第9章串口及串行通信技术.

●教学目标第9章串口及串行通信技术介绍MCS-51串行通信接口技术●学习要求掌握单片机串行通信接口的基本功能，了解串行通信接口的一般结构介绍PC机与单片机间的串行通信接口技术介绍MCS-51单片机之间的串行通信接口技术熟悉单片机串行通信接口，掌握单片机之间的串行通信接口以及PC机与单片机间的串行通信接口程序编制9.1MCS-51串行通信接口MCS-51内部含有一个可编程全双工串行通信接口，具有UART的全部功能。该接口电路不仅能同时进行数据的发送和接收，也可作为一个同步移位寄存器使用。9.1.1MCS-51串行口的结构MCS-51系列单片机的串行接口由发送缓冲器、接收缓冲器以及两个专用寄存器SCON和PCON组成，占用两条I/O专线（P3.0、P3.1），分别为RXD和TXD，从而构成全双工的通信方式。两个独立的接收、发送缓冲器SBUF（属于特殊功能寄存器）共用一个字节地址（99H），一个用来发送；一个用来接收。发送缓冲器只能写入不能读出，接收缓冲器只能读出不能写入。在进行异步通信时，数据的发送和接收分别在各自的时钟（TCLK和RCLK）控制下进行的，但都必须与字符位数的波特率保持一致。MCS-51串行口的发送和接收时钟可由两种方式产生，一种是由主机频率fosc经分频后产生，另一种方式是由内部定时器T1或T2的溢出率经16分频后提供。串行口的发送过程由指令MOVSBUF，A启动，即CPU由一条写发送缓冲器的指令把数据（字符）写入串行口的发送缓冲器SBUF（发）中，再由硬件电路自动在字符的始、末加上起始位（低电平）、停止位（高电平）及其它控制位（如奇偶位等），然后在移位脉冲SHIFT的控制下，低位在前，高位在后，从TXD端（方式0除外）一位位地向外发送。串行口的接收与否受制于允许接收位REN的状态，当REN被软件置“1”后，允许接收器接收。接收端RXD一位位地接收数据，直到收到一个完整的字符数据后，控制电路进行最后一次移位，自动去掉启始位，使接收中断标志RI置“1”，并向CPU申请中断。CPU响应中断，用一条指令（MOVA，SBUF）把接收缓冲器SBUF（收）的内容读入累加器。在整个串行收发过程中，CPU的操作时间很短，使得CPU还可以从事其它的各种操作（指工作在中断方式下），从而大大提高了CPU的效率。⑴串行口数据缓冲器SBUFSBUF是两个在物理上独立的接收、发送缓冲器，可同时发送、接收数据。两个缓冲器只用一个字节地址99H，可通过指令对SBUF的读写来区别是对接收缓冲器的操作还是对发送缓冲器的操作。CPU在写SBUF，就是修改发送缓冲器；读SBUF，就是读接收缓冲器。串行口对外有两条独立的收发信号线RXD（P3.0）、TXD（P3.1），因此可以同时发送、接收数据，实现全双工。⑵串行口控制寄存器SCONSCON寄存器用来控制串行口的工作方式和状态，它是一个可按位寻址的特殊功能寄存器。在复位时所有位被清零，其字节地址为98H。SCON寄存器的格式如下SM0SM1工作方式000011102113⑶特殊功能寄存器PCONPCON主要是为CHMOS型单片机的电源控制设置的专用寄存器，字节地址为87H，不能按位寻址。9.1.2MCS-51系列单片机串行接口的工作方式MCS-51的串行口有四种工作方式，它是由SCON中的SM1和SM0来决定可变9位UART方式311fosc/32或fosc/649位UART方式201可变8位UART方式110fosc/12同步移位寄存器方式000波特率功能说明工作方式SM1SM01）方式0串行接口工作方式0为同步移位寄存器方式，其波特率是固定为振荡频率fosc的1/12。在这种工作方式下，发送和接收串行数据都通过RXD（P3.0）进行，从TXD（P3.1）输出移位脉冲，控制外部的移位寄存器移位。⑴方式0发送数据从RXD引脚串行输出，TXD引脚输出同步脉冲。