第六章89C51串行口及串行通信技術(shù)

689C51串行口及串行通信技術(shù)本講主要內(nèi)容：6-1.串行通信基礎(chǔ)知識6-2.串行口及應(yīng)用6-3.89C51單片機(jī)之間點(diǎn)對點(diǎn)通信6-4.89C51與PC機(jī)之間的通信26.1串行通信基礎(chǔ)知識6.1.1．?dāng)?shù)據(jù)通信的概念并行通信和串行通信并行通信是指數(shù)據(jù)的各位同時進(jìn)行傳送（發(fā)送或接收）的通信方式。其優(yōu)點(diǎn)是傳遞速度快；缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)有多少位，就需要多少根傳送線。并行通信在位數(shù)多、傳送距離又遠(yuǎn)時就不太適宜。串行通信指數(shù)據(jù)是一位一位按順序傳送的通信方式，它的突出優(yōu)點(diǎn)是只需一對傳送線（利用電話線就可作為傳送線），這樣就大大降低了傳送成本，特別適用于遠(yuǎn)距離通信。其缺點(diǎn)是傳送速度較低。36.1.2.串行通訊的傳輸方式傳輸方式單工全雙工半雙工(l)單工方式

●信息只能沿一個方向傳輸，而不能沿相反方向傳輸。(2)半雙工方式

●信息可以沿著兩個方向傳輸，但在指定時刻，信息只能沿一個方向傳輸。(3)全雙工方式

●信息可以同時沿著兩個方向傳輸。

456.1.3異步通信與同步通信（1）異步通信異步通信用起始位0表示字符的開始，然后從低位到高位逐位傳送數(shù)據(jù)，最后用停止位1表示字符結(jié)束，如后圖所示。一個字符又稱一幀信息。圖中，一幀信息包括1位起始位、8位數(shù)據(jù)位和1位停止位，圖中，數(shù)據(jù)位增加到9位。在C8051F單片機(jī)系統(tǒng)中，第9位數(shù)據(jù)D8可以用作奇偶校驗(yàn)位，也可以用作地址／數(shù)據(jù)幀的標(biāo)識位，D8＝1表示該幀信息傳送的是地址，D8＝0表示傳送的是數(shù)據(jù)。兩幀信息之間可以無間隔，也可以有間隔，且間隔時間可任意改變，間隔用空閑位“1”來填充。6異步通信

圖異步通信數(shù)據(jù)格式

7奇偶校驗(yàn)是一種校驗(yàn)代碼傳輸正確性的方法。根據(jù)被傳輸?shù)囊唤M二進(jìn)制代碼的數(shù)位中“1”的個數(shù)是奇數(shù)或偶數(shù)來進(jìn)行校驗(yàn)。采用奇數(shù)的稱為奇校驗(yàn)，反之，稱為偶校驗(yàn)。采用何種校驗(yàn)是事先規(guī)定好的。通常專門設(shè)置一個奇偶校驗(yàn)位，用它使這組代碼中“1”的個數(shù)為奇數(shù)或偶數(shù)。若用奇校驗(yàn)，則當(dāng)接收端收到這組代碼時，校驗(yàn)“1”的個數(shù)是否為奇數(shù)，從而確定傳輸代碼的正確性。8異步通信的優(yōu)缺點(diǎn)通常，異步通信的波特率為50～9600bit/s。異步通信的優(yōu)點(diǎn)是不需要傳送同步時鐘，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。9（2）同步通信

在同步通信中，每一數(shù)據(jù)塊開頭時發(fā)送一個或兩個同步字符，使發(fā)送與接收雙方取得同步。數(shù)據(jù)塊的各個字符間取消了起始位和停止位，所以通信速度得以提高，如圖所示。同步通信時，如果發(fā)送的數(shù)據(jù)塊之間有間隔時間，則發(fā)送同步字符填充。

