單片機原理與應用蔡啟仲第7章串行通信與應用

單片機原理與應用蔡啟仲第7章串行通信與應用第一頁，共54頁。第7章目錄7.1數據通信的基本概念

7.1.1根據通信方式分類

7.1.2根據同步方式分類

7.1.3根據數據傳輸方向分類7.251單片機串行口

7.2.1串行口的結構

7.2.2串行口控制寄存器SCON

7.2.3電源控制寄存器PCON7.3串行口工作方式

7.3.1方式0

7.3.2方式1

7.3.3方式2和方式32第二頁，共54頁。37.4單片機串行口波特率

7.4.1波特率與字符傳輸速率

7.4.2波特率的計算7.5串行口的應用

7.5.1串行口擴展并行I/O口

7.5.2雙單片機異步串行通信

7.5.3多機通信

7.5.4RS-232總線及接口電路習題第三頁，共54頁。7.1數據通信的基本概念串行通信是信息交換的一種基本通信方式，與并行通信對應。常見應用較多的串行通信包括：

I2CSPIUSBRS232

等。第四頁，共54頁。7.1.1根據通信方式分類通信方式的基本分類包括以下兩種：并行通信和串行通信。(a)并行通信(b)串行通信數據以組的方式在多條線路上同時傳輸的通信方式。一般并行通信按照字長組織傳輸，例如51單片機的內部總線和外部總線的并行通信一般以1個字節(jié)為寬度進行。數據以位(bit，比特)方式按順序分時進行收、發(fā)數據的通信方式。并行數據發(fā)送前采用并入串出的移位寄存器；串行數據接收后采用串入并出的移位寄存器。第五頁，共54頁。7.1.2根據同步方式分類

串行通信傳輸過程中，不可避免地存在一個同步問題。發(fā)送端將數據以位的形式不斷發(fā)送，接收端如何從這一串連續(xù)的位信息流中正確的識別通信的開始與結束，這就歸屬為同步問題。

(a)同步通信(b)異步通信同步通信：面向比特(位)同步通信方式特點：通信雙方數據傳輸中，一起開始，一起結束。同步的關鍵就是發(fā)送或接收的時鐘同步，通信雙方采用同頻同相的同步時鐘信號，以固定的頻率發(fā)送和接收數據。形式：同步通信一般以信息塊為傳輸單位，因此又稱為區(qū)塊傳輸。同步通信傳輸數據幀由同步字符塊、數據塊、校驗字符塊、結束字符塊等部分組成。異步通信：面向一個字符幀(也稱為數據幀)的通信方式。特點：發(fā)送字符時，發(fā)送端發(fā)送字符幀之間時間間隔可以任意，接收端時刻做好接收準備。每一幀的數據前后設置控制字符，通信雙方的時鐘可以彼此獨立，但發(fā)送數據和接收數據的傳輸速率必須一致。

形式：異步通信的字符幀一般包括起始位、數據位、奇偶校驗位和停止位4個部分。第六頁，共54頁。異步通信

異步通信中，字符幀具備一定的格式要求，發(fā)送或接收一個數據也是以這種幀格式的形式進行，異步通信的字符幀一般包括起始位、數據位、奇偶校驗位和停止位4個部分。

(1)起始位：字符幀的開始，邏輯“0”低電平有效，1位長度，表示本字符幀的開始。(2)數據位：緊跟起始位之后，根據實際需求，可取5位、6位、7位或8位，其中低位在前，高位在后。一般情況下，字符幀采用8位數據位。(3)奇偶校驗位：緊跟數據位之后，1位長度，可選用奇校驗或偶檢驗，由用戶根據實際需要決定。(4)停止位：緊跟奇偶校驗位之后，表示結束。邏輯“1”高電平有效。停止位根據約定，可選擇1位、1.5位、2位長度。第七頁，共54頁。例7–1

