串口通信原理及操作流程

第六讲串口通信原理及操作流程曾铁军主要内容23串行通信总线标准及其接口51单片机串口应用举例4MCS-51的串行接口串行通信基础知识1实例1信息编码：文字信息载体：文字、纸张信息传送方式：邮递员实例2第四步第三步第二步第一步说出同学A的名字或学号提问说出同学B的名字或学号提问课堂上老师先让同学A、再让同学B回答问题的过程？实例3老师让学习委员来取作业本的两种方式(1)老师等着学习委员来取(2)将作业本放在办公桌上，学习委员自己来取串行通信基础知识1.1串行通信与并行通信1.2异步通信与同步通信1.3串行通信的传输方向1.4信号的调制与解调1.5串行通信的错误校验1.6传输速率与传输距离串行通信与并行通信在计算机系统中，CPU和外部通信有两种通信方式：并行通信和串行通信。并行通信，即数据的各位同时传送；串行通信，即数据一位一位顺序传送。计算机1计算机2或外设GNDGND计算机1计算机2或外设GNDGND发送接收(a)(b)…并行通信串行通信串行通信并行通信通信距离远近抗干扰能力高低传输速度慢快成本低高异步通信与同步通信1.异步通信异步通信是指通信的发送与接收设备使用各自的时钟控制数据的发送和接收过程。为使双方的收发协调，要求发送和接收设备的时钟尽可能一致。111001100101001001发送设备接收设备10100100011110011001间隙任意：步通信的数据格异式中断的概念停止位数据位校验位起始位LSBMSB空闲下一字符起始位空闲一个字符帧异步通信的特点：不要求收发双方时钟的严格一致，实现容易，设备开销较小，但每个字符要附加2～3位用于起止位，各帧之间还有间隔，因此传输效率不高。建立发送方时钟对接收方时钟的直接控制，使双方达到完全同步。此时，传输数据的位之间的距离均为“位间隔”的整数倍，同时传送的字符间不留间隙，即保持位同步关系，也保持字符同步关系。计算机乙计算机甲01101数据时钟计算机乙计算机甲01101数据时钟数据+时钟外同步自同步同步通信同步通信SYNSYNSOHSTXETB/ETX块校验标题数据块标题：中包含源地址、目标地址和路由指示等信息SOH（01H）：表示标题的开始STX（02H），表示传送的数据块开始组终字符ETB（17H）或文终字符ETX（03H）。校验码典型的面向字符的同步规程:IBM的二进制同步规程BSC面向位的同步格式：8位8位8位8位16位≥0位0111111001111110校验场信息场控制场地址场将数据块看作数据流，并用序列01111110作为开始和结束标志。为了避免在数据流中出现序列01111110时引起的混乱，发送方总是在其发送的数据流中每出现5个连续的1就插入一个附加的0；接收方则每检测到5个连续的1并且其后有一个0时，就删除该0。典型的面向位的同步协议如ISO的高级数据链路控制规程HDLC和IBM的同步数据链路控制规程SDLC。同步通信的特点是以特定的位组合“01111110”作为帧的开始和结束标志，所传输的一帧数据可以是任意位。所以传输的效率较高，但实现的硬件设备比异步通信复杂。1.3串行通信的传输方向①单工发送接收TXDRXD②半双工发送接收发送接收TXD/RXD③全双工发送接收发送接收TXDTXDRXDRXD1.4信号的调制与解调调制器（Modulator）：把数字信号转换成模拟信号，然后送到通信线路上去。解调器（Demodulator）：把从通信线路上收到的模拟信号转换成数字信号。调制解调器MODEM：由于通信是双向的，调制器和解调器合并在一个装置中。DCEDTE电话网DCEDTERS-232CRS-232C调制解调的方式有多种，这里调频为例：通过数字信号对二个不同频率的正弦载波信号的键控和信号的合成实现。模拟电子开关模拟电子开关高频正弦信号低频正弦信号数字信号10101010频带信号输出合成1101.5串行通信的错误校验1、奇偶校验在发送数据时，数据位尾随的1位为奇偶校验位（1或0）。