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)送時鐘和接收時鐘必須保持嚴(yán)格同步。10同步串口與異步串口同步串口●具有至少一根時鐘線、1-2根數(shù)據(jù)線的串行通訊方式，利用時鐘沿對齊數(shù)據(jù)，所以此種通訊較為可靠，可以實(shí)現(xiàn)很高的通訊速率（1Mbps以上，可達(dá)Gbps級別）。SPI、IIC、都屬于同步串口。異步串口●無專門的時鐘線，只有1-2根數(shù)據(jù)線，收發(fā)雙方依據(jù)實(shí)現(xiàn)約定好的位速率確定各個數(shù)據(jù)位的時間位置，可靠性相對較差，速率在1Mbps以下。異步串口最常見的是UART，以及衍生出來的RS232、RS485等。MAXIM公司的1-WIRE總線屬于只有一根線的異步串口，如溫度傳感器DS18B20。11（3）波特率波特率（Baudrate）即調(diào)制速率，指的是信號被調(diào)制以后在單位時間內(nèi)的變化，即單位時間內(nèi)載波參數(shù)變化的次數(shù)。它是對符號傳輸速率的一種度量，1波特即指每秒傳輸1個符號。比特率：每秒鐘傳送的二進(jìn)制位數(shù)，用b/s表示（b表示bit）

波特率是指數(shù)據(jù)信號對載波的調(diào)制速率，它用單位時間內(nèi)載波調(diào)制狀態(tài)改變的次數(shù)來表示，其單位是波特（Baud）。波特率與比特率的關(guān)系是比特率=波特率X單個調(diào)制狀態(tài)對應(yīng)的二進(jìn)制位數(shù)。

126.1.4串行通信的過程及通信協(xié)議串并轉(zhuǎn)換發(fā)送時的并轉(zhuǎn)串（1）串并轉(zhuǎn)換與設(shè)備同步13接收時的串轉(zhuǎn)并14設(shè)備同步●進(jìn)行串行通信的兩臺設(shè)備必須同步工作才能有效地檢測通信線路上的信號變化，從而采樣傳送數(shù)據(jù)脈沖?！裨O(shè)備同步對通信雙方有兩個共同要求：一是通信雙方必須采用統(tǒng)一的編碼方法；二是通信雙方必須能產(chǎn)生相同的傳送速率。15（2）串行通信協(xié)議通信協(xié)議（communicationsprotocol）是指雙方實(shí)體完成通信或服務(wù)所必須遵循的規(guī)則和約定。協(xié)議定義了數(shù)據(jù)單元使用的格式，信息單元應(yīng)該包含的信息與含義，連接方式，信息發(fā)送和接收的時序，從而確保網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)順利地傳送到確定的地方。16（2）串行通信協(xié)議協(xié)議主要由以下三個要素組成：

語法： “如何講”，數(shù)據(jù)的格式、編碼和信號等級（電平的高低）。語義： “講什么”，數(shù)據(jù)內(nèi)容、含義以及控制信息。定時：速率匹配和排序。17（2）串行通信協(xié)議起始位數(shù)據(jù)位奇偶校驗(yàn)位停止位波特率設(shè)置握手信號約定187.2串行口及應(yīng)用串行接口電路的種類和型號很多。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。

1989C51具有一個全雙工串行通信接口。作用：●作為UART使用?！褡鳛橥揭莆患拇嫫饔?。功能：●擴(kuò)展IO口?！裢ㄟ^計算機(jī)串口實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的單機(jī)或多機(jī)通訊?！駥?shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)之間的點(diǎn)對點(diǎn)單機(jī)通訊。207.2.189C51串行口（1）結(jié)構(gòu)

有兩個物理上獨(dú)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?yàn)榘l(fā)送時CPU是主動的，不會產(chǎn)生重疊錯誤。

21引腳RXD（P3.0）串行數(shù)據(jù)接收端。引腳TXD（P3.1）串行數(shù)據(jù)發(fā)送端。89C51用T1作為串行通信的波特率發(fā)生器。22SCON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(biāo)志：

