《單片機(jī)及嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)及實(shí)訓(xùn)》第六章

第六章串行口模塊

6.1認(rèn)識(shí)數(shù)據(jù)通信6.2雙機(jī)串行通信6.3多機(jī)RS485串行通信6.4移位式并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)串行輸入6.5移位式串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)并行輸出6.1.1并行通信和串行通信

在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，基本的通信方式有兩種：●并行通信——所傳送的數(shù)據(jù)的各位同時(shí)發(fā)送或接收?！翊型ㄐ拧鶄魉偷臄?shù)據(jù)的各位按順序一位一位地發(fā)送或接收。在并行通信中，一個(gè)并行數(shù)據(jù)占多少二進(jìn)制數(shù)位，就需要多少根數(shù)據(jù)傳輸線，這種方式的特點(diǎn)是通信速度快，但傳輸線多，成本高，適合近距離傳輸；而串行通信僅需1~2根數(shù)據(jù)傳輸線即可，所以在長(zhǎng)距離傳送數(shù)據(jù)時(shí)，成本較低。但由于每次只能傳送一位，所以傳送速度較慢。串行通信過程中，設(shè)備之間的連接其接口通常分為兩種類型：●串行通信接口——設(shè)備之間的相互接口，它們之間距離比較長(zhǎng)，例如PC機(jī)的COM接口和USB接口等?！翊袛U(kuò)展接口——設(shè)備內(nèi)部器件之間的互相接口，常用的串行擴(kuò)展接口規(guī)范有SPI、I2C等。6.1認(rèn)識(shí)數(shù)據(jù)通信圖6-1兩種基本通信方式示意圖并行通信串行通信6.1.2異步通信和同步通信1．異步通信圖6-2異步通信的字符幀格式6.1.2異步通信和同步通信同步通信(SynchronousCommunication)是一種連續(xù)串行傳送數(shù)據(jù)的通信方式，一次通信只傳輸一幀信息。這里的信息幀和異步通信的字符幀不同，通常有若干個(gè)數(shù)據(jù)字符，如圖6-3所示。信息幀通常由同步字符SYN、數(shù)據(jù)字符和校驗(yàn)字符CRC這3部分組成。在同步通信中，同步字符可以采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)格式，也可以由用戶約定。圖6-3同步通信的信息幀格式2．同步通信