采用異步通信方式連續(xù)發(fā)送字節(jié)數據“25H”(二進制00100101B)，規(guī)定1位起始位，8位數據位，1位奇校驗位，1位停止位，組成11位的字符幀，無空閑位。分析：奇校驗，而待發(fā)送字節(jié)數據25H中“1”的個數為奇數，所以此時奇偶校驗位為“0”。異步通信發(fā)送25H波形圖

第八頁，共54頁。7.1.3根據數據傳輸方向分類按照數據傳輸的方向，串行通信可分為:1.單工通信2.半雙工通信3.全雙工通信第九頁，共54頁。單工通信

實現數據的單向傳輸，即數據通過單向通道，僅能實現由發(fā)送端向接收端的傳輸，并且始終保持單一方向傳送。第十頁，共54頁。半雙工通信

實現數據的分時雙向傳輸，即數據通過雙向通道，滿足通信雙方發(fā)送端向接收端的數據傳輸，即在任一時刻，只能夠傳輸一個方向的數據。第十一頁，共54頁。全雙工通信

實現數據的雙向同時傳輸，即數據通過雙向通道，滿足雙方發(fā)送端向接收端的數據傳輸要求，實現真正意義上的兩個方向的數據同時傳送。從本質上看，全雙工通信就是兩個單工通信的組合體。第十二頁，共54頁。7.251單片機串行口51單片機內部有一個可編程的全雙工串行通信接口UART，可同時進行數據的發(fā)送和接收。RXD端(P3.0)：作為串行數據接收端TXD端(P3.1)：作為串行數據發(fā)送端第十三頁，共54頁。7.2.1串行口的結構第十四頁，共54頁。(1)

發(fā)送部分與接收部分獨立控制，分開操作。(2)

發(fā)送中斷標志位TI與接收中斷標志位RI單獨產生，但共用一個中斷申請。(3)

需要依賴于額外的波特率發(fā)生器。一般由單片機內部的定時器T1產生。(4)

具備兩個在物理上相互獨立的數據緩沖器：發(fā)送SBUF和接收SBUF，但是兩者的特殊功能寄存器字節(jié)地址相同。(5)

發(fā)送部分：并行數據轉換成串行數據通過TXD(P3.1)引腳發(fā)送；接收部分通過RXD(P3.0)引腳接收串行數據，并將串行數據轉換為并行數據進行處理。(6)

工作狀態(tài)受SCON和PCON兩個寄存器的配置決定。7.2.1串行口的結構第十五頁，共54頁。7.2.2串行口控制寄存器SCON(1)SM0和SM1—串行口工作方式選擇位

SM0SM1工作方式特點波特率00方式0同步移位寄存器固定(fOSC/12)01方式110位異步收發(fā)通信可變(波特率發(fā)生器)10方式211位異步收發(fā)通信固定(fOSC/32或fOSC/64)11方式311位異步收發(fā)通信可變(波特率發(fā)生器)第十六頁，共54頁。(2)SM2—多機通信控制位

方式0：SM2必須配置為0。方式1：發(fā)送時設置SM2無意義；接收時一般設置SM2=0，此時，不考慮接收到的停止位電平狀態(tài)。如果SM2=1，則只有收到有效的停止位時才能置位RI=1，請求中斷。

方式2和方式3：SM2的配置在接收狀態(tài)下起重要作用。

SM2=1：只有接收到第9位數據(RB8)為1時，才可以將已接收的8位數據送入SBUF，并置位RI=1，產生中斷請求，等待接收完成的處理。若接收到的第9位數據(RB8)為0時，則接收的8位數據不會送入SBUF，將被丟棄，也不會置位RI。

SM2=0：不考慮接收到的第9位數據(RB8)狀態(tài)，直接將已接收的8位數據送入SBUF，并置位RI=1，產生中斷請求，等待接收完成的處理。(SM2被定義為多機通信控制位，主要是考慮多機通信協議的規(guī)定。)(3)

REN—允許接收控制位

REN=1：允許串行口接收數據。REN=0：禁止串行口接收數據。第十七頁，共54頁。(4)