（2）串行口控制字及控制寄存器

SM0和SM1為工作方式選擇位，可選擇四種工作方式：

SCON23●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時可以利用收到的RB8來控制是否激活RI（RB8＝0時不激活RI，收到的信息丟棄；RB8＝1時收到的數(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，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，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?！馬EN，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。24●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?？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，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(yàn)位或地址幀/數(shù)據(jù)幀的標(biāo)志位。在方式1時，若SM2=0，則RB8是接收到的停止位。25●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?！馬I，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。26PCON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(dāng)SMOD=1時，波特率提高一倍。復(fù)位時，SMOD=0。PCON（87H）27(3)串行通信工作方式SM0SM1方式功能說明000同步方式（擴(kuò)展移位寄存器方式，用于I/O口擴(kuò)展），波特率固定（fosc／12）0118位UART，波特率可變（由T1或T2溢出率決定）1029位UART，波特率固定（fosc／64或fosc／32）1139位UART，波特率可變（由T1或T2溢出率決定）28

（3）串行通信工作方式

方式0時，串行口為同步移位寄存器的輸入輸出方式。主要用于擴(kuò)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。方式029

方式0輸入方式0接收和發(fā)送電路30串口外接74HCl64串入并出移位寄存器的接口邏輯見課本圖7-11所示。TXD輸出移位脈沖，RXD輸出數(shù)據(jù)移入74LSl64。CPU寫發(fā)送SBUF，啟動串行口從低位開始發(fā)送，經(jīng)過8個發(fā)送周期，發(fā)送SBUF的內(nèi)容移入74LSl64，并置位TI，完成一字節(jié)輸出。若fosc=12MHz，則串行輸出一位的時間是1μs，傳輸一個字節(jié)需8μs。從低位開始串行輸出，數(shù)據(jù)的低位在右高位在左，在具體應(yīng)用中應(yīng)加以注意。方式0輸出時，可以串接多個移位寄存器。31例題（例7-2）串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)（串轉(zhuǎn)并）說明本例的功能為單片機(jī)發(fā)出串行數(shù)據(jù)經(jīng)串并轉(zhuǎn)換芯片74HC164轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)，并將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)通過8只LED顯示出來。本例串口工作于模式0，移位寄存器I/O模式，串行數(shù)據(jù)由RXD發(fā)送給74HC164，TXD用于輸出移位時鐘脈沖。32電路圖33主程序voidmain(){ ucharc=0x80; SCON=0x00;//串口模式0，即移位寄存器輸入/輸出方式 while(1) { c=_crol_(c,1);//將c循環(huán)左移動一位 SBUF=c; while(TI==0);//等待發(fā)送結(jié)束 TI=0;//TI軟件置位 delay(400); }}34例7-335voidmain(){ SCON=0x10;//設(shè)為串口模式，并允許串口接收 while(1) { SH=0;//置數(shù)，讀入并行輸入口的8位數(shù)據(jù) SH=1;//移位，并口輸入被封鎖，串行轉(zhuǎn)換開始 while(RI==0);//未接收一字節(jié)等待 RI=0; P0=SBUF; //接收到的字節(jié)顯示在P0端口，顯示的值與撥碼開關(guān)對應(yīng) }}36

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。1、方式1輸出方式137方式1輸出CPU向發(fā)送SBUF寫入一個數(shù)據(jù)，即啟動發(fā)送，從TXD端輸出一幀信息，先發(fā)送起始位0，接著從低位開始依次輸出8位數(shù)據(jù)，最后輸出停止位1，并置1發(fā)送中斷標(biāo)志TI。CPU查詢TI=1后，清TI，再向SBUF寫入數(shù)據(jù)，啟動下一字符發(fā)送。也可以采用中斷方式，TI=1時向CPU產(chǎn)生中斷請求。38

