車用單片機(jī)原理 課件 第六章　串行通信

車用單片機(jī)原理（含實(shí)驗(yàn)與實(shí)訓(xùn)）1串口通信的概念2串行通信口的結(jié)構(gòu)與相關(guān)寄存器單擊此處添加標(biāo)題單擊此處添加標(biāo)題3串口的工作方式01串口通信的概念第一節(jié)串口通信的概念

計(jì)算機(jī)與外界的信息交換稱為通信。通信的基本方式有并行通信和串行通信兩種。

（一）并行通信和串行通信

并行通信是將構(gòu)成一組數(shù)據(jù)的各位同時(shí)進(jìn)行傳送，并排傳輸，如8位數(shù)據(jù)或16位數(shù)據(jù)并行傳送。其特點(diǎn)是傳送速度快，但當(dāng)距離較遠(yuǎn)、位數(shù)較多時(shí)，會(huì)導(dǎo)致通信線路復(fù)雜且成本高。串行通信是按位進(jìn)行順序傳送，其特點(diǎn)是通信線路簡(jiǎn)單，只需一對(duì)傳輸線就可以實(shí)現(xiàn)通信，從而降低成本，特別適合于遠(yuǎn)距離通信。缺點(diǎn)是傳送速度慢。一、概述第一節(jié)串口通信的概念

第一節(jié)串口通信的概念（二）串行通信的兩種方式

串行通信可以分為兩種方式：異步通信和同步通信。MCS-51系列單片機(jī)采用異步通信方式。

異步傳送的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)在線路上的傳送不連續(xù)。傳送時(shí)數(shù)據(jù)以一個(gè)字符為單位進(jìn)行傳送。它用一個(gè)起始位表示字符的開始，用停止位表示字符的結(jié)束。一個(gè)字符又稱為一幀信息，每幀數(shù)據(jù)由起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位和停止位4部分組成。起始位為0，占1位；數(shù)據(jù)位可以是5位、6位、7位或8位，傳送時(shí)低位在先、高位在后；奇偶校驗(yàn)位占1位（也可不要）；最后是停止位，用信號(hào)1來表示一幀的結(jié)束，可以是1位、1位半或2位。字符間用空閑位填充(高電平)，用于等待傳送。第一節(jié)串口通信的概念第一節(jié)串口通信的概念（1）起始位起始位位于數(shù)據(jù)幀的開頭，用于向接收設(shè)備表示開始傳輸一幀數(shù)據(jù)，占1位，起始位始終為低電平。（2）數(shù)據(jù)位數(shù)據(jù)位在起始位之后，是通信中要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息，一般數(shù)據(jù)位的數(shù)據(jù)可以配置為5~8位，低位在前高位在后。（3）可編程位可編程位在數(shù)據(jù)位之后，用于檢驗(yàn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有無錯(cuò)誤，通常采用偶校驗(yàn)或奇校驗(yàn)，還可以用于多機(jī)通信中，。（4）停止位停止位在一幀數(shù)據(jù)的末尾，用于向接收設(shè)備表示一幀數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)束，占1位或者2位，始終為高電平，一幀數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后，可以接著再傳送起始位，開始第二幀數(shù)據(jù)傳輸，也可以等待，等待期間數(shù)據(jù)線都為高電平（空閑位）轉(zhuǎn)態(tài)，如果要傳送下一幀，只要讓數(shù)據(jù)線由高電平變?yōu)榈碗娖剑ㄆ鹗嘉唬?，接收設(shè)備就開始接收下一幀數(shù)據(jù)。第一節(jié)串口通信的概念

同步通信中數(shù)據(jù)以塊為單位連續(xù)進(jìn)行傳送，相比于異步通信，在發(fā)送開始和結(jié)束時(shí)，不需要添加啟動(dòng)位和停止位，可以提高數(shù)據(jù)傳輸速度，多用在計(jì)算機(jī)與一些高速設(shè)備之間，發(fā)送端和接收端同用一個(gè)時(shí)鐘源控制，提高通信的速率，如下圖所示。

如果發(fā)送的數(shù)據(jù)塊之間有間隔時(shí)間，則發(fā)送同步字符填充。第一節(jié)串口通信的概念二、串行通信的數(shù)據(jù)傳送方向按照信號(hào)傳輸?shù)姆较蚝屯瑫r(shí)性，一般把傳送方式分為單工方式、半雙工方式和全雙工方式3種。如下圖所示：其中：A端為發(fā)送站，B端為接收站。第一節(jié)串口通信的概念（1）單工方式：通信雙方一方固定為發(fā)送方，另一方固定為接收方，數(shù)據(jù)只能是單向傳輸；