按照數(shù)據(jù)傳送方向，串行通信可分為單工(Simplex)傳送、半雙工(HalfDuplex)傳送和全雙工(FullDuplex)傳送3種制式，如圖6-4所示。圖6-4通信方向示意圖6.1.3通信方向這節(jié)內(nèi)容需完成兩個(gè)小任務(wù)：1．有兩臺(tái)AT89C51單片機(jī)甲和乙，甲機(jī)的P1口接8個(gè)開關(guān)，乙機(jī)的P1口接8個(gè)LED。甲機(jī)和乙機(jī)進(jìn)行串行通信，實(shí)現(xiàn)用甲機(jī)的8個(gè)開關(guān)來(lái)控制乙機(jī)的8個(gè)LED發(fā)光二極管的亮滅，按下開關(guān)，對(duì)應(yīng)的LED亮，否則不亮。（以T1作波特率發(fā)生器，波特率為4800bps，SMOD=0，fosc=11.0592M）2．兩個(gè)AT89C51單片機(jī)通信，甲機(jī)依次發(fā)1、3、5、7這4個(gè)數(shù)給乙機(jī)，乙機(jī)接收后在P0口外的數(shù)碼管上顯示，并把該數(shù)加2后反回給甲機(jī)，顯示在甲機(jī)P0外的數(shù)碼管上。（以T1作波特率發(fā)生器，波特率為9600bps，SMOD=0，fosc=11.0592M）6.2雙機(jī)串行通信6.2.1任務(wù)要求與效果呈現(xiàn)一、認(rèn)識(shí)單片機(jī)的串行通信口51系列單片機(jī)的串行口是一個(gè)可編程的全雙工的串行通信接口，它既可以作為串行異步通信接口，也可以作為同步移位寄存器方式下的串行擴(kuò)展接口。它有4種工作方式，分別為方式1、方式2、方式3和方式4。1、串行口的結(jié)構(gòu)和工作原理串行口的示意結(jié)構(gòu)如圖6-5所示。它主要由數(shù)據(jù)接收緩沖器SBUF、數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖器SBUF、電源控制器PCON（含SMOD位）、發(fā)送控制器、接收控制器、移位寄存器、輸出控制門等組成。接收緩沖器和發(fā)送緩沖器雖然同名，都記作SBUF，兩塊地址編號(hào)同為99H，但在物理上相互獨(dú)立的存儲(chǔ)空間，這保證了通信過程中，這兩個(gè)SBUF不會(huì)混淆。6.2.2相關(guān)知識(shí)及任務(wù)分析圖6-5串行口結(jié)構(gòu)示意圖串口發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，將待發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖器SBUF（發(fā)送SBUF只寫不讀）后，串行口會(huì)自動(dòng)地按照軟件設(shè)定的格式將待發(fā)送的數(shù)據(jù)組成數(shù)據(jù)幀，發(fā)送控制器TI按一定的時(shí)鐘頻率，通過引腳TXD(P3.1)逐位地將發(fā)送緩沖器SBUF中的并行數(shù)據(jù)輸出。輸出完一幀數(shù)據(jù)后，硬件自動(dòng)置TI=1，形成中斷請(qǐng)求，通知CPU準(zhǔn)備下一幀的發(fā)送工作。串口接收數(shù)據(jù)時(shí)，當(dāng)軟件置位REN(允許/禁止串行接收控制位)、清零RI(接收中斷標(biāo)志位)后，串行口即進(jìn)入接收狀態(tài)(接收SBUF只讀不寫)。接收控制器RI按一定的時(shí)鐘頻率，對(duì)引腳RXD(P3.0)上的輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，待接收到一個(gè)完整的字節(jié)后，就裝入接收SBUF。數(shù)據(jù)接收完，硬件自動(dòng)置RI=1，必須由軟件清零RI。2、波特率的產(chǎn)生與計(jì)算 ①波特率(BaudRate)及波特率發(fā)生器概念

波特率為每秒鐘傳送二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)，也稱為比特?cái)?shù)，單位為b/s，即位/秒。波特率用于表征數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?，波特率越高，?shù)據(jù)傳輸速率越大。但波特率和字符的實(shí)際傳輸速率不同，字符的實(shí)際傳輸速率是每秒內(nèi)所傳送的字符幀的幀數(shù)，和該字符幀格式的位數(shù)有關(guān)。在串行傳輸中，二進(jìn)制數(shù)據(jù)序列是以數(shù)字波形表示的，按照一定的時(shí)鐘節(jié)拍傳輸?shù)摹．a(chǎn)生時(shí)鐘脈沖信號(hào)的電路叫波特率發(fā)生器。時(shí)鐘頻率總是高于波特率若干倍，這個(gè)倍數(shù)稱之為波特率因子。在不同的串口工作方式下，波特率發(fā)生器的時(shí)鐘源可以來(lái)自系統(tǒng)時(shí)鐘，即由fosc決定，其波特率因子可為12、32和64；也可由單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器T1產(chǎn)生，此時(shí)T1工作在方式2，波特率隨T1初值變化而變化。如前圖6-5所示。由圖6-5，T1每溢出一次，則產(chǎn)生一個(gè)脈沖。在位SMOD的控制下，有16分頻和32分頻兩種情況，可用2^SMOD/32來(lái)表示。該分頻脈沖被送到發(fā)送控制器或接收控制器。每來(lái)一個(gè)脈沖，數(shù)據(jù)就移出或移入一位，故分頻脈沖的頻率大小就等于波特率的大小，也即波特率為：