奇校验时，数据中“1”的个数与校验位“1”的个数之和应为奇数；偶校验时，数据中“1”的个数与校验位“1”的个数之和应为偶数。接收字符时，对“1”的个数进行校验，若发现不一致，则说明传输数据过程中出现了差错。2、代码和校验代码和校验是发送方将所发数据块求和（或各字节异或），产生一个字节的校验字符（校验和）附加到数据块末尾。接收方接收数据同时对数据块（除校验字节外）求和（或各字节异或），将所得结果与发送方的“校验和”进行比较，相符则无差错，否则即认为传送过程中出现了差错。3、循环冗余校验这种校验是通过某种数学运算实现有效信息与校验位之间的循环校验，常用于对磁盘信息的传输、存储区完整性校验等。这种校验方法纠错能力强，广泛应用于同步通信中。1.6传输速率与传输距离码元传输速率RB简称传码率，又称符号速率等。它表示单位时间内传输码元的数目，单位是波特（Baud），记为B。•例如，若1秒内传2400个码元，则传码率为2400B。数字信号有多进制和二进制之分，但码元速率与进制数无关，只与传输的码元长度T有关:1()BRBT=由于M进制的一个码元可以用log2M个二进制码元去表示，因而在保证信息速率不变的情况下，M进制的码元速率RBM与二进制的码元速率RB2之间有以下转换关系：信息传输速率Rb简称传信率，又称比特率等。它表示单位时间内传递的平均信息量或比特数，单位是比特/秒，可记为bit/s，或b/s，或bps。C51串口通信时一个比特是一个码元，所以波特率等同于比特率，即每秒钟传输二进制代码的位数，单位是：位／秒（bps）。如每秒钟传送240个字符，而每个字符格式包含10位(1个起始位、1个停止位、8个数据位)，这时的比特率为：10位×240个/秒=2400bps传输距离与传输速率的关系串行接口或终端直接传送串行信息位流的最大距离与传输速率及传输线的电气特性有关。当传输线使用每0.3m（约1英尺）有50PF电容的非平衡屏蔽双绞线时，传输距离随传输速率的增加而减小。当比特率超过1000bps时，最大传输距离迅速下降，如9600bps时最大距离下降到只有76m（约250英尺）。2串行通信总线标准及其接口2.1RS-232C接口用于串行通讯的标准。规定采用一个25个脚的DB-25连接器对连接器的每个引脚的信号加以规定对各种信号的电平加以规定。IBM将RS232简化成了DB-9连接器工业控制的RS-232一般只使用RXD、TXD、GND三条线。96512514131笔记本通过本设备可连接到串口鼠标、各种串口设备，PLC、POS、门禁、检测、通讯用仪器仪表等串口232接口的外设。电气特性、逻辑电平EIA-RS-232C对电气特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定。在TxD和RxD上：逻辑1=-3V～-15V逻辑0=+3～＋15V在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上：信号有效（接通，ON状态，正电压）＝+3V～+15V信号无效（断开，OFF状态，负电压)=-3V～-15VRS-232信号传输UART并行TTL收发器D0D7……DataStopParityStartDataStartParityStop0V5VRS-232DataStopParityStartDataStartParityStop-12V+12V+12或者-12V?RS-232信号传输及信号波形RS-232信号传输及信号波形功能特性13X=2-N16X=2-N13X=2-N13X=2-N16X=2-N过程特性过程特性规定了信号之间的时序关系，以便正确地接收和发送数据。