單片機(jī)原理及接口技術(shù)第六章

單片機(jī)原理及接口技術(shù)華中科技大學(xué)出版社2013-21第6章單片機(jī)的串行接口6.1 串行通信的概念6.251系列單片機(jī)的串行接口6.3多機(jī)通信6.4 串行接口編程舉例246關(guān)鍵詞：串行口:SerialPort串行口發(fā)送引腳：TXD,TransmitterData串行口接收引腳:RXD,ReceiverData波特率: BaudRate接收允許位：REN,ReceptionEnable發(fā)送數(shù)據(jù)位8：TB8,TransmitBit8接收數(shù)據(jù)位8：RB8,ReceiveBit8串行口控制寄存器:SCON,SerialControl電源控制寄存器:PCON,PowerControl串行緩沖器：SBUF，SerialBuffer6.1串行通信基本概念通常把計(jì)算機(jī)與外界的數(shù)據(jù)交換稱為通信通信的基本方式有2種：并行通信、串行通信串行通信：數(shù)據(jù)一位一位順序傳送(異步、同步)并行通信：數(shù)據(jù)各位同時(shí)傳送 異步通信對(duì)硬件要求較低，實(shí)現(xiàn)起來比較簡(jiǎn)單、靈活，適用于數(shù)據(jù)的隨機(jī)發(fā)送/接收，但因每個(gè)字節(jié)都要建立一次同步，即每個(gè)字符都要額外附加兩位，所以工作速度較低，在單片機(jī)中主要采用異步通信方式。1.串行數(shù)據(jù)傳送方式：異步通信和同步通信串行通信按同步方式可分為異步通信和同步通信(1)異步通信異步通信依靠起始位、停止位保持通信同步

異步通信數(shù)據(jù)傳送按幀傳輸，一幀數(shù)據(jù)包含起始位、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位和停止位。(1)USB串行并行串行 同步通信傳輸速度較快，但要求有準(zhǔn)確的時(shí)鐘來實(shí)現(xiàn)收發(fā)雙方的嚴(yán)格同步，對(duì)硬件要求較高，適用于成批數(shù)據(jù)傳送。(2)同步通信同步通信依靠同步字符保持通信同步同步通信是由1～2個(gè)同步字符和多字節(jié)數(shù)據(jù)位組成，同步字符作為起始位以觸發(fā)同步時(shí)鐘開始發(fā)送或接收數(shù)據(jù)；多字節(jié)數(shù)據(jù)之間不允許有空隙，每位占用的時(shí)間相等；空閑位需發(fā)送同步字符。2.串行通信的制式單工：廣播雙工：電話半雙工：對(duì)講機(jī)

單工制式是指甲乙雙方通信時(shí)只能單向傳送數(shù)據(jù)，發(fā)送方和接收方固定(1)單工制式（Simplex）半雙工制式是指通信雙方都具有發(fā)送器和接收器，既可發(fā)送也可接收，但不能同時(shí)接收和發(fā)送，發(fā)送時(shí)不能接收，接收時(shí)不能發(fā)送。(2)半雙工制式（HalfDuplex）發(fā)收A站發(fā)收B站

全雙工制式是指通信雙方均設(shè)有發(fā)送器和接收器，并且信道劃分為發(fā)送信道和接收信道，因此全雙工制式可實(shí)現(xiàn)甲乙雙方同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，發(fā)送時(shí)能接收，接收時(shí)也能發(fā)送。(3)全雙工制式（FullDuplex）發(fā)收A站發(fā)收B站3.波特率(BaudRate)定義：數(shù)據(jù)傳送速率，表示每秒鐘傳送二進(jìn)制代碼的位數(shù)單位：位/秒(b/s),常用bps表示(bitspersecond)含義：波特率是異步通信的重要指標(biāo)，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,在數(shù)據(jù)傳送方式確定后，以多大的速率發(fā)送/接收數(shù)據(jù)，是實(shí)現(xiàn)串行通信必須解決的問題。例：假設(shè)字符傳送速率是120字符/s,每個(gè)字符格式包含10個(gè)代碼位(1個(gè)起始位,1個(gè)停止位,8個(gè)數(shù)據(jù)位),則通信波特率為：120字符/s×10位/字符＝1200b/s每一位的傳輸時(shí)間為波特率的倒數(shù)：Td＝1/1200＝0.833ms4.MCS-51的全雙工異步串行口一個(gè)可編程全雙工串行通信接口(UART)(UniversalAsynchronousReceiver/Transmitter)可同時(shí)發(fā)送、接收數(shù)據(jù)串行輸入/輸出管腳：RXD