波特率＝()×(定時(shí)/計(jì)數(shù)器1的溢出率)設(shè)定時(shí)器的初值為X，晶振頻率為，則定時(shí)器從初值溢出的的時(shí)間為：t=（256-X）×（12/），溢出率則為：/[12×（256-X）]。代入上式可得：X=256–（2^SMOD×）/（384×波特率）由于定時(shí)器初值可改變，故T1的溢出率也是可變的，同時(shí)SMOD也可以改變，故此時(shí)波特率是可變的。

②T1做波特率發(fā)生器時(shí)波特率與初值關(guān)系3、串行口相關(guān)寄存器單片機(jī)的串行口有多種方式，且波特率可以變化。這些設(shè)置由兩個(gè)特殊功能寄存器串行口控制寄存器SCON，電源及波特率選擇寄存器PCON決定。（1）串行口控制寄存器SCONSCON用來(lái)存放串行口的控制和狀態(tài)信息，根據(jù)對(duì)其寫控制字決定串口工作方式，從而決定波特率發(fā)生器的時(shí)鐘源是來(lái)自系統(tǒng)時(shí)鐘還是來(lái)自定時(shí)器T1。SCON字節(jié)地址為98H，可以位尋址。單片機(jī)復(fù)位時(shí)，所有位全為0。其格式如圖6-6所示。圖6-6串行口控制寄存器SCON●SM0SM1——串行口工作方式選擇位?？蛇x擇四種方式，如下表所示?！馭M2——多機(jī)通信控制位串行口工作在方式0時(shí),SM2必須為零。串行口工作在方式1時(shí),一般把SM2設(shè)置為零。SM2主要用于方式2和方式3下進(jìn)行多機(jī)通信的情況下，具體使用方法將在6.3節(jié)介紹?！馬EN——允許/禁止串行口接收控制位REN=1，允許接收；REN=0，禁止接收。

●TB8——第9位發(fā)送數(shù)據(jù)方式0中不使用TB8，在方式1中，TB8為停止位。在方式2和方式3時(shí)，TB8的內(nèi)容是要發(fā)送的數(shù)據(jù)格式中的第9位，其值由程序設(shè)置。在雙機(jī)通信過程中，TB8常作為奇偶校驗(yàn)位使用。在多機(jī)通信中，TB8常作為地址信息與數(shù)據(jù)信息的區(qū)別標(biāo)志?！馬B8——第9位接收數(shù)據(jù)方式0中不使用RB8，在方式1中，RB8為接收到的停止位。在方式2和方式3時(shí)，RB8存放接收到的第9位數(shù)據(jù)，代表著前8位數(shù)據(jù)的某些特征(如奇偶校驗(yàn)標(biāo)志，地址或數(shù)據(jù)標(biāo)志等)。故程序可根據(jù)RB8的狀態(tài)決定對(duì)所接收到的數(shù)據(jù)的處理?！馮I——發(fā)送中斷標(biāo)志位發(fā)送前，TI必須清零。在方式0時(shí)，8位數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，其由單片機(jī)內(nèi)部硬件自動(dòng)置1，在其它方式時(shí)，該位在一個(gè)數(shù)據(jù)幀的停止位開始發(fā)送時(shí)，由單片機(jī)內(nèi)部硬件自動(dòng)置1。故TI=1可表示為一幀發(fā)送結(jié)束的標(biāo)志，其狀態(tài)可供程序查詢或形成中斷請(qǐng)求，TI的清零由軟件完成。●RI——接收中斷標(biāo)志位