远程通信连接计算机计算机MODEMMODEMTXDRXDRTSTXDRXDRTSDSR电话线DSRRS-232连接类型ITxDRxDRTSCTSDTRDSRDCDGNDTxDRxDRTSCTSDTRDSRDCDGNDDTE信号DTE信号典型应用:PC+交叉电缆+PC接线RS-232连接类型IITxDRxDRTSCTSDTRDSRDCDGNDRxDTxDCTSRTSDSRDTRDCDGND接线DTE信号DCE信号典型应用:PC+直连电缆+Modem近程通信连接计算机乙计算机甲TXDTXDRXDRXD计算机乙计算机甲TXDTXDRXDRXD4562045620RS-232C接口存在的问题有电平偏移传输距离短，传输速率低抗干扰能力差123RS-422A接口RS-422A输出驱动器为双端平衡驱动器。如果其中一条线为逻辑“1”状态，另一条线就为逻辑“0”，比采用单端不平衡驱动对电压的放大倍数大一倍。差分电路能从地线干扰中拾取有效信号，差分接收器可以分辨200mV以上电位差。若传输过程中混入了干扰和噪声，由于差分放大器的作用，可使干扰和噪声相互抵消。因此可以避免或大大减弱地线干扰和电磁干扰的影响。RS-422A传输速率（90Kbps）时，传输距离可达1200米。SN75174SN75175SN75174SN75175电平TTL电平TTL双向需4条线+5V+5V2.3RS-485接口RS-485是RS-422A的变型：RS-422A用于全双工，而RS-485则还可用于半双工。RS-485是一种多发送器标准，在通信线路上最多可以使用32对差分驱动器/接收器。RS-485的信号传输采用两线间的电压来表示逻辑1和逻辑0。由于发送方需要两根传输线，接收方也需要两根传输线。传输线采用差动信道，所以它的干扰抑制性极好，又因为它的阻抗低，无接地问题，所以传输距离可达1200米，传输速率可达1Mbps。电平TTL电平TTL双向仅需2条线RS-485是一点对多点的通信接口，一般采用双绞线的结构。普通的PC机一般不带RS485接口，因此要使用RS-232C/RS-485转换器。对于单片机可以通过芯片MAX485来完成TTL/RS-485的电平转换。在计算机和单片机组成的RS-485通信系统中，下位机由单片机系统组成，上位机为普通的PC机，负责监视下位机的运行状态，并对其状态信息进行集中处理，以图文方式显示下位机的工作状态以及工业现场被控设备的工作状况。系统中各节点（包括上位机）的识别是通过设置不同的站地址来实现的。RS-232&RS-422&RS-485比较类型RS-232RS-422RS-4854线RS-4852线信号类型单端差分差分差分通讯方式全双工全双工全双工半双工距离15M@9600bps1.2KM@9600bps1.2KM@9600bps1.2KM@9600bps信号定义TxD,RxD,RTS,CTS,DTR,DSR,DCD,GNDTxA,TxB,RxA,RxB,GNDTxA,TxB,RxA,RxB,GNDDataA,DataB,GND接线成本高(8线)中等(5线)中等(5线)低(3线)连接设备数两台两台或十台32台32台抗干扰能力弱强强强故障诊断容易难难难80C51串行口的结构物理上有独立的接收、发送缓冲器SBUF，它们占用同一地址99H；接收器是双缓冲结构；发送缓冲器，因为发送时CPU是主动的，不会产生重叠错误。≥1SBUF发送控制器接收控制器移位寄存器控制门TIRIATXDRXD去串口中断SMOD01TH1TL1÷2÷16SBUFT1溢出率UART应考虑的因素1是作扩展IO口用还是通信用？通信的话是双机通信还是多机通信？2UART与MCU联系，接收和发送两方面3通信速率4一帧数据的长度5数据校验，发送和接收两方面6UART作为一被控模块，能否被控？3.280C51串行口的控制寄存器SCON是一个特殊功能寄存器，用以设定串行口的工作方式、接收/发送控制以及设置状态标志：SM0和SM1为工作方式选择位，可选择四种工作方式：SM2，多机通信控制位，主要用于方式2和方式3。当接收机的SM2=1时可以利用收到的RB8来控制是否激活RI（RB8＝0时不激活RI，收到的信息丢弃；RB8＝1时收到的数据进入SBUF，并激活RI，进而在中断服务中将数据从SBUF读走）。当SM2=0时，不论收到的RB8为0和1，均可以使收到的数据进入SB