TB8—發(fā)送的第9位數據

方式0和方式1中不使用TB8。方式2和方式3中的TB8由軟件置1或清0。發(fā)送的字符幀中，TB8即發(fā)送的第9位數據。通信過程中，該位既可以作為奇偶校驗位使用，也可以在多機通信中作為聲明地址幀/數據幀使用。(5)

RB8—接收到的第9位數據

方式0：不使用RB8。

方式1：如果SM2=0，則RB8存放的是已接收的停止位。

方式2和方式3：由接收到的第9位來決定RB8是“1”還是“0”。(6)

TI—發(fā)送中斷標志位

方式0：串行發(fā)送完第8位數據時TI由硬件置1。

方式1、2

、3：發(fā)送停止位開始時由硬件置1。

TI必須通過軟件清0。(7)

RI—接收中斷標志位

方式0：串行接收完第8位數據時RI由硬件置1。

方式1、2、3：接收停止位中間時刻由硬件置1。

RI必須通過軟件清0。第十八頁，共54頁。7.2.3電源控制寄存器PCON

PCON寄存器中與串行口工作相關的部分僅涉及SMOD位。SMOD—波特率倍增位方式0：波特率固定模式，與SMOD無關。方式1、2、3：串行通信的波特率受SMOD影響，與2SMOD成正比關系。SMOD=0：串行通信波特率在設定的基礎上不倍增；SMOD=1：波特率在設定的基礎上提高一倍。第十九頁，共54頁。7.3串行口工作方式單片機串行口根據實際需要，由SCON寄存器的SM0和SM1組合設置為方式0、方式1、方式2和方式3四種工作方式。SM0SM1工作方式特點波特率00方式0同步移位寄存器固定(fOSC/12)01方式110位異步收發(fā)通信可變(波特率發(fā)生器)10方式211位異步收發(fā)通信固定(fOSC/32或fOSC/64)11方式311位異步收發(fā)通信可變(波特率發(fā)生器)第二十頁，共54頁。7.3.1方式0方式0：同步移位寄存器輸入/輸出方式，一般不用做單片機間的串行通信，而用作外部擴展移位寄存器實現串并轉換，達到擴展并行I/O口的目的。方式0數據格式：一幀數據包括8位信息，按照先發(fā)送/接收低位，后發(fā)送/接收高位的順序通信，波特率固定為fOSC/12。方式0幀格式

第二十一頁，共54頁。方式0發(fā)送

執(zhí)行指令MOVSBUF,A，單片機的TXD引腳輸出移位脈沖，RXD引腳輸出串行數據。串行口將SBUF內數據(8位)以固定的波特率(fOSC/12)按位從RXD引腳串行輸出。

方式0發(fā)送時序圖

第二十二頁，共54頁。方式0接收單片機的TXD引腳輸出移位脈沖，RXD引腳輸入串行數據。串行口以固定的波特率(fOSC/12)采樣RXD引腳的電平信息，執(zhí)行指令MOVA,SBUF讀入數據。方式0接收時序圖

第二十三頁，共54頁。7.3.2方式1方式1：波特率可變的固定8位數據的通用異步通信方式。通信數據格式：字符幀包括1位起始位(低電平)，8位數據位、1位停止位(高電平)，按照先發(fā)送/接收低位，后發(fā)送/接收高位的順序通信，波特率由具體的波特率發(fā)生器(定時器T1產生)設置決定。方式0幀格式

第二十四頁，共54頁。

執(zhí)行指令MOVSBUF,A，內部發(fā)送控制信號SEND有效，按照設置的波特率，每經過一個TX發(fā)送時鐘脈沖，產生一個移位脈沖，驅動TXD引腳依次輸出字符幀的各位信息。TXD引腳串行輸出發(fā)送起始位、8位數據，1位停止位，低位在先，高位在后，8位數據和1位停止位發(fā)送完成后，中斷標志位TI硬件置1，SEND失效。方式1發(fā)送時序圖