接收前，RI必須清零。在方式0時(shí)，8位數(shù)據(jù)接收完畢后該標(biāo)志位由單片機(jī)內(nèi)部硬件自動(dòng)置1。其它方式時(shí)，該位在串行口接收到停止位時(shí)由單片機(jī)內(nèi)部硬件自動(dòng)置1。所以RI=1可表示為一幀接收結(jié)束的標(biāo)志，其狀態(tài)可供程序查詢或形成中斷請(qǐng)求，RI的清零也由軟件完成。（2）電源控制寄存器PCON主要是為CHMOS型單片機(jī)的電源控制而設(shè)置的專用寄存器，字節(jié)地址為87H，不可以位尋址。如圖6-7所示。圖6-7電源及波特率選擇寄存器PCON●SMOD為串行口波特率倍增位，在方式1和方式3時(shí)，其波特率可調(diào)。若SMOD=0，波特率不倍增；若SMOD=1，則選定的波特率倍頻1倍；系統(tǒng)復(fù)位時(shí)，SMOD自動(dòng)清零。●GF1、GF0、PD、IDL這4位用于CHMOS型單片機(jī)的掉電方式控制。對(duì)于HMOS型單片機(jī)而言，該4位無(wú)定義。4、串行口中斷管理中斷允許寄存器IE中ES位是專門用于串行口中斷管理的標(biāo)志，稱之為串行口中斷允許位。當(dāng)用軟件設(shè)置ES=1時(shí)，開啟串行口中斷，否則關(guān)閉串口中斷。二、串行口的工作方式介紹1、工作方式1當(dāng)SCON中的SM0、SM1=0、1時(shí)，串行口工作在方式1下，成為波特率可調(diào)的10位通用異步串行通信接口。RXD為串行數(shù)據(jù)接收端，TXD為串行數(shù)據(jù)發(fā)送端。方式1的波特率可變，由定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T1溢出率以及SMOD(PCON.7)決定，且發(fā)送波特率與接收波特率可以不同。在方式1下的幀格式如圖6-8所示，發(fā)送1幀信息為10位，其中包含1位起始位、8位數(shù)據(jù)位（先低位后高位），1位停止位。圖6-8方式1下幀格式（1）數(shù)據(jù)發(fā)送CPU向發(fā)送SBUF寫入一個(gè)數(shù)據(jù)，便啟動(dòng)了串行口發(fā)送，串行口自動(dòng)在數(shù)據(jù)的前后分別插入1位起始位（為0）和1位停止位（為1），構(gòu)成完整一幀信息，在移位脈沖的作用下，在TXD端輸出一幀信息。先發(fā)送起始位，接著從低位開始依次輸出8位數(shù)據(jù)，最后輸出停止位，并置中斷標(biāo)志TI為1，完成一字符輸出。CPU執(zhí)行程序判斷TI=1后為TI清0，再向SBUF寫入數(shù)據(jù)，啟動(dòng)發(fā)送下一個(gè)字符。例，串口在方式1下，將P1口的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，串口設(shè)置和發(fā)送部分程序參考如下：SCON=0x40;//串口工作在方式1下，不接收SBUF=P1;//啟動(dòng)串口發(fā)送while(!TI);//等待發(fā)送完成TI=0;//發(fā)送完成后清TI（2）數(shù)據(jù)接收