（2）半雙工方式：通信雙方只使用一根數(shù)據(jù)線，每一方都有發(fā)送器和接收器，可以在兩個(gè)方向上傳送，但通信雙方不能同時(shí)接收或發(fā)送數(shù)據(jù)，只能交替進(jìn)行；（3）全雙工方式：通信雙方使用兩根數(shù)據(jù)線，分別用于不同方向的數(shù)據(jù)傳輸，通信雙方能夠同時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù)。02串行通信口的結(jié)構(gòu)與相關(guān)寄存器第二節(jié)串行通信口的結(jié)構(gòu)與相關(guān)寄存器一、串行通信口的結(jié)構(gòu)

串行通信口的結(jié)構(gòu)

第二節(jié)串行通信口的結(jié)構(gòu)與相關(guān)寄存器一、串行通信口的結(jié)構(gòu)（一）兩個(gè)數(shù)據(jù)緩沖器SBUF

8051單片機(jī)中有兩個(gè)串行口數(shù)據(jù)緩沖器SBUF，一個(gè)用于發(fā)送數(shù)據(jù)，一個(gè)用于接收數(shù)據(jù)，兩個(gè)數(shù)據(jù)緩沖器在物理上相互獨(dú)立，兩個(gè)SBUF公用一個(gè)地址99H，可以通過字節(jié)尋址，不可以位尋址。發(fā)送SBUF用來發(fā)送串行數(shù)據(jù)，只能寫入不能讀，接收SBUF用來接收數(shù)據(jù)，只能讀不能寫入，通過讀指令或者寫指令就可以區(qū)別是對(duì)哪個(gè)SBUF進(jìn)行操作，從而實(shí)現(xiàn)全雙工通信，并且相互之間不會(huì)干擾。第二節(jié)串行通信口的結(jié)構(gòu)與相關(guān)寄存器一、串行通信口的結(jié)構(gòu)（二）發(fā)送控制器

發(fā)送控制器是在三態(tài)輸出門電路和定時(shí)器T1的作用下，將發(fā)送SBUF中并行輸出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為串行數(shù)據(jù)，并在數(shù)據(jù)中添加起始位、奇偶校驗(yàn)位、停止位。當(dāng)上述過程完成后，可以將TI置為1，向CPU發(fā)送中斷請(qǐng)求。（三）接收控制器

接收控制器可以將從RXD引腳讀入的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為并行數(shù)據(jù)，并過濾數(shù)據(jù)中的起始位，可編程位、停止位。當(dāng)上述過程完成后，可以將RI置為1，向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求。第二節(jié)串行通信口的結(jié)構(gòu)與相關(guān)寄存器一、串行通信口的結(jié)構(gòu)

（四）輸入移位寄存器輸入移位寄存器在接收控制器的控制下，將外界輸入的數(shù)據(jù)逐位移入接收SBUF。

（五）定時(shí)器T1T1用作波特率發(fā)生器，產(chǎn)生串行通信收發(fā)數(shù)據(jù)所需的移位脈沖，在發(fā)送數(shù)據(jù)過程中，對(duì)應(yīng)移位脈沖的下降沿，在接收數(shù)據(jù)過程中，對(duì)應(yīng)移位脈沖的上升沿，移位脈沖的頻率越高，接收和傳送數(shù)據(jù)的速率越快。第二節(jié)串行通信口的結(jié)構(gòu)與相關(guān)寄存器二、串行通信口的控制寄存器（一）串行控制寄存器SCON

SM0、SM1：由軟件置位或清零，用于選擇串行口的四種工作方式；

SM2：多機(jī)通信控制位；

REN：允許串行接收控制位；

TB8、RB8：發(fā)送或接收數(shù)據(jù)中的第9位；

TI、RI：發(fā)送中斷標(biāo)志位和接收中斷標(biāo)志位。第二節(jié)串行通信口的結(jié)構(gòu)與相關(guān)寄存器

SM2為多機(jī)通信控制位。在方式2和方式3中，如果SM2=1，則接收到的第9位數(shù)據(jù)（RB8）為0時(shí)不啟動(dòng)接收中斷標(biāo)志RI（即RI=0），并且將接收到的前8位數(shù)據(jù)丟棄；RB8為1時(shí)，才將接收到的前8位數(shù)據(jù)送入SBUF，并置位RI，產(chǎn)生中斷請(qǐng)求。當(dāng)SM2=0時(shí)，則不論第9位數(shù)據(jù)為0或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。第二節(jié)串行通信口的結(jié)構(gòu)與相關(guān)寄存器