(P3.0),TXD

(P3.1)有四種工作方式，幀格式有8、10、11位D0D1D2D3D4D5D6D7停止位起始位D0D1D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3D4D5D6D8停止位起始位D7一幀字符發(fā)送/接收結(jié)束，置位標(biāo)志位(TI/RI)，并申請(qǐng)串行中斷中斷控制：中斷允許位ES、總允許EA中斷入口：0023H4.MCS-51的全雙工異步串行口6.251系列單片機(jī)的串行接口1.串行接口的結(jié)構(gòu)發(fā)送時(shí),只需將發(fā)送數(shù)據(jù)輸入SBUF，CPU將自動(dòng)啟動(dòng)和完成串行數(shù)據(jù)的發(fā)送；接收時(shí),CPU將自動(dòng)把接收到的數(shù)據(jù)存入SBUF，用戶只需從SBUF中讀出接收數(shù)據(jù)。2.與串行口有關(guān)的寄存器(1)串行數(shù)據(jù)緩沖器SBUF在邏輯上只有一個(gè)，既表示發(fā)送寄存器，又表示接收寄存器,具有同一個(gè)單元地址99H,用同一寄存器名SBUF在物理上有兩個(gè),一個(gè)是發(fā)送緩沖寄存器，另一個(gè)是接收緩沖寄存器MOVSBUF,A;啟動(dòng)一次數(shù)據(jù)發(fā)送,可向SBUF再發(fā)送下一個(gè)數(shù)MOVA,SBUF;完成一次數(shù)據(jù)接收,SBUF可再接收下一個(gè)數(shù)(2)串行控制寄存器SCON(98H)SCOND7D6D5D4D3D2D1D0位名稱SM0SM1SM2RENTB8RB8TIRI位地址9FH9EH9DH9CH9BH9AH99H98H功能工作方式選擇多機(jī)通信控制接收允許發(fā)送第9位接收第9位發(fā)送中斷接收中斷①SM0SM1——串行口工作方式選擇位②SM2——多機(jī)通信控制位③REN——允許接收控制位.REN=1，允許接收④TB8——方式2和方式3中要發(fā)送的第9位數(shù)據(jù)⑤RB8——方式2和方式3中要接收的第9位數(shù)據(jù)⑥TI——發(fā)送中斷標(biāo)志⑦RI——接收中斷標(biāo)志①SM0SM1——串行口工作方式選擇位。其狀態(tài)組合所對(duì)應(yīng)的工作模式如表6.2所示(P95,NP99)SM0SM1工作方式功能說明000同步移位寄存器輸入/輸出,波特率固定為fosc/120118位UART；波特率可變(T1溢出率/n，n=32或16)1029位UART，波特率固定為fosc/n，(n=64或32)1139位UART，波特率可變(T1溢出率/n，n=32或16)②SM2——多機(jī)通信控制位。在方式2和方式3中，若SM2=1，且RB8(接收到的第9位數(shù)據(jù))=1時(shí)，將接收到的前8位數(shù)據(jù)送入SBUF，并置位RI產(chǎn)生中斷請(qǐng)求；否則，將接收到的8位數(shù)據(jù)丟棄。而當(dāng)SM2=0時(shí)，則不論第9位數(shù)據(jù)為0還是為1，都將前8位數(shù)據(jù)裝入SBUF中，并產(chǎn)生中斷請(qǐng)求。在方式0時(shí)，SM2必須為0。③REN------允許接收控制位。REN位用于對(duì)串行數(shù)據(jù)的接收進(jìn)行控制：REN=0，禁止接收；REN=1，允許接收。該位由軟件置位或復(fù)位。④TB8------方式2和方式3中要發(fā)送的第9位數(shù)據(jù)。在方式2和方式3時(shí)，TB8是發(fā)送的第9位數(shù)據(jù)。在多機(jī)通信中，以TB8位的狀態(tài)表示主機(jī)發(fā)送的是地址還是數(shù)據(jù)：TB8=0表示數(shù)據(jù)，TB8=1表示地址。該位由軟件置位或復(fù)位。TB8還可用于奇偶校驗(yàn)位。⑤RB8------方式2和方式3中要接收的第9位數(shù)據(jù)。在方式2或方式3時(shí)，RB8存放接收到的第9位數(shù)據(jù)。SCOND7D6D5D4D3D2D1D0位名稱SM0SM1SM2RENTB8RB8TIRI⑥TI------發(fā)送中斷標(biāo)志。當(dāng)方式0時(shí)，發(fā)送完第8位數(shù)據(jù)后，該位由硬件置位。在其他方式下，遇發(fā)送停止位時(shí)，該位由硬件置位。因此TI=1，表示幀發(fā)送結(jié)束，可軟件查詢TI位標(biāo)志，也可以請(qǐng)求中斷。TI位必須由軟件清0。⑦RI------接收中斷標(biāo)志。當(dāng)方式0時(shí)，接收完第8位數(shù)據(jù)后，該位由硬件置位。在其他方式下，當(dāng)接收到停止位時(shí)，該位由硬件置位。因此RI=1，表示幀接收結(jié)束，可軟件查詢RI位標(biāo)志，也可以請(qǐng)求中斷。RI位也必須由軟件清0。1111111SBUF11111111RxD1RI=1接收/發(fā)送數(shù)據(jù),無論是否采用中斷方式工作,每接收/發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)都必須用指令對(duì)RI/TI清0，以備下一次收/發(fā)。(3)電源控制寄存器PCONPCOND7D6D5D4D3D2D1D0位名稱SMOD———GF1GF0PDIDLSMOD=1，串行口波特率加倍。PCON寄存器不能進(jìn)行位尋址?

