第九讲串行口通信

第九讲串行口通信电子信息学院电子技术教研室9.1串行通信基础串行通信优点:便于长距离传送缺点:传送速度较慢计算机与外界信息交换称为通信。通信的基本方式可分为并行通信和串行通信：并行通信是数据的各位同时发送或同时接收；并行通信优点:传送速度快缺点:不便长距离传送串行通信是数据的各位依次逐位发送或接收。两种通信方式的示意图(a)并行通信；(b)串行通信串行通信的基本特征是数据逐位顺序进行传送。串行通信的格式及约定（如：同步方式、通讯速率、数据块格式、信号电平……等）不同，形成了多种串行通信的协议与接口标准。常见的有：☞通用异步收发器(UART)——本课程介绍的串口☞通用串行总线（USB）☞I2C总线☞CAN总线☞SPI总线☞RS-485，RS-232C，RS422A标准……等等9.1.1串行通信的分类一.异步通信(AsynchronousCommunication)异步通信中数据是以字符为单位组成字符帧传送，每一帧数据低位在前，高位在后。发送端和接收端可由各自独立的时钟来控制数据的发送和接收，互不同步。字符帧格式：异步通信的重要指标。接收端依靠字符帧格式来判断发送端发送的开始和结束。优点：对硬件要求较低，实现较简单、灵活，适用于数据的随机发送/接收。缺点：工作速度较低，每个字节都要建立一次同步（额外附加两位）。单片机主要采用异步通信方式。1、字符帧(CharacterFrame)字符帧也叫数据帧，由起始位、数据位、奇偶校验位和停止位等4部分组成。(1)起始位：位于字符帧开头，只占一位，为逻辑0低电平，用于向接收设备表示发送端开始发送一帧信息。(2)数据位：紧跟起始位之后，用户根据情况可取5位、6位、7位或8位，低位在前，高位在后。(3)奇偶校验位：位于数据位之后，仅占一位，用来表征串行通信中采用奇校验还是偶校验，由用户决定。(4)停止位：位于字符帧最后，为逻辑1高电平。通常可取1位、1.5位或2位，用于向接收端表示一帧字符信息已经发送完，也为发送下一帧作准备。异步通信的字符帧格式(a)无空闲位字符帧；(b)有空闲位字符帧2、波特率(BaudRate)波特率：每秒钟传送二进制数码的位数，也叫比特数，单位为b/s，即位/秒。波特率表征数据传输的速度，波特率越高，数据传输速度越快。字符的实际传输速率是每秒内所传字符帧的帧数，和字符帧格式有关。通常，异步通信的波特率为50～9600b/s。二.同步通信(SynchronousCommunication)同步通信是一种连续串行传送数据的通信方式，一次通信只传输一帧信息。同步通信依靠同步字符保持通信同步。同步通信由1～2个同步字符和多字节数据字符以及校验字符CRC组成，同步字符作为起始位以触发同步时钟开始发送或接收数据；多字节数据之间不允许有空隙，每位占用的时间相等；空闲位需发送同步字符。优点：数据传输速率较高，通常可达56000b/s或更高。缺点：要求发送时钟和接收时钟必须保持严格同步。同步通信的字符帧格式(a)单同步字符帧格式；(b)双同步字符帧格式9.1.2串行通信的制式串行通信按照数据传送方向可分为三种制式：1、单工制式（Simplex）单工制式是指甲乙双方通信时只能单向传送数据，发送方和接收方固定。2、半双工制式（HalfDuplex）半双工制式是指通信双方都具有发送器和接收器，既可发送也可接收，但不能同时接收和发送，发送时不能接收，接收时不能发送。3、全双工制式（FullDuplex）全双工制式指通信双方均设有发送器和接收器，并且信道划分为发送信道和接收信道，因此全双工制式可实现甲乙双方同时发送和接收数据，发送时能接收，接收时也能发送。9.1.3串行通信的接口电路异步通信的硬件电路称为UART，即通用异步接收器/发送器(UniversalAsychronousReceiver/Transmitter)；同步通信的硬件电路称为USRT(UniversalSychronousReceiver/Transmitter)；异步和同步通信共用的硬件电路称为USART(UniversalSychronousAsychronousReceiver/Transmitter)。9.2.1RS-232C接口RS-232C主要用来定义计算机系统的一些数据终端设备(DTE)和数据电路终接设备(DCE)之间的电气性能。例如：CRT、打印机与CPU的通信MCS-51单片机与PC机的通信RS-232C适用范围：设备间的通信距离不大于15m传输速率最大为20kb/s9.2串行通信总线标准及其接口1. RS-232C信息格式标准RS-232C采用串行格式。标准规定：信息的开始为起始位，信息的结束为停止位；信息本身可以是5、6、7、8位再加一位奇偶校验位。如果两个信息之间无信息，则写“1”，表示空。RS-232C信息格式2. RS-232C电平转换器RS-232C的电气标准采用负逻辑：逻辑“0”：+5V～+15V逻辑“1”：－5V～－15V注意：RS-232C必须进行电平转换后才能和TTL电平直接相连，否则将把TTL电路烧坏。 RS232与TTL之间的电平转换•目前多采用MAX232、MAX202、HIN232等芯片，它们同时集成了RS-232电平与TTL电平之间的互换。MAX232的引脚图第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DP9插头；DP9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。第三部分是供电。15脚DNG、16脚VCC（+5v）。•TTL/CMOSINPUTS端口：输入TLL或CMOS信号，一般为0-5V，低电平为零,高电平为VCC。