REN為允許串行接收控制位。若REN=0，則禁止接收；REN=1，則允許接收，該位由軟件置位或復(fù)位。

TB8為發(fā)送數(shù)據(jù)的D8位。在方式2和方式3時(shí)，TB8就是所要發(fā)送數(shù)據(jù)的第9位。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為數(shù)據(jù)、TB8=1為地址TB8位也可用作數(shù)據(jù)的奇偶校驗(yàn)位，該位由軟件置位或者復(fù)位。第二節(jié)串行通信口的結(jié)構(gòu)與相關(guān)寄存器

RB8為接收數(shù)據(jù)的D8位。在方式2和方式3時(shí)，接收到的第9位數(shù)據(jù)可作為奇偶校驗(yàn)位或地址幀或數(shù)據(jù)幀的標(biāo)志。方式1時(shí)，若SM2=0，則RB8是接收到的停止位。在方式0時(shí)，不使用RB8位。

TI為發(fā)送中斷標(biāo)志位。在方式0時(shí)，當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)第8位結(jié)束后，或在其它方式發(fā)送停止位后，由內(nèi)部硬件使TI置位，向CPU請(qǐng)求中斷。CPU在響應(yīng)中斷后，必須用軟件清零。

此外，TI也可供查詢使用。第二節(jié)串行通信口的結(jié)構(gòu)與相關(guān)寄存器

RI

為接收中斷標(biāo)志位。在方式0時(shí)，當(dāng)接收數(shù)據(jù)的第8位結(jié)束后，或在其它方式下接收到停止位的中間位置時(shí)由內(nèi)部硬件使RI置位，向CPU請(qǐng)求中斷。同樣，在CPU響應(yīng)中斷后，也必須用軟件清零。RI也可供查詢方式使用。SCON的所有位都可以按位操作“清零”或“置1”。第二節(jié)串行通信口的結(jié)構(gòu)與相關(guān)寄存器（二）電源控制寄存器PCON

PCON的最高位SMOD是串行口波特率系數(shù)控制位。當(dāng)SMOD=1時(shí)，波特率增大一倍。

其余各位與串行口工作無關(guān)。03串口的工作方式第三節(jié)串口的工作方式

串行通信口有4種基本工作方式，由串行控制SCON寄存器的設(shè)置，可以控制串行口工作在其中一種方式。

一、方式0

串行口工作方式0是移位寄存器方式，下頁(yè)是其結(jié)構(gòu)示意圖。數(shù)據(jù)從RxD引腳上接收或發(fā)送；一幀信息由8位數(shù)據(jù)組成，低位在前，高位在后（如下圖）；波特率固定，為fosc/12；同步脈沖從TxD引腳輸出。

移位寄存器方式用于51單片機(jī)通過串行口擴(kuò)展并行I/O口。第三節(jié)串口的工作方式第三節(jié)串口的工作方式（一）方式0輸出

CPU執(zhí)行一條寫SBUF的指令，如“MOVSBUF，A”，就啟動(dòng)了發(fā)送過程。指令執(zhí)行期間送來的寫信號(hào)打開三態(tài)門1，將經(jīng)內(nèi)部總線送來的8位并行數(shù)據(jù)寫入發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖器SBUF。寫信號(hào)的同時(shí)啟動(dòng)發(fā)送控制器。此后，CPU與串行口并行工作。經(jīng)過一個(gè)機(jī)器周期后，發(fā)送控制端SEND有效（高電平），打開門5和門6，允許RXD引腳發(fā)送數(shù)據(jù)，TXD引腳輸出同步移位脈沖。