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(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。39方式一輸入REN置1允許接收器接收。接收器以所選波特率的16倍的速率采樣RXD端的電平。當(dāng)檢測到RXD端輸入電平發(fā)生負(fù)跳變時，復(fù)位內(nèi)部的十六分頻計數(shù)器。計數(shù)器的16個狀態(tài)把傳送一位數(shù)據(jù)的時間分為16等分，在每位中心，即7、8、9這三個計數(shù)狀態(tài)，位檢測器采樣RXD的輸入電平，接收的值是三次采樣中至少是兩次相同的值，這樣處理可以防止干擾。如果在第1位時間接收到的值（起始位）不是0，則起始位無效，復(fù)位接收電路，重新搜索RXD端上的負(fù)跳變。接收到停止位為1時，將接收到的8位數(shù)據(jù)裝入接收數(shù)據(jù)緩沖器SBUF，置位RI，供CPU查詢或向CPU請求中斷。40方式2和方式3

方式2和方式3是9位異步串行通信方式，TXD為數(shù)據(jù)發(fā)送端，RXD為數(shù)據(jù)接收端。方式2的波特率固定為振蕩器頻率的1／64或1／32，而方式3的波特率由定時器T1或T2的溢出率確定（UART1方式3的波特率由定時器T1或T4的溢出率確定）。在方式2和方式3中，一幀信息為11位：1位起始位，8位數(shù)據(jù)位（先低位后高位），1位附加的第9位數(shù)據(jù)（發(fā)送時為SCON中的TB8，接收時為SCON中的RB8。用于奇偶校驗(yàn)和多機(jī)通信），1位停止位。數(shù)據(jù)的格式如下圖所示。

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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。

方式2和方式342

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(dāng)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(jìn)行最后一次移位，并置TI=1，向CPU請求中斷。

方式2和方式343

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(jìn)行最后一次移位。當(dāng)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(fù)跳變。方式2和方式344方式2和方式3多一附加位TB8、RB8，可用于多機(jī)通信和奇偶校驗(yàn)區(qū)別是波特率不同輸出：寫發(fā)送SBUF即啟動發(fā)送→發(fā)完置位TI輸入：置位REN→接收完后，若RI=0、SM2=0或收到的第9位為1，則置位RI→讀接收SBUF45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）（4）波特率設(shè)計46當(dāng)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/{12×[256－（TH1）]}在單片機(jī)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。4748UART使用步驟1.設(shè)置串口工作模式，SCON的SM0,SM1使其工作于模式1，REN=1使能接收。2.根據(jù)波特率計算公式設(shè)置波特率，通常選用定時器模式2（自動重裝初值定時器）比較適用。3.波特率是否需要倍速，PCON寄存器中的SMOD=1，波特率倍速。4.串口中斷，一般來講串口發(fā)送均會采用查詢模式，串口接收較多采用中斷模式,EA=1開全總中斷，ES=1開串口中斷，注意，要寫好中斷服務(wù)程序，且AT89C51的串口收發(fā)中斷共用，因此中斷服務(wù)函數(shù)中需要判斷TI與RI的值。5.向SBUF寫入數(shù)據(jù)啟動串口發(fā)送，讀SBUF可取出接收到的數(shù)據(jù)。49串行口工作之前，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）；串行口在中斷方式工作時，要進(jìn)行中斷設(shè)置（編程IE、IP寄存器）。50例

89C51單片機(jī)時鐘振蕩頻率為11.0592MHz，選用定時器T1工作模式2為波特率發(fā)生器，波特率為2400b/s，求初值。解：設(shè)波特率控制位SMOD0=0，定時器T1計數(shù)脈沖控制位T1M=0，則有：516.389C51與89C51點(diǎn)對點(diǎn)異步通信通信協(xié)議 要保證通信成功，通信雙方必須有一系列的約定，這種約定稱為通信規(guī)程或協(xié)議，只有雙方遵守協(xié)議，才能順利的進(jìn)行通信。波特率