第八章 串行口与串行通信

第八章串行口与串行通信8.1串行通信概述8.2单片机的串行口8.3串行通信工作方式8.4串行口通信的应用举例8.1串行通信概述•8.1.1同步通信和异步通信方式•8.1.2波特率•8.1.3通信方向•8.1.1同步通信和异步通信方式•通信方式有两种：并行通信和串行通信。通常根据信息传送的距离决定采用哪种通信方式。如果距离小于30米时，可采用并行通信方式；当距离大于30米时，则要采用串行通信方式。MCS-51系列单片机具有并行和串行两种通信方式。串行通信又有异步通信和同步通信两种。8.1.1同步通信和异步通信方式•1．同步通信•在同步通信中，开始传送数据前用同步字符来指示(常约定1-2个)，并由时钟来实现发送端和接收端同步，即检测到规定的同步字符后，下面就连续按顺序传送数据，直到通信告一段落。•插入的同步字符可以是单同步字符方式或双同步字符方式，然后是连续的数据块。同步字符可以由用户约定，也可以采用ASCII码中规定的SYN代码，即16H。•在同步传送时，要求用时钟来实现发送端和接收端之间的同步。为了保证接收正确，发送方除了传送数据外，还要把时钟信号同时传送出去。•同步传送的优点是可以提高传送速率，但硬件比较复杂。同步通信格式如图8-1所示。8.1.1同步通信和异步通信方式图8-1同步通信格式8.1.1同步通信和异步通信方式•2．异步通信•在异步通信中，数据是一帧一帧（包含一个字符代码或一字节数据）传送的，每一帧数据的格式如图8-2所示。•图8-2异步通信格式8.1.1同步通信和异步通信方式•在帧格式中，一个字符由四部分组成：起始位、数据位、奇偶校验位、停止位。首先是一位起始位“0”，然后是5～8位数据（规定低位在前，高位在后）接下来是奇偶校验位，最后一位停止位“１”。起始位“0”用来通知接收设备准备接收数据，其后紧跟数据位，它可以是5位～8位，奇偶校验位可省略，停止位表示字符的结束，它一般是高电平“1”。两个字符间有空闲位的情况，空闲位为“1”。8.1.2波特率•波特率即数据传送的速率，表示每秒传送二进制代码的位数，它的单位是位/秒，又称波特。•假如数据传送速率是120字符/秒，每个字符由一个起始位、8个数据位和一个停止位组成，则数据的波特率为10×120=1200位/秒=1200波特，数位的波特率为8×120=960位/秒=960波特。•异步通信的波特率在50到19200波特间，同步通信的波特率在56千波特或更高。8.1.3通信方向•在串行通信中，若单片机的通信接口只能发送数据或只能接收数据，这种单方向传送的方式称为单工通信。若单片机的通信接口既能发送数据也能接收数据，且发送数据和接收数据可以同时进行，这种传送的方式称为全双工通信。如果接收数据和传送数据不能同时进行，只能分时接收数据和传送数据，称为半双工通信。8.2单片机的串行口•8.2.1串行口结构与工作原理•8.2.2串行口控制寄存器SCON•8.2.3电源控制寄存器PCON8.2.1串行口结构与工作原理•单片机通过引脚P3.0（RXD串行数据接收端）和引脚P3.1(TXD串行数据发送端)与外界进行串行通信，其内部结构如图8-3所示。图8-3串行口内部结构示意图8.2.1串行口结构与工作原理•专用寄存器SBUF是串行口缓冲寄存器，即是发送寄存器也是接收寄存器，占用同一个地址空间99H。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。接收器是双缓冲结构，以避免在接收到第二帧数据前，CPU还未取走前一帧数据，而造成两帧数据重叠的错误。对于发送器，因为发送时CPU是主动的，不会产生重叠错误，一般不需要双缓冲器结构，以保持最大传送率。•串行口的发送和接收是通过对SBUF读写来实现的。通常向SBUF发出“写”命令，即指令“MOVSBUF，A”向发送缓冲器SBUF装载并开始由TXD引脚向外界发送一帧数据，发送完成后，中断标志位TI置1。