在時(shí)鐘信號(hào)S6觸發(fā)產(chǎn)生的內(nèi)部移位脈沖作用下，發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖器中的數(shù)據(jù)逐位串行輸出。第三節(jié)串口的工作方式因?yàn)槭敲恳粋€(gè)機(jī)器周期從RXD上發(fā)送一位數(shù)據(jù)，所以波特率為fosc/12。S6同時(shí)形成同步移位脈沖，一個(gè)機(jī)器周期從TXD上輸出一個(gè)脈沖。8位數(shù)據(jù)（一幀）發(fā)送完畢后，SEND恢復(fù)低電平狀態(tài)，停止發(fā)送數(shù)據(jù)。且發(fā)送控制器硬件置位發(fā)送中斷標(biāo)志TI=1，向CPU申請(qǐng)中斷。如要再次發(fā)送數(shù)據(jù)，必須用軟件將TI標(biāo)志清零，并再次執(zhí)行寫SBUF指令。第三節(jié)串口的工作方式（二）方式0輸入在RI=0的條件下，將REN（SCON.4）置1就啟動(dòng)一次接收過程。此時(shí)RXD為串行數(shù)據(jù)接收端，TXD依然輸出同步移位脈沖。

REN置1啟動(dòng)了接收控制器。經(jīng)過一個(gè)機(jī)器周期，接收控制端RECV有效（高電平），打開門6，允許TXD輸出同步移位脈沖。該脈沖控制外接芯片逐位輸入數(shù)據(jù)，波特率為fosc/12。在內(nèi)部移位脈沖作用下，RXD上的串行數(shù)據(jù)逐位移入移位寄存器。第三節(jié)串口的工作方式

當(dāng)8位數(shù)據(jù)（一幀）全部移入移位寄存器后，接收控制器使RECV失效，停止輸出移位脈沖，并發(fā)出“裝載SBUF”信號(hào)，打開三態(tài)門2，將8位數(shù)據(jù)并行送入接收數(shù)據(jù)緩沖器SBUF中保存。與此同時(shí)，接收控制器硬件置接收中斷標(biāo)志RI=1，向CPU申請(qǐng)中斷。CPU響應(yīng)中斷后，用軟件使RI=0，使移位寄存器開始接收下一幀信息，然后通過讀接收緩沖器的指令，例如“MOVA，SBUF

”，讀取SBUF中的數(shù)據(jù)。在執(zhí)行這條指令時(shí)，CPU發(fā)出的“讀SBUF”信號(hào)打開三態(tài)門3，數(shù)據(jù)經(jīng)內(nèi)部總線進(jìn)入CPU。第三節(jié)串口的工作方式第三節(jié)串口的工作方式二、方式1

方式1為8位異步通信接口方式，其結(jié)構(gòu)示意圖如下頁(yè)所示。RxD為接收端，TxD為發(fā)送端，一幀信息由10位組成，起始位、數(shù)據(jù)位（8位）和停止位。

方式1的波特率可變，由定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T1的溢出率以及SMOD位的狀態(tài)決定，且發(fā)送波特率與接收波特率可以不同。第三節(jié)串口的工作方式第三節(jié)串口的工作方式（一）方式1輸出

CPU執(zhí)行一條“寫SBUF”的指令便啟動(dòng)了串行口發(fā)送過程，數(shù)據(jù)從TxD輸出。在指令執(zhí)行期間，CPU送來“寫SBUF”信號(hào)，將并行數(shù)據(jù)送入SBUF，并啟動(dòng)發(fā)送控制器。經(jīng)一個(gè)機(jī)器周期，發(fā)送控制端的SEND、DATA相繼有效，通過輸出控制門從TxD上逐位輸出一幀信息。一幀信息發(fā)送完畢后，SEND、DATA端失效，發(fā)送控制器硬件置發(fā)送中斷標(biāo)志TI=1，向CPU申請(qǐng)中斷。發(fā)送指令：MOVSBUF，A第三節(jié)串口的工作方式第三節(jié)串口的工作方式（二）方式1輸入當(dāng)允許接收控制位REN

被置1時(shí)，接收器開始工作，跳變檢測(cè)器以所選波特率的16倍

速率采樣

RxD引腳。當(dāng)采樣到從1到0的負(fù)跳變時(shí)，啟動(dòng)接收控制器接收數(shù)據(jù)。由于發(fā)送、接收雙方各自使用自己的時(shí)鐘，兩者的頻率總有少許差異。為了避免這種影響，控制器將1位的傳送時(shí)間分成16等份，位檢測(cè)器在7、8、9三個(gè)狀態(tài)，也就是在信號(hào)中央采樣RxD三次。而且，三次采樣中至少兩次相同的值被確認(rèn)為數(shù)據(jù)，這是為了減少干擾的影響。第三節(jié)串口的工作方式如果接收到的起始位的值不是0，則起始位無效，復(fù)位接收電路。如果起始位為0，則開始接收本幀其它各位數(shù)據(jù)?？刂破靼l(fā)出內(nèi)部移位脈沖，將RxD上的數(shù)據(jù)逐位移入移位寄存器，當(dāng)8位數(shù)據(jù)及停止位全部移入后，將根據(jù)以下狀態(tài)，進(jìn)行響應(yīng)操作。第三節(jié)串口的工作方式