发送操作在TI=0的情况下开始，由指令（MOVSBUF，A）将一个数据写入串行口发送缓冲器时启动发送，串行口将8位数据以fosc/12的固定波特率由低位到高位逐位从RXD引脚输出，当8位数据发送完后，硬件自动置中断标志TI为1，并向CPU请求中断（若中断已开放），CPU响应中断后，先将TI清零，再向SBUF传送下一个待发送的信息，以继续发送数据。⑵方式0接收在满足REN=1和RI=0的条件下，串行口处于方式0输入。此时，RXD为数据输入端，TXD为同步信号输出端，接收器也以fosc/12的波特率对RXD引脚输入的数据信息进行采样。当接收器接收完8位数据后，硬件自动置中断标志RI=1，并向CPU发出请求中断，CPU响应中断（或采用查询方式）后，通过指令（MOVA，SBUF）将接收的数据传送给累加器A。在再次接收之前，必须用软件将RI清零。在方式0工作时，必须使SCON寄存器中的SM2位为“0”，这并不影响TB8位和RB8位。方式0发送或接收完数据后由硬件置位TI或RI，CPU在响应中断后要用软件清除TI或RI标志。2）方式1在方式1时，串行口被设置为波特率可变的8位异步通信接口。⑴方式1发送串行口以方式1发送时，数据位由TXD端输出，发送1帧信息为10位，其中一位起始位“0”、八位数据位（先低位后高位）和一个停止位“1”。在TI=0的条件下，CPU执行一条数据写入发送缓冲器SBUF的指令（MOVSBUF，A），发送电路自动在8位数据位前后分别加一位起始位和一位停止位，就启动串行传送过程，在移位脉冲的作用下，从TXD线上依次发送一帧信息。当发送完数据后，置中断标志TI为“1”，TXD自动维持高电平。方式1所传送的波特率取决于定时器1的溢出率和特殊功能寄存器PCON中SMOD的值，计算方法如下：方式1波特率=×定时器T1的溢出率322SMOD⑵方式1接收当串行口置为方式1，且REN=1，RI=0时，串行口处于方式1的输入状态。它以所选波特率的16倍的速率对RXD引脚状态采样。当采样到由1到0的负跳变时，且接收电路连续8次采样均为低电平时，表明RXD线上已出现起始位，就启动接收器，开始接收一帧的其余的信息，一帧信息也为10位，一位起始位“0”、八位数据位（先低位后高位）和一个停止位“1”。接收电路开始在每位传送数据的第7、8、9三个脉冲进行采样，并以三取二的原则决定所采样数据的值,以保证可靠无误。在移位脉冲的作用下，逐位移入移位寄存器。方式1接收波特率设计方法与方式1传送波特率相同。在方式1接收时，必须同时满足以下两个条件：①RI=0，②停止位为“1”或SM2=0时，则接收数据有效，进入SBUF，停止位进入RB8，并置中断请求标志RI为“1”，CPU响应中断（或采用查询方式）后，通过指令（MOVA，SBUF）将接收的数据传送给累加器A，并用软件将RI清零。若上述两个条件不满足，则该组数据丢失，不再恢复。3）方式2串行口工作为方式2时，被定义为9位异步通信接口。方式2波特率=×振荡器频率642SMOD⑴方式2发送发送数据由TXD端输出，发送一帧信息为11位，其中一位起始位（0）、八位数据位（先低位后高位）、一位可控位1或0的第9位数据和一位停止位“1”。附加的第9位数据为SCON中的TB8（SCON中的D3位）的值，它由软件置位或清零，可作为多机通信中地址/数据信息的标志位，也可作为数据的奇偶校验位。⑵方式2接收当串行口置为方式2，且REN=1时，串行口以方式2接收数据。方式2的接收与方式1基本相似。数据由RXD端输入，接收11位信息，其中，一位起始位（0）、八位数据位（先低位后高位），一位可控位1或0的第9位数据和一位停止位“1”。当采样到RXD端由1到0的负跳变，并判断起始位有效后，便开始接收一帧信息，当接收器接收到第9位数据后，又同时满足下列两个条件：①RI=0；②SM2=0或接收到的第9位数据位为“1”时，将收到的数据送入SBUF（接收数据缓冲器），第9位数据送入RB8，并对RI置1；若以上两个条件有一个不满足，所接收的信息帧就会被丢失。