SMOD：在串行口工作方式1、2、3中，是波特率加倍位=1時(shí)，波特率加倍=0時(shí)，波特率不加倍。(在PCON中只有這一個(gè)位與串口有關(guān))1.方式0(同步移位寄存器輸入輸出方式)(1)特點(diǎn)：一幀8位,無起始位和停止位RXD(P3.0):數(shù)據(jù)的輸入/輸出端,

TXD(P3.1):同步脈沖輸出端,每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)據(jù)位波特率B=fosc/12

如:fosc=12MHz,B=1MHz,每位數(shù)據(jù)占1s發(fā)送過程：寫入SBUF,啟動(dòng)發(fā)送,一幀發(fā)送結(jié)束,TI=1

接收過程：REN=1且RI=0,啟動(dòng)接收,一幀接收完畢,RI=1(2)功能：可將串行輸入輸出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行輸入輸出數(shù)據(jù)3串行口的4種工作方式(3)數(shù)據(jù)發(fā)送 在移位時(shí)鐘脈沖（TXD）的控制下，數(shù)據(jù)從串行口RXD端逐位移入74HC164A、B端。當(dāng)8位數(shù)據(jù)全部移出后，SCON寄存器的TI位被自動(dòng)置1。其后74HC164的內(nèi)容即可并行輸出。串行口作為并行輸出口使用時(shí)，要有“串入并出”的移位寄存器配合。(74HC164)(4)數(shù)據(jù)接收 串行口作為并行輸入口使用時(shí)，要有“并入串出”的移位寄存器配合。(例如74HC165)74HC165S/L端為移位/置入端，當(dāng)S/L=0時(shí)，從A～H并行置入數(shù)據(jù)，當(dāng)S/L=1時(shí)，允許從QH端移出數(shù)據(jù)。在80C51串行控制寄存器SCON中的REN=1時(shí)，TXD端發(fā)出移位時(shí)鐘脈沖，從RXD端串行輸入8位數(shù)據(jù)。當(dāng)接收到第8位數(shù)據(jù)D7后，置位中斷標(biāo)志RI，表示一幀數(shù)據(jù)接收完成2.方式1：8位數(shù)據(jù)異步通訊方式一幀10位：8位數(shù)據(jù)位,1個(gè)起始位(0),1個(gè)停止位(1)