REN置1允許接收，跳變檢測(cè)器以波特率16倍的速率采樣RXD引腳上電平，當(dāng)采樣到從1到0的負(fù)跳變時(shí)，確認(rèn)是起始位“0”，就開始接收一幀數(shù)據(jù)，在接收移位脈沖的控制下，把收到的數(shù)據(jù)一位一位移入接收移位寄存器中，直到8位數(shù)據(jù)全部接收完畢。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)裝入接收SBUF中，停止位裝入SCON寄存器的RB8中，并置RI=1。否則，接收數(shù)據(jù)丟失。中斷標(biāo)志RI必須由軟件清零。例，在方式1下，將串口接收到的數(shù)據(jù)送P1口，軟件中串口的設(shè)置和接收部分程序可以參考如下：SCON=0x50;//串口工作在方式1，啟動(dòng)接收while(!RI);//等待接受完畢P1=SBUF;//接收到的數(shù)據(jù)送P1口RI=0;//清接收中斷標(biāo)志（3）方式1下的波特率在方式1，波特率發(fā)生器產(chǎn)生的波特率是可變的，其值由T1的溢出率和PCON中的SMOD位共同決定。公式為：常需在波特率確定的情況下，計(jì)算T1在方式2下的初值。其計(jì)算公式如下：2、串行口的工作方式2和工作方式3SCON中的SM0、SM1=1、0時(shí)，串行口工作在方式2；當(dāng)SM0、SM1=1、1時(shí)，串行口工作在方式3。方式2和方式3都為11位異步通信接口，傳送的幀信息為11位，1位起始位（低電平信號(hào)），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(shí)為SCON中的TB8，接收時(shí)為SCON中的RB8），1位停止位（高電平信號(hào)）。附加的第9位數(shù)據(jù)TB8，由軟件置位或清零，可作為多機(jī)通信中地址/數(shù)據(jù)信息的標(biāo)志位，也可作為數(shù)據(jù)的奇偶校驗(yàn)位。數(shù)據(jù)格式如圖6-9所示。圖6-9方式2、3的數(shù)據(jù)格式（1）方式2和方式3數(shù)據(jù)的傳輸CPU向發(fā)送SBUF寫入一個(gè)數(shù)據(jù)后，啟動(dòng)發(fā)送；同時(shí)將TB8寫入輸出移位寄存器的第9位。雙機(jī)通信中，一般TB8中存放的是奇偶校驗(yàn)位。先發(fā)送起始位0，接著從低位開始依次發(fā)送SBUF中的8位數(shù)據(jù)，再發(fā)送SCON中的TB8最后發(fā)送停止位，發(fā)送完一幀信息后由硬件置TI=1。CPU判斷TI=1以后自動(dòng)清零，再向TB8和SUBF寫入新的數(shù)據(jù)后發(fā)送。（2）方式2和方式3數(shù)據(jù)的接收

REN=1時(shí)，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(cè)到電平從高到低的負(fù)跳變時(shí)，啟動(dòng)接收器接收信息。在接受過程中，若檢測(cè)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(gè)負(fù)跳變信號(hào)時(shí)重新啟動(dòng)接收器。雙機(jī)通信中，SM2置0，8位數(shù)據(jù)寫入接收緩沖器，第9位數(shù)據(jù)寫入SCON寄存器的RB8，并置TI=1。

●方式2下串行口的波特率有倍頻和不倍頻二種選擇，由位SMOD決定。SMOD=1，fosc/32（倍頻）；SMOD=0，fosc/64（不倍頻）。

●方式3下串行口的波特率的確定與方式1完全相同。（3）方式2和方式3下波特率3．RS-232C通信接口

由于RS-232C是用正負(fù)電壓（有效電平在±(3～15)V之間）來(lái)表示邏輯狀態(tài)，與TTL以高低電平表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定不同。為了能夠同計(jì)算機(jī)接口或終端的TTL器件連接，必須在EIA-RS-232C與TTL電路之間進(jìn)行電平和邏輯關(guān)系的變換。目前最常見的集成電路轉(zhuǎn)換器件為MAX232芯片，可完成TTL和RS-232C的雙向電平轉(zhuǎn)換。其引腳及內(nèi)部框圖見下圖6-10所示。