方式1發(fā)送第二十五頁，共54頁。

檢測RXD(P3.1)引腳上的從1到0的下降沿跳變，然后持續(xù)采樣檢測，確認起始位后，開始從RXD引腳按位接收數據，直到接收到有效的8位數據或檢測到有效的停止位，接收完成后硬件置位RI，執(zhí)行指令MOVA,SBUF，讀入接收的8位數據。方式1接收時序圖

方式1接收第二十六頁，共54頁。接收需滿足的條件(1)

結束接收時，RI=0(RI=0意味著之前接收的數據已經成功處理，接收緩沖器SUBF已空置，保證數據不沖突)。(2)SM2=0或SM2=1，接收到有效的停止位。(3)REN=1允許接收狀態(tài)。第二十七頁，共54頁。7.3.3方式2和方式3方式2：波特率固定的11位通用異步通信方式。方式3：波特率可變的11位通用異步通信方式。通信數據格式：包括1位起始位(低電平)，8位數據位、1位程控位(TB8或RB8)和1位停止位(高電平)，按照先發(fā)送/接收低位，后發(fā)送/接收高位的順序通信。方式2波特率固定為固定為fOSC/32或fOSC/64；方式3波特率由具體的波特率發(fā)生器(定時器T1產生)設置決定。方式2(方式3)幀格式

第二十八頁，共54頁。根據通信協議的約定由程序對TB8進行設置，然后再執(zhí)行指令MOVSBUF,A，啟動發(fā)送過程。發(fā)送完數據的第8位(D7)之后，由硬件自動將TB8作為第9位數據發(fā)送。發(fā)送完畢，硬件置位發(fā)送中斷標志位TI，表示發(fā)送已完成。方式2(方式3)發(fā)送時序圖

方式2(方式3)發(fā)送第二十九頁，共54頁。首先設置允許接收控制位REN=1，檢測到有效的起始位后，依次按先低位后高位的順序接收8位數據位D0~D7，再將接收的第9位數據→RB8。如果接收條件具備，硬件置位接收中斷標志位RI，表示接收已完成，然后執(zhí)行指令MOVA,

SBUF，將接收的8位數據傳輸給累加器A。方式2(方式3)接收時序圖

方式2(方式3)接收第三十頁，共54頁。(1)RI=0；(2)SM2=0或SM2=1，接收到的第9位數據RB8=1。(3)REN=1允許接收狀態(tài)。接收需滿足的條件第三十一頁，共54頁。7.4單片機串行口波特率

異步串行通信中，收發(fā)雙方之間沒有直接的同步信號，但是從數據傳輸快慢的角度看，兩者必須步調一致，才能保證數據的正確通信。因此，收發(fā)雙方對數據傳輸速率的約定，就歸結為波特率的設置。第三十二頁，共54頁。7.4.1波特率與字符傳輸速率波特率：串行口每秒發(fā)送或接收數據的位數，單位為位/秒(b/s或bps)。設發(fā)送一位所需要的時間為t秒，則波特率為1/t。常見的波特率包括1200、4800、9600、19200等。波特率越大，傳輸速率越快，單位時間內數據傳輸量就越大，效率越高。波特率是二進制位的傳輸速率，字符速率是字符幀的傳輸速率。在異步通信中，一個字符幀包括起始位、數據位、校驗位、停止位等信息，所以字符傳輸速率不等同于波特率，但兩者之間存在具體的關系。第三十三頁，共54頁。例7–2采用異步通信方式發(fā)送ASCII碼，規(guī)定字符幀格式為1位起始位，8位數據位，1位奇校驗位，2位停止位。若字符傳送速率為每秒100個字符，求該異步通信的波特率及傳送一位二進制位所需要的時間。分析：一個字符幀包括1+8+1+2=12位，即12位/幀，代入公式：波特率=100幀/秒×12位/幀=1200位/秒=1200bps。傳送一位需要時間=1/1200bps=0.833ms/位傳送一個字符需要時間=0.833ms/位*12位=9.996ms第三十四頁，共54頁。7.4.2波特率的計算