RXD：接收數(shù)據(jù)端;TXD：發(fā)送數(shù)據(jù)端波特率：用T1作為波特率發(fā)生器，

B=(2SMOD/32)×T1溢出率發(fā)送：寫入SBUF,同時(shí)啟動(dòng)發(fā)送,一幀發(fā)送結(jié)束,TI=1(1)特點(diǎn)：D0D1D2D3D4D5D6D7停止位起始位方式1特點(diǎn)：當(dāng)REN=1，CPU開始采樣RXD引腳負(fù)跳變信號(hào)，若出現(xiàn)負(fù)跳變，才進(jìn)入數(shù)據(jù)接收狀態(tài)，先檢測(cè)起始位，若第一位為0，繼續(xù)接收其余位；否則，停止接收，重新采樣負(fù)跳變。數(shù)據(jù)采樣速率為波特率16倍頻,在數(shù)據(jù)位中間,用第7、8、9個(gè)脈沖采樣3次數(shù)據(jù)位,并3中取2保留采樣值。接收：REN=1，允許接收。接收完一幀，若RI=0且停止位為1(或SM2=0)，將接收數(shù)據(jù)裝入SBUF,停止位裝入RB8,并使RI=1,向CPU發(fā)申請(qǐng)中斷請(qǐng)求；否則丟棄接收數(shù)據(jù)，不置位RI3.方式2和方式3：9位數(shù)據(jù)異步通訊方式(1)一幀為11位：9位數(shù)據(jù)位，1個(gè)起始位(0)，1個(gè)停止位(1),第9位數(shù)據(jù)位在TB8/RB8中，常用作校驗(yàn)位和多機(jī)通訊標(biāo)識(shí)位(2)RXD：接收數(shù)據(jù)端;TXD：發(fā)送數(shù)據(jù)端(3)波特率：方式2：B=(2SMOD/64)×fosc 方式3：B=(2SMOD/32)×T1溢出率(4)發(fā)送：先裝入TB8,寫入SBUF并啟動(dòng)發(fā)送,發(fā)送結(jié)束,TI=1接收：REN=1，允許接收接收完一幀，若RI=0且第9位為1(或SM2=0)，將接收數(shù)據(jù)裝入接收SBUF，第9位裝入RB8，使RI=1；否則丟棄接收數(shù)據(jù)不置位RI3.方式2和方式3：9位數(shù)據(jù)異步通訊方式(5)方式2與3只有一點(diǎn)不同，方式2的波特率相對(duì)固定，方式3的波特率則不定(6)工作原理與方式1的不同：多一個(gè)第9位數(shù)據(jù)TB8(發(fā)送)和RB8(接收)4波特率設(shè)計(jì)(1).方式0:每個(gè)機(jī)器周期接收或發(fā)送一位數(shù)據(jù)，波特率由時(shí)鐘頻率fosc決定：B=fosc/12(2).方式2:波特率由時(shí)鐘頻率fosc和SMOD位(PCON.7)共同決定：B=(2SMOD/64)×fosc當(dāng)SMOD=0時(shí)：B=fosc/64當(dāng)SMOD=1時(shí)：B=fosc/32(3).方式1和方式3的波特率1)方式1和方式3的波特率可變，由定時(shí)器T1的溢出率和SMOD位決定：B=(2SMOD/32)×T1溢出率2)T1用作波特率發(fā)生器時(shí)，通常選用方式2，溢出率取決于計(jì)數(shù)速率和定時(shí)器的預(yù)置值3)T1選用方式2時(shí)，溢出周期為=(28-X)TM=(256

-X)×12/fosc3.方式1和方式3的波特率(4)溢出率為溢出周期的倒數(shù)(5)波特率公式為：B=(2SMOD/32)×fosc/[12×(256-X)](6)定時(shí)初值為X=256