•TTL/CMOSOUTPUTS端口：输出TLL或CMOS信号，输出电压一般为0-5V，低电平为零，高电平为VCC。•RS232OUTPUTS端口：把TTL或CMOS的信号转为RS232的信号输出，输出为正负12V连接到电脑。•RS232INPUTS端口：接收到电脑发出的正负12伏，由RS232输出转为TTL或CMOS信号。•MAX232内部有二组RS232转换电路•使用时11-----1413----12为一组.10-----78----9为一组3. RS-232C总线接口RS-232C标准总线为25根，采用标准的D型25芯插头座。现在都采用DB9接口。在最简单的全双工系统中，仅用发送数据、接收数据和信号地三根线即可。对于MCS-51单片机，利用其RXD(串行数据接收端)线、TXD(串行数据发送端)线和一根地线，就可以构成符合RS-232C接口标准的全双工通信接口。RS-232C总线接口引脚定义1(DCD)PC机收到远程信号（载波检测）2(RXD)PC机接收数据3(TXD)PC机发送数据4(DTR)PC机准备就绪5(SG)信号地6(DSR)对方准备就绪7(RTS)PC机请求接收数据8(CTS)双方已切换到接收状态(清除发送)9(RI)通知PC机，线路正常,振铃提示RS232接口电路4. RS-232C总线接口电路连接MAX232与串口插座的接法9.2.2RS-449、RS-422A、RS-423A标准接口1. RS-449标准接口RS-449是1977年公布的标准接口，可代替RS-232C。RS-449与RS-232C的主要差别在于信号在导线上的传输方法不同：RS-232C是利用传输信号与公共地的电压差，RS-449是利用信号导线之间的信号电压差，在1219.2m的24-AWG双绞线上进行数字通信的。RS-449规定了两种接口标准连接器，一种为37脚，一种为9脚。2. RS-422A、RS-423A标准接口RS-422A给出了RS-449中对于通信电缆、驱动器和接收器的要求，规定双端电气接口形式，其标准是双端线传送信号。它通过传输线驱动器，将逻辑电平变换成电位差，完成发送端的信息传递；通过传输线接收器，把电位差变换成逻辑电平，完成接收端的信息接收。RS-422A比RS-232C传输距离长、速度快，传输速率最大可达10Mb/s，电缆的允许长度为12m。如果采用低速率传输，最大距离可达1200m。RS-422A和TTL进行电平转换最常用的芯片是传输线驱动器SN75174和传输线接收器SN75175，这两种芯片的设计都符合EIA标准RS-422A，均采用+5V电源供电。RS-422A的接口电路如图7.7所示，发送器SN75174将TTL电平转换为标准的RS-422A电平；接收器SN75175将RS-422A接口信号转换为TTL电平。RS-423A和RS-422A文本一样，也给出了RS-449中对于通信电缆、驱动器和接收器的要求，但它给出的是不平衡信号差的规定，而RS-422A给出的是平衡信号差的规定。RS-422标准接口的最大传输速率为100kb/s，电缆的允许长度为90m。RS-423A和TTL之间也需要进行电平转换，常用的驱动器和接收器为3691和26L32。其接口电路如图7.8所示。图7.7RS-422A接口电平转换电路图7.8RS-423A接口电平转换电路9.2.320mA电流环串行接口20mA电流环是目前串行通信中广泛使用的一种接口电路。电流环串行通信接口的最大优点是低阻传输线对电气噪声不敏感，而且易实现光电隔离，因此在长距离通信时要比RS-232C优越得多。图7.9是一个实用的20mA电流环接口电路。它是一个加上光电隔离的电流环传送和接收电路。在发送端，该电路将TTL电平转换为环路电流信号；在接收端，它又将环路电流信号转换成TTL电平。图7.920mA电流环接口电路在计算机进行串行通信而要选择接口标准时，必须注意以下两点：(1)通信速度和通信距离。通常的标准串行接口都要满足可靠传输时的最大通信速度和传送距离指标，但这两个指标具有相关性，适当降低传输速度，可以提高通信距离。例如，采用RS-232C标准进行单向数据传输时，最大的传输速度为20kb/s，最大的传输距离为15m。采用RS-422A标准时，最大的传输速度可达10Mb/s，最大的传输距离为300m，适当降低传输速度，传输距离可达1200m。(2)抗干扰能力。通常选择的标准接口在保证不超过其使用范围时都有一定的抗干扰能力，以保证可靠的信号传输。但在一些工业测控系统中，通信环境十分恶劣，因此在选择通信介质、接口标准时，要充分考虑抗干扰能力，并采取必要的抗干扰措施。例如在长距离传输时使用RS-422A标准，能有效地抑制共模信号干扰；使用20mA电流环技术，能大大降低对噪声的敏感程度；在高噪声污染的环境中，通过使用光纤介质可减少噪声的干扰；通过光电隔离可以提高通信系统的安全性。9.3MCS-51的串行接口9.3.1MCS-51串行口结构51系列单片机有一个全双工的串行口，这个口既可以用于网络通信，也可以实现串行异步通信，还可以作为同步移位寄存器使用。MCS-51内部有两个独立的接收、发送缓冲器SBUF。SBUF属于特殊功能寄存器。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，二者共用一个字节地址(99H)。MCS-51串行口的结构如图7.10所示。串行口结构示意图1.串行口数据缓冲器SBUF在逻辑上只有一个，既表示发送寄存器，又表示接收寄存器，具有同一个单元地址99H，用同一寄存器名SBUF。在物理上有两个，一个是发送缓冲寄存器，另一个是接收缓冲寄存器。发送时，只需将发送数据输入SBUF，CPU将自动启动和完成串行数据的发送；接收时，CPU将自动把接收到的数据存入