單片機串行口有四種工作方式：方式0和方式2的波特率固定，其值與系統(tǒng)振蕩頻率有關。方式1和方式3的波特率可變，其值由設定的定時器T1溢出速率確定。1.方式0的波特率方式0的波特率固定，其值為fOSC/12。例如：時鐘振蕩頻率fOSC=12MHz，則波特率為fOSC/12=1MHz。2．方式2的波特率方式2的波特率固定，其值為fOSC/32或fOSC/64。存在兩種波特率的原因是PCON寄存器中SMOD位的設置。SMOD設置為0：波特率為fOSC/64，波特率正常；SMOD設置為1：波特率為fOSC/32，波特率加倍。

第三十五頁，共54頁。方式1和方式3的波特率可變，其值由設定的定時器T1溢出速率確定。實際使用中，T1一般采用自動裝載初值的方式2。此種方式操作方便，可以避免軟件重載初值引入的誤差，從而保證波特率的穩(wěn)定。第三十六頁，共54頁。串行口工作方式波特率時鐘振蕩頻率fOSCSMOD位定時器T1工作方式初值X方式1或方式362500b/s12MHz102FFH19200b/s11.0592MHz102FDH9600b/s11.0592MHz002FDH4800b/s11.0592MHz002FAH2400b/s11.0592MHz002F4H1200b/s11.0592MHz002E8H19200b/s6MHz102FEH9600b/s6MHz102FDH4800b/s6MHz002FDH表7-2常用波特率與T1的定時初值X關系表

單片機時鐘振蕩頻率fOSC=6MHz和12MHz時，定時器T1定時初值X計算的波特率和標稱值存在一定的誤差。第三十七頁，共54頁。例7–3

51單片機時鐘振蕩頻率fOSC=11.0592MHz，T1作為波特率發(fā)生器，要求波特率為4800b/s，求定時初值X。分析：設T1工作在方式2，選擇SMOD=0。計算得到定時初值X=FAH第三十八頁，共54頁。7.5串行口的應用

7.5.1串行口擴展并行I/O口例7–4

利用51單片機的串行口與移位寄存器芯片的連接，完成一路8位并行輸出口的擴展，并行輸出數據37H。74LS164：串行輸入并行輸出的同步移位寄存器芯片。CLR：同步清除輸入端，低電平時輸出端QA~QH均鎖定為低電平。A端口和B端口：兩個串行數據輸入端，互為低電平鎖定，即當A為低電平時，B輸入不起作用，反之依然。CLK：時鐘輸入端，工作條件滿足情況下，脈沖上升沿實現QA~QH輸出端狀態(tài)的移位操作。第三十九頁，共54頁。程序

執(zhí)行MOVSUBF,A命令，8個移位脈沖后，37H出現在74LS164的QA~QH輸出端。第四十頁，共54頁。7.5.2雙單片機異步串行通信例7–5

編程實現1#單片機片內程序存儲器中的0100H~010FH單元的數據塊通過串行口發(fā)送給2#單片機，2#單片機將接收的數據依次存儲在60H~6FH的單元中。1#和2#單片機都采用頻率為fOSC=11.0592MHz的晶振，規(guī)定串行口為工作方式1，波特率為9600b/s。第四十一頁，共54頁。1#單片機程序

第四十二頁，共54頁。2#單片機程序

第四十三頁，共54頁。7.5.3多機通信多機通信：一般采用一主多從構建多機通信系統(tǒng)。多機通信中，一片單片機配置為主機M，多片單片機配置為從機S1、S2、S3…，每個從機Sx設置一個地址Ax。主機發(fā)送的信息可以被選中的從機Sx接收，任何一個從機Sx發(fā)送的信息只能夠主機M接收。即從機只能與主機通信，從機相互之間不能夠通信。