4．任務(wù)分析對(duì)于這兩個(gè)任務(wù)，其設(shè)計(jì)要點(diǎn)為：1）甲、乙兩機(jī)雙機(jī)通信的方式的設(shè)定：任務(wù)1中將串口分別設(shè)置為方式1、方式2和方式3三種方式，并采用單工通信；任務(wù)2采用串口方式1的雙工通信方式。希望通過比較，熟悉各方式的應(yīng)用。2）串行通信接口的編程方式：一是通過查詢標(biāo)志位TI和RI，稱為查詢方式；另一種是設(shè)置中斷允許，以TI和RI作為中斷請(qǐng)求標(biāo)志位，TI=1或RI=1均可引發(fā)中斷，稱之為中斷方式。任務(wù)1中決定采用查詢方式；任務(wù)2中采用中斷方式，讀者可通過程序?qū)@兩種方式自行比較。3）通信距離的考慮：同一電路板上，甲、乙兩機(jī)可采用直接串口通信的方式；若是較長(zhǎng)距離（15m以下）則需采用經(jīng)由MAX232通信的方式，以延長(zhǎng)通信距離。這兩種方法除了硬件差別，軟件無(wú)異。6.2.3硬件與軟件設(shè)計(jì)1、硬件設(shè)計(jì)（1）任務(wù)1硬件設(shè)計(jì)，如圖6-11和6-12所示。圖6-11未用MAX232的任務(wù)1電路圖圖6-12采用MAX232的任務(wù)1電路圖（2）任務(wù)2硬件如下圖示。2、軟件設(shè)計(jì)（1）串行口軟件設(shè)計(jì)的一般方法串行通信的編程要點(diǎn)歸納如下?！穸ê貌ㄌ芈省裉顚懣刂谱?，即對(duì)SCON寄存器設(shè)定工作方式●決定采用查詢方式或中斷方式。兩種方式的編程方法如下：查詢方式發(fā)送：發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)→查詢TI→發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)（先發(fā)后查）。查詢方式接收：查詢RI→讀入一個(gè)數(shù)據(jù)→查詢RI→讀下一個(gè)數(shù)據(jù)（先查后收）。中斷方式發(fā)送：發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)→等待中斷，在中斷中再發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)。中斷方式接收：等待中斷，在中斷中再接收一個(gè)數(shù)據(jù)。兩種方式中，發(fā)送或接收數(shù)據(jù)后都要注意用軟件清TI或RI。為保證收、發(fā)雙方的協(xié)調(diào)，除兩邊的波特率要一致外，雙方可約定以某個(gè)標(biāo)志字符作為發(fā)送數(shù)據(jù)的起始，發(fā)送方先發(fā)送這個(gè)標(biāo)志字符，待對(duì)方收到該字符并給以回應(yīng)后再正式發(fā)送數(shù)據(jù)。以上是針對(duì)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信，如果是多機(jī)通信，標(biāo)志字符就是各個(gè)分機(jī)的地址。（2）流程圖①任務(wù)1流程圖如圖6-14。②任務(wù)2流程圖本項(xiàng)目采用雙工、中斷方式。流程圖類似上圖，只不過甲機(jī)與乙機(jī)均為雙工方式，均包含發(fā)送和接收流程。請(qǐng)讀者自行畫出。圖6-14任務(wù)1流程圖6.4移位式并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)串行輸入6.4.1任務(wù)要求與效果呈現(xiàn)利用串行口方式0將8路開關(guān)的狀態(tài)用8路LED一一對(duì)應(yīng)顯示出來(lái)，若開關(guān)閉合，對(duì)應(yīng)的LED亮，否則LED滅。6.4.2相關(guān)知識(shí)及任務(wù)分析1．串行口的工作方式0在該方式下串口中的內(nèi)部結(jié)構(gòu)被定義成一個(gè)8位同步移位寄存器使用，波特率是固定的，為fosc(振蕩頻率)的1/12。該方式常用于實(shí)現(xiàn)單片機(jī)I/O端口的擴(kuò)展。其特點(diǎn)具體表現(xiàn)為：（1）必須由外接移位寄存器配合。即由串入并出移位寄存器來(lái)擴(kuò)展輸出端口；由并入串出移位寄存器來(lái)擴(kuò)展輸入端口。（2）此時(shí)引腳RXD(P3.0)固定作為數(shù)據(jù)移位的輸入端(接收時(shí))和輸出端(發(fā)送時(shí))；而引腳TXD(P3.1)則固定作為提供移位時(shí)鐘脈沖的輸出端。2．認(rèn)識(shí)移位寄存器74LS16574LS165是一片常與串口配合的，能進(jìn)行并行轉(zhuǎn)串行的IC，其各引腳排列如圖6-19，管腳功能根據(jù)內(nèi)部邏輯圖6-20可知：圖6-1974LS165