①如果RI=0、SM2=0，則接收控制器發(fā)出“裝載SBUF”信號(hào)，將8位數(shù)據(jù)裝入接收數(shù)據(jù)緩沖器SBUF，停止位裝入RB8，并置RI=1，向CPU申請(qǐng)中斷。②如果RI=0、SM2=1，那么只有停止位為1才發(fā)生上述操作。③RI=0、SM2=1且停止位為0，所接收的數(shù)據(jù)不裝入SBUF，數(shù)據(jù)將會(huì)丟失。④如果RI=1，則所接收的數(shù)據(jù)在任何情況下都不裝入SBUF，即數(shù)據(jù)丟失。第三節(jié)串口的工作方式

無論出現(xiàn)哪一種情況，跳變檢測(cè)器將繼續(xù)采樣RxD引腳的負(fù)跳變，以便接收下一幀信息。接收裝置采用移位寄存器和SBUF雙緩沖結(jié)構(gòu)，以避免在接收后一幀數(shù)據(jù)之前，CPU尚未及時(shí)響應(yīng)中斷而將前一幀數(shù)據(jù)取走所造成的數(shù)據(jù)重疊問題。

采用雙緩沖器結(jié)構(gòu)，可使前、后兩幀數(shù)據(jù)進(jìn)入SBUF的時(shí)間間隔最少有10個(gè)機(jī)器周期。所以，在后一幀數(shù)據(jù)送入SBUF之前，CPU應(yīng)該有足夠的時(shí)間將前一幀數(shù)據(jù)取走。第三節(jié)串口的工作方式

第三節(jié)串口的工作方式

三、方式2與方式3

方式2與方式3都是9位異步通信接口，其結(jié)構(gòu)示意圖與方式1相同。發(fā)送或接收的一幀信息由11位組成，其中1位起始位、9位數(shù)據(jù)位和1位停止位。方式2與方式3僅波特率不同，方式2的波特率為

fosc/32，SMOD=1，或

fosc/64，SMOD=0而方式3的波特率由定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T1及SMOD決定。第三節(jié)串口的工作方式

在方式2、方式3時(shí)，發(fā)送、接收數(shù)據(jù)的過程與方式1基本相同，所不同的僅在于對(duì)第9位數(shù)據(jù)TB8、RB8的處理上。發(fā)送時(shí)，第9位數(shù)據(jù)由SCON中的TB8位提供；接收數(shù)據(jù)時(shí)，當(dāng)9位數(shù)據(jù)全部移入移位寄存器之后，將前8位數(shù)據(jù)裝入SBUF，而將第9位數(shù)據(jù)裝入SCON中的RB8位。第三節(jié)串口的工作方式

方式2與方式3—發(fā)送過程第三節(jié)串口的工作方式

方式2與方式3—接收過程第三節(jié)串口的工作方式五、波特率的設(shè)置

串行口的4種工作方式對(duì)應(yīng)著三種波特率。

方式0：波特率固定為fosc/12；

方式2：波特率由振蕩頻率fosc和SMOD（PCON.7）所決定。其對(duì)應(yīng)公式為

波特率=2SMOD×fosc/64

當(dāng)SMOD=0時(shí)，波特率為fosc/64；當(dāng)SMOD=1時(shí)，波特率為fosc/32。

第三節(jié)串口的工作方式

方式1和方式3：波特率由定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T1的溢出率和SMOD決定，即：

波特率=2SMOD×T1的溢出率/32定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T1的溢出率計(jì)算：

溢出率=1/溢出時(shí)間=1/(機(jī)器周期×T1計(jì)數(shù)值)=1/(12/fosc×T1計(jì)數(shù)值)=(fosc/12)/T1計(jì)數(shù)值第三節(jié)串口的工作方式

◆方式1和方式3：

溢出率=(fosc/12)/T1計(jì)數(shù)值=(fosc/12)/(2n–計(jì)數(shù)初值)（1）當(dāng)T1工作于方式0：13位計(jì)數(shù)方式溢出率=(fosc/12)/