4）方式3方式3为波特率可变的9位异步通信方式，除了波特率有所区别之外，其余都与方式2相同。方式3波特率=×定时器T1的溢出率322SMOD9.1.3MCS-51串行通信的波特率⑴方式0的波特率波特率是固定的，其值为fosc/12（fosc为主机频率）。⑵方式2的波特率方式2波特率=×振荡器频率642SMOD若SMOD=0，则所选波特率为fosc/64；若SMOD=1，则波特率为fosc/32。⑶方式1或方式3的波特率波特率=×定时器T1的溢出率322SMOD定时器T1溢出率=初值Kfosc211272H2006MHz110D0H20011.0592MHz600E8H20011.0592MHz1.2KF4H20011.0592MHz2.4KFAH20011.0592MHz4.8KFDH20011.0592MHz9.6KFDH20111.0592MHz19.2KFFH20112MHz62.5K串口方式1或3×××112MHz375K串口方式2××××12MHz1M串口方式0相应初值所选方式C/T定时器T1SMODFosc波特率9.2MCS-51单片机之间的通信MCS-51单片机的串行通信技术根据其应用可分为双机通信和多机通信。9.2.1MCS-51双机通信技术最简单的双机异步通信接口电路符合RS-422标准的双机通信接口电路1）查询方式进行双机通信甲机发送，乙机接收，双方都用查询方式的程序编制。⑴甲机发送甲机片内RAM中70H～7FH单元中的数据从串行口输出。定义以工作方式2发送，TB8作奇偶校验位。其中fosc=12MHz，波特率为375kbit/s，所以SMOD=1。参考程序：⑵乙机接收乙机接收到16字节数据并存入片外1000H～100FH单元中。接收过程要求判断奇偶校验位RB8。若出错，置F0标志为1；正确，则置F0标志为0，然后返回。参考程序：2)中断方式进行双机通信双机通信的接收方采用中断方式来接收数据，以提高CPU的工作效率,发送方仍采用查询方式发送数据。⑴甲机发送将外部数据存储器1000H为首地址的字节单元中的数据向乙机发送，在发送之前将数据块长度N发送给乙机，当发送完N个字节后，再发送一个累加校验和。发送的波特率为9600，两机晶振均为11.0592MHz。双机都工作于方式1，定时器Tl按方式2工作，经查表得初值为FDH，SMOD=0。参考程序：⑵乙机接收乙机接收甲机发送的数据，并写入以4000H为首址的外部数据存储器中，首先接收数据长度N，然后接收N个字节的数据，再接收校验码，进行累加和校验，数据传送结束后，向甲机发送一个状态字，表示正确或出错，出错则要求重发。接收采用中断的方式，设置两个标志位来判断接收到的信息是数据块长度、数据还是校验和。参考程序：9.2.2MCS-51多机通信技术通常MCS-51的多机通信采用主从式多机通信方式。在这种方式中，只有一台主机，有多台从机。主机发送的信息可以传到各个从机或指定的从机，各从机发送的信息只能被主机接收。1)多机通信原理MCS-51串行控制寄存器中的SM2就是为了满足这一要求而设置的多机控制位方式2或3接收时，若SM2=1，表示置多机通信功能位，这时出现两种可能的情况：①接收到第9位数据为1，数据装入SBUF，并置RI=1，向CPU发出中断请求；②接收到第9位数据为0，不产生中断，信息将被丢失。若SM2=0，则接收到的第9位信息无论是0还是1，都产生RI=1的中断标志，接收到的数据装人SBUF。根据这个功能，便可实现多个MCS-51系统的串行通信。多机通信的过程如下：①使所有从机的SM2=1，处于准备接收一帧地址数据的状态；②主机设第9位数据为1，发送一帧地址信息，与所需的从机进行联络；③每个从机接收到地址信息后，各自将其与自己的地址相比较，对于地址相符的从机，使SM2=0，准备接收主机随后发来的所有信息；对于地址不相符的从机，仍保持SM2=1状态，对主机随后发来的数据不理睬，直至发送新的一帧地址信息；④主机发送控制指令与数据