主機M發(fā)送的字符幀可以是地址幀，也可以是數據幀。地址幀指向固定的從機，數據幀包括了發(fā)往該從機的內容。根據設計，從機Sx只有接收到符合自己地址的地址幀，才能夠接收主機M之后發(fā)送的數據幀。第四十四頁，共54頁。

關鍵在于從機Sx如何識別主機M發(fā)送的是地址幀還是數據幀。

方式2或方式3：若SM2=1，工作在多機通信狀態(tài)下，僅當串行口接收到的第9位數據RB8為1時，才能將數據裝入接收緩沖器SBUF，完成一次接收過程，否則，將丟棄數據。

SM2=0：不管第9位數據RB8是0還是1，均將數據裝入接收緩沖器SBUF，完成一次接收過程。應用這個特性，便可實現多機通信。

一主多從的多機通信中，規(guī)定：接收到的第9位數據(RB8)為1：該字符幀為地址幀；當接收到的第9位數據(RB8)為0：該字符幀為數據幀。主機M首先發(fā)送地址幀由從機進行地址比對，然后從機根據比對結果對SM2進行相應設置。主機M再發(fā)送數據幀，交由成功比對地址的從機Sx處理。第四十五頁，共54頁。一主多從的多機通信的過程具體步驟如下：(1)

設置所有從機工作在方式2或方式3，置位SM2=1和REN=1(主機M設置相對自由，SM2、REN可根據需要開啟)。(2)

主機M若要發(fā)送數據給某個從機Sx，首先發(fā)送一幀以該從機Sx地址為內容的地址幀(地址幀中第9位TB8=1)。(3)

所有從機的SM2=1，處于接收地址幀狀態(tài)。此時，所有的從機接收到主機M地址幀后，將第9位載入RB8，然后將接收的8位地址與本機地址比較，只有地址相同的從機Sx設置本機SM2=0，其它保留SM2=1的狀態(tài)。(4)

被選中的從機Sx的SM2=0

，其余從機仍為SM2=1。主機M發(fā)送地址幀之后，緊接著發(fā)送一個或多個數據幀(數據幀中第9位TB8=0)，被選中的從機Sx能夠接收這些數據幀，其它從機則丟棄這些數據幀，即不會將這些數據幀的數據傳輸給SBUF。

第四十六頁，共54頁。7.5.4RS-232總線及接口電路

1.RS-232C標準接口總線

RS-232C總線標準接口(協議)的全稱是EIA-RS-232C標準，定義是“數據終端設備(DTE)和數據通訊設備(DCE)之間串行二進制數據交換接口技術標準”。其中EIA(ElectronicIndustryAssociation)代表美國電子工業(yè)協會，RS(Recommendedstandard)代表推薦標準，232是標識號，C代表RS-232的最新一次修改。RS-232C標準描述了計算機及相關設備間較低速率的串行數據通信的物理接口及協議。第四十七頁，共54頁。RS-232C接口的具體規(guī)范包括：(1)

傳輸速率與傳輸距離理論上最大傳輸速率為20Kbps，線纜最長為15米。(2)

連接形式通信距離較近時：不需要Modem，通信雙方可以直接連接，這種情況下，只需使用少數幾根信號線。(3)

信號特性采用不同邏輯電平定義區(qū)分數據線上信號電平和控制線上信號電平。數據線上信號電平規(guī)定：–3V至–15V為邏輯“1”電平，+3V至+15V為“0”電平?？刂凭€上信號電平規(guī)定：–3V至–15V為信號無效，+3V至+15V為信號有效。(4)

接口定義完整的RS-232C接口采用兩種接口模式，一種是完整的25芯D型接口，一種是9芯接口。第四十八頁，共54頁。RS-232C常用的9芯插座接口型號為DB9，主要分為公頭、母頭兩種分類。其引腳編號如圖7–22所示。D型9針插頭(DB9)引腳