8.2.1串行口结构与工作原理•在满足串行口接收中断标志位RI（SCON.0）=0的条件下,置允许接收位REN（SCON.4）=1，串口就会启动接收一帧数据进入输入移位寄存器,并装载到接收SBUF中,同时使RI=1。发出读SBUF命令，执行命令“MOVA，SBUF”，即是由接收缓冲器SBUF取出信息，通过单片机内部总线送给CPU。8.2.2串行口控制寄存器SCON•单片机串行口开始工作，必须首先设置串口控制寄存器SCON。串行通信的方式选择、接收和发送控制以及串行口的状态标志均由专用寄存器SCON控制。其地址为98H，可以通过位寻址来控制其每一位的状态，其格式如图8-4所示。图8-4串行口控制字SCON8.2.2串行口控制寄存器SCON•各位具体设置如下。•1．RI（SCON.0）•接收中断标志位，RI置位表示一帧信息接收完毕。•（1）在方式0中，当接收完第8位数据时，由硬件将RI位置位；•（2）在其他三种方式中，在接收到停止位时由硬件将RI位置位。RI置位即表示一帧信息接收结束，并已装入接收SBUF中，要求CPU取走数据，同时申请中断。若CPU响应中断，则取走数据，准备接收下一帧数据，中断被响应后，RI不会自动清零，必须由软件清零。也可用软件查询该位状态，判断接收是否结束。8.2.2串行口控制寄存器SCON•2．TI（SCON.1）•发送中断标志位，TI=1表示一帧信息发送结束。•（1）在方式0中，第8位发送结束时，由硬件将TI位置位；•（2）在其他三种方式中，在发送停止位之初，由硬件将TI位置位。TI置位意味着向CPU提供“发送缓冲器SBUF已空”的信息，CPU可以准备发送下一帧数据,同时申请中断，但中断被响应后，TI不会自动清零，必须由软件清零。也可用软件查询该位状态，判断发送是否结束。8.2.2串行口控制寄存器SCON•3．RB8（SCON.2）•（1）方式0中,该位未用。•（2）方式1中,若SM2=0(即不是多机通信情况),RB8中存放的是已接收到的停止位。•（3）用方式2和方式3进行异步通信时,把接收到的第9位数据放在RB8中。它或是约定的奇/偶校验位，或是约定的地址/数据标志位。•在多机通信中，若SM2=1，RB8=1，说明接收到的数据为地址帧。8.2.2串行口控制寄存器SCON•4．TB8（SCON.3）•（1）方式0和方式1中,该位未用。•（2）用方式2和方式3进行异步通信时，发送数据第9位取自特殊功能寄存器SCON的TB8。•在许多通信协议中它可作为奇/偶校验位，也可在多机通信中作为发送地址帧或数据帧的标志位。在多机通信中，若TB8=1说明发送过来的该帧数据为地址；TB8=0说明发送过来的该帧数据为数据字节。8.2.2串行口控制寄存器SCON•5．REN（SCON.4）•允许接收控制位。由软件置1或清零。它相当于串行接收的开关，只有当REN=1时才允许接收数据，若REN=0，则禁止接收数据。•在串行通信接收控制程序中，如果满足RI=0，且置位REN=1（允许接收）的条件，就会启动一次接收过程，一帧数据就装入接收SBUF中。8.2.2串行口控制寄存器SCON•6．SM2（SCON.5）•多机通信控制位,主要用于方式2和方式3。•若SM2=0不属于多机通信，接收一帧数据后，置RI=1，并把接收到的数据装入SBUF中。串口工作在方式0时,SM2必须为零。•若SM2=1，允许多机通信。串口工作在方式1时,若SM2=1,则只有接收到有效停止位时,RI才置1,以便接收下一帧数据。当串口工作在方式2和方式3接收数据时，根据多机通信协议规定，第9位数据为“1”，说明本帧数据为地址，数据装入SBUF并置RI=1；若第9位为“0”，说明本帧为数据帧，则使中断标志位RI=0，信息丢失。8.2.2串行口控制寄存器SCON•7．SM0、SM1（SCON.7和SCON.6)通过这两位选择串口工作方式,如表8-1所示。8.2.2串行口控制寄存器SCON•（1）方式0：8位同步移位寄存器方式。•（2）方式1：10位异步收发，一帧字符包括1位起始位、8位数据位、1位停止位。