-fosc/12×2SMOD/(32×B)=256

-2SMOD×fosc/(384B)=TH1例：假設(shè)某MCS-51單片機(jī)系統(tǒng),串行口工作于模式3,要求傳送波特率為1200Hz,作為波特率發(fā)生器的定時(shí)器T1工作在方式2時(shí),請(qǐng)求出計(jì)數(shù)初值X(TH)為多少？設(shè)單片機(jī)的振蕩頻率為6MHz因?yàn)榇锌诠ぷ饔谀Ｊ?時(shí)的波特率為當(dāng)SMOD=0時(shí),初值TH1=256-6×106/(1200×12×32/1) =242.979≈243=0F3H當(dāng)SMOD=1時(shí),初值TH1=256-6×106/（1200×12×32/2) =229.958≈230=0E6H串行口的波特率C/工作方式波特率/bpsfosc/MHZ定時(shí)器T1SMOD模式定時(shí)器初值方式01M12××××方式2375K121×××187.5K120×××方式1方式362.5K12102FFH19.2K11.059102FDH9.6K11.059002FDH4.8K11.059002FAH2.4K11.059002F4H1.2K11.059002E8H137.511.0590021DH11012001FEEBH方式00.5M6××××方式2187.5K61×××方式1方式319.2K6102FEH9.6K6102FDH4.8K6002FDH2.4K6002FAH1.2K6002F3H0.6K6002E6H110600272H556001FEEBH表6.2串行口操作模式選擇SM0SM1模式功能波特率000110110101同步移位寄存器8位UART9位UART9位UARTfOSC/12可變(T1溢出率)fOSC/64或fOSC/32可變(T1溢出率)6.3 多機(jī)通信圖6-10多機(jī)通信SM2=1SM2=1SM2=1SM2=1TB8=0,DATA=9TB8=1,ADDR=2SM2=08031803180318031TXDRXDTXDRXDTXDRXDTXDRXD1#2#3#⑴多機(jī)通信時(shí)主、從之間可雙向通信，但從機(jī)之間只能通過主機(jī)通信,不能直接通信⑶在主機(jī)傳送給從機(jī)的信息中，若TB8=1表示傳送是地址幀,當(dāng)TB8=0時(shí)，表示傳送的是數(shù)據(jù)幀⑵多機(jī)通信時(shí)主、從機(jī)串行口均工作在方式2或方式3，SM2作為多機(jī)通信的控制位。(SOCN中的SM2設(shè)置為1）多機(jī)通信⑷收到地址幀后,所有從機(jī)都進(jìn)入各自的中斷服務(wù)程序,每個(gè)從機(jī)在自己的中斷服務(wù)子程序中進(jìn)行識(shí)別：主機(jī)發(fā)出的地址號(hào)=?本從機(jī)地址號(hào)相同.相同的從機(jī)將SCON中SM2置為0，不同的從機(jī)SM2=1保持不變⑸當(dāng)主機(jī)發(fā)出數(shù)據(jù)幀(TB8=0)時(shí)：對(duì)于SM2=0的從機(jī),由于基地址號(hào)與主機(jī)發(fā)出的地址號(hào)相同,所以不管接收到第九位RB8為何值，都能激活RI，使接到的數(shù)據(jù)有效，完成主機(jī)與從機(jī)之間一對(duì)一的通信多機(jī)通信6.4串行接口編程舉例1、串行口的初始化(1)按選定串行口的操作模式設(shè)定SCON的SM0、SM1兩位二進(jìn)制編碼(2)對(duì)于操作模式2或3,應(yīng)根據(jù)需要在TB8中寫入待發(fā)送的第9位數(shù)據(jù)(3)若選定的操作模式不是模式0,還需設(shè)定接收/發(fā)送的波特率設(shè)定SMOD的狀態(tài),以控制波特率是否加倍若選定操作模式1或3,則應(yīng)對(duì)定時(shí)器T1進(jìn)行初始化以設(shè)定其溢出率串行口初始化編程格式：SIO:MOVSCON，#data;寫方式字且TI=RI=0 MOVPCON，#80H;波特率加倍 MOVTMOD，#20H;T1作波特率發(fā)生器 MOVTH1，#X;選定波特率 MOVTL1，#X SETBTR1 SETBEA ;開串行口中斷 SETBES2、串行口的應(yīng)用例6.1用8051單片機(jī)串行口外接串入—并出移位寄存器74HC164擴(kuò)展8位并行口。8位并行口的每位都接一個(gè)發(fā)光二極管（圖中僅畫3個(gè)），要求發(fā)光二極管從右到左每間隔1秒輪流顯示，并不斷循環(huán)。設(shè)發(fā)光二極管為共陰極接法，12MHz晶振。電路示意圖如圖6-11所示解：設(shè)數(shù)據(jù)串行發(fā)送采用中斷方式，顯示的延遲通過調(diào)用延遲程序DL1S來實(shí)現(xiàn)。完整程序清單如下： ORG0023H ;串行口中斷入口 AJMPSHIFT_L ;轉(zhuǎn)入串行口中斷服務(wù)程序 ORG100H ;主程序起始地址MAIN: MOVSCON,#00H;串行口方式0初始化 MOVA,#01H ;最右邊一位發(fā)光二極管先亮 SETBP1.0 ;允許并行輸出 SETBES;允許串行口中斷 SETBEA;CPU開中斷 MOVSBUF，A;開始串行輸出LOOP: SJMP$ ;等待中斷SHIFT_L: ACALLDL1S ;顯示延遲一段時(shí)間 CLRTI ;清發(fā)送中斷標(biāo)志 RLA;準(zhǔn)備左邊一位顯示 MOVSBUF,A ;再一次串行輸出 RETI ;中斷返回DL1S： MOVR7，#10 ；延時(shí)1秒子程序DL1: MOVR6，#200DL2: MOVR5,#248DL3: DJNZR5,DL3 DJNZR6，DL2 DJNZR7，DL1 RET 2872、串行口的應(yīng)用例6.2用8051單片機(jī)串行口進(jìn)行雙機(jī)通信，電路示意圖如圖6-12所示。要求將1號(hào)機(jī)片內(nèi)RAM中地址40H-4FH中的數(shù)據(jù)送到2號(hào)機(jī)，2號(hào)機(jī)將接收的數(shù)據(jù)保存在內(nèi)部RAM地址為60H-6FH的區(qū)域中。兩個(gè)單片機(jī)的串行口均工作于方式2，傳送數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)行奇偶檢驗(yàn)。288解：設(shè)數(shù)據(jù)串行發(fā)送或接收均采用查詢方式方式。1號(hào)機(jī)發(fā)送程序清單