTR：獨立波特率發(fā)生器運行控制位。 S2SMOD：UART2的波特率加倍控制位。 BRTx12：獨立波特率發(fā)生器計數(shù)控制位。 S1BRS：串口1波特率發(fā)生器選擇位。與串行口2相關(guān)的特殊功能寄存器 輔助寄存器AUXR1 S2_P4：0，缺省UART2在P1口 1，UART2從P1口切換到P4口 TxD2從P1.3

14、切換到口 RxD2從P1.2 切換到口與串行口2相關(guān)的特殊功能寄存器 獨立波特率發(fā)生器寄存器BRT 獨立波特率發(fā)生器寄存器BRT（地址為9CH，復(fù)位值為00H）用于保存重裝時間常數(shù)。 對于獨立波特率發(fā)生器BRT，1T模式是指BRTx12=1，12T模式是指BRTx12=0。12T模式時，n=1；1T模式時，n=0。此時，串行口的波特率計算公式為： 串行口的波特率串行口2的BRT計算 通過前面公式可以推導(dǎo)出BRT獨立波特率發(fā)生器溢出率計算公式。 當(dāng)工作在12T模式下：（baud是波特率）=256- (2SMOD x SYSclk / 32 / 12 / baud); 當(dāng)工作在1T模式下：=256

15、- (2SMOD x SYSclk / 32 / baud);串行口2通信初始化過程 串口2的初始化過程如下： 設(shè)置串口2的工作模式S2CON。 設(shè)置串口2的波特率相應(yīng)的寄存器和位，包括：獨立波特率發(fā)生器寄存器BRT、BRTx12和S2SMOD位。啟動BRT（置位BRTR），BRT開始計數(shù)。 設(shè)置串口2的中斷優(yōu)先級（設(shè)置PS2和PS2H，也可以不設(shè)置，取默認(rèn)值），設(shè)置打開相應(yīng)的中斷控制位（ES2和EA）。 如要串口2發(fā)送，將數(shù)據(jù)送入S2BUF。 編制串行中斷服務(wù)程序，在中斷服務(wù)程序中要設(shè)置清除中斷標(biāo)志指令（分別是接收完成標(biāo)志S2RI和發(fā)送完成標(biāo)志S2TI）。 串口串口2 2通信例程通信例程三、

16、RS232串行通信接口標(biāo)準(zhǔn) RS-232是早期為公用 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信而制定的標(biāo)準(zhǔn)，其邏輯電平與TTL/CMOS電平完全不同，在通信中必須通過電路實現(xiàn)TTL電平和RS-232電平的轉(zhuǎn)換。 邏輯“0”規(guī)定為+5+15V之間，邏輯“1”規(guī)定為-5-15V之間。由于RS-232發(fā)送和接收之間有公共地，傳輸采用非平衡模式，因此共模噪聲會耦合到信號系統(tǒng)中，標(biāo)準(zhǔn)中建議的最大通信距離為15m。RS-232C接口 RS-232C是EIA（美國電子工業(yè)協(xié)會）1969年修訂RS-232C標(biāo)準(zhǔn)。RS-232C定義了數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）與數(shù)據(jù)通信設(shè)備（DCE）之間的物理接口標(biāo)準(zhǔn)。 RS-232C接口規(guī)定使用25針連接器

17、，連接器的尺寸及每個插針的排列位置都有明確的定義。（陽頭）RS-232C引腳定義RS-232C電平轉(zhuǎn)換電路采用RS-232C接口存在的問題 1、傳輸距離短，傳輸速率低 RS-232C總線標(biāo)準(zhǔn)受電容允許值的約束，使用時傳輸距離一般不要超過15米（線路條件好時也不超過幾十米）。最高傳送速率為20Kbps。 2、有電平偏移 RS-232C總線標(biāo)準(zhǔn)要求收發(fā)雙方共地。通信距離較大時，收發(fā)雙方的地電位差別較大，在信號地上將有比較大的地電流并產(chǎn)生壓降。 3、抗干擾能力差 RS-232C在電平轉(zhuǎn)換時采用單端輸入輸出，在傳輸過程中當(dāng)干擾和噪聲混在正常的信號中。為了提高信噪比，RS-232C總線標(biāo)準(zhǔn)不得不采用比較大的電壓擺幅。RS-485串行通信接口標(biāo)準(zhǔn) RS-485是一種多發(fā)送器標(biāo)準(zhǔn)，在通信線路上最多可以使用32 對差分驅(qū)動器/接收器。如果在一個網(wǎng)絡(luò)中連接的設(shè)備超過32個，還可以使用中繼器。 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(dá)1200米，傳輸速率可達(dá)1