串行接口电路在发送时能自动插入起始位、停止位。•（3）方式2和方式3：11位异步收发，除了1位起始位、8位数据位、1位停止位外，还可以插入第9位数据位，两种方式波特率不同。8.2.3电源控制寄存器PCON•电源控制寄存器PCON中只有波特率加倍位SMOD与串行口有关，如图8-5所示。在串行口方式1、方式2和和方式3中，波特率加倍位SMOD=1时，波特率提高一倍。8.3串行通信工作方式•8.3.1工作方式0•8.3.2工作方式1•8.3.3工作方式2•8.3.4工作方式3•8.3.5波特率设计••8.3.1工作方式0•方式0以8位数据为一帧字符，不设起始位和停止位，先发送或接收最低位。它为同步移位寄存器输入/输出方式，常用于扩展I/O口。串行口通过RXD（P3.0）输入数据，TXD(P3.1)专用于输出时钟脉冲给外部移位寄存器，作为扩展外围器件的同步信号。通过74LS164芯片可扩展并行输出口，通过74LS165芯片可扩展输入口。方式0的波特率为晶振频率的1/12。若晶振频率为12MHz,则波特率为1Mb/s。8.3.2工作方式1•方式1用于串行发送和接收，为10位通用异步接口。串行口通过RXD（P3.0）输入数据，而通过TXD(P3.1)输出数据。一帧数据的格式为1位起始位、8位数据位（低位在前）、1位停止位，共10位。在接收时，停止位进入SCON的RB8中。此方式的波特率可变化，为.T1的溢出率。其中SMOD可取0或1，定时器的溢出率为定时时间的倒数，决定于定时器的初值。8.3.3工作方式2•方式2为每帧11位异步通信格式，由TXD和RXD发送与接收数据。每帧11位，即1位起始位、8位数据位（低位在前）、1位可编程的第9位和1位停止位。•单机通信时，发送数据的第9位取自TB8，它可以设置为1或0，也可将奇偶位装入TB8中，从而进行奇偶校验，发送完毕，置TI为“1”。•接收数据时，若SCON中的REN=1，表示允许接收数据。当满足RI=0且SM2=0时，前8位数据送入SBUF，附加的第9位数据位进入SCON的RB8中，并置RI为“1”。•方式2的波特率为或。32fosc64fosc8.3.4工作方式3•方式3也为每帧11位异步通信格式，由TXD和RXD发送与接收数据。帧格式、发送和接收数据方式与方式2相同，只是其波特率由定时器溢出率决定。•方式3的波特率可变化，为.T1的溢出率。其中SMOD可取0或1，T1的溢出率决定于定时器T1的初值。8.3.5波特率设计•在串行通信中，收发双方发送或接收数据的速率，称为波特率。MCS-51系列单片机串行口方式0和方式2的波特率是固定的；而方式1和方式3的波特率是可变的，由定时器T1的溢出率决定。•1．方式0的波特率：方式0的波特率为fosc/12。•2．方式2的波特率：方式2的波特率为fosc/32或fosc/64。•3．方式1和方式3的波特率：它们的波特率由定时器T1的溢出率与SMOD值共同决定，为.T1的溢出率。定时器T1作波特率发生器时，通常选用定时器T1工作方式2（自动重装初值方式）。若T1的初值用X表示，则：•T1的溢出率=/（28—X）•方式1、方式3的波特率=×322SMOD12fosc322SMOD)X256(12fosc8.3.5波特率设计•例8.1MCS-51系列单片机时钟频率为11.0529MHz，串口工作方式1时，选用定时器T1工作方式2作为波特率发生器，波特率为2400b/s,求定时器T1的初值。•解：设置波特率控制位（SMOD）=0，定时器T1的初值：•X=256-=244D=0F4H•所以，定时器T1的初值为0F4H•系统晶振频率选为11.0592MHz就是为了使初值为整数，从而产生精确的波特率。•如果串行通信选用很低的波特率，可将定时器T1置于工作方式0或工作方式1，即13位或16位定时方式；但在这种情况下，T1溢出时，需要中断服务程序重装初值。中断响应时间和执行指令时间会使波特率产生一定的误