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1、第十章 MCS51串行通信接口技术微机联网： 单片机与单片机；单片机与其他微机之间实现信息共享；典型的计算机测量与控制系统构成：一个典型集散式（DCS）控制系统的构成10.1 串行通信基础数据通信方式：并行通信与串行通信并行通信：一次传输8（16、32Bit）8根数据线，1根控制线，1根状态线，地线，共11根； 特点：速度快，适合近距离传输 计算机并口，打印机，8255 串行通信： 数据一位一位地发送 ，一根发送线，一根接受线，地线，共3根特点：硬件方便，适合距离远，速度要求不高的场合分类：同步串行通信和异步串行通信一、 异步通信：串行通信就是将并行的数据分开后，一位一位地发送出去，接收方也是
2、一位一位地接收数据，这就需要通信的双方有一个协议，什么时候开始发送，什么时候发送完毕；接收方收到的信息是否正确等，而这些信息只能以电平的高低来表示，构成这些位的数据称为一帧。异步串行通信规定了传输数据的结构即帧格式：起始位 数据位 奇偶校验位 停止位 1 起始位：在数据发送线上规定无数据时电平为1，当要发送数据时，首先发送一个低电平0，表示数据传送的开始，这就是起始位。2 数据位：真正要传送的数据，可以是8位、10位等多位，数据位是由地位开始，高位结束；3 奇偶校验：数据发送完后，发送奇偶校验位，以检验数据传送的正确性，这中方法是有限的，但是容易实现。4 停止位：表示数据传送的结束，可以是一位
3、或两位。帧格式： 二、 同步通信同步通信先发送一个字符，作为同步字符，之后便连续发送数据，数据之间不能有间隔，直到数据发送完毕。速度要比异步通信快通用异步接受/发送器（UNIVERSAL ASYNCHRONOUS RECEIVER/TRANSMITTER）：UART：8250 6850 三、 单工、半双工、全双工通信方式按通信进行的过程，分为：单工、半双工、全双工通信方式1 单工方式一端是发送端，另外一端是接收端：接收器发送器2 半双工发式每端口由一个发送器和接收器，通过开关连接在线路上，数据可以双方交换，但不能同时发送和接收.接收器发送器发送器接收器 3. 全双工方式发送器接收器接收器发送器
4、 通信双方用两个独立的收发器单独连接,可以同时发送和接收数据,因而提高了速度。4 波特率单位时间内传送的信息量。以每秒传送的位为单位：电传机：10字符/秒，1个字符11位， 波特率位：1011=110（波特）位宽：传送过程中平均每位占用时间 Td = 9.1ms(1/110)10.2串行通信总线标准及接口在测控系统中，计算机通信主要采用异步串行通信方式，常用的异步串行通信接口标准有三种：RS-232（RS-232A RS-232B RS-232C）RS-449 （RS422 RS423 RS485）20mA电流环一、 通信方式的选取1 通信速率和通信距离 这两个方面是相互制约的，降低通信速率，
5、可以提高通信距离 RS-232C：速率：20Kbit/S，最大通信距离：15m RS422： 10Mbit/s， ：300m 90Kbit/s， ：1200m2 抗干扰能力 采用标准的通信接口，本身具有一定的抗干扰能力，但是工业现场的情况往往很恶劣，因而要根据具体情况进行选择。 RS232C：一般场合 RS422： 共模信号比较强 光纤： 电磁干扰较强二、 RS232C简介美国电子工业协会（EIA）公布的一种异步通信标准：RS232C标准：设备之间通信的距离不大于15米最大传输速率20KB/S采用负逻辑：“1” 5V 15V “0” +5V + 15V不带负载时输出电平：25V +25V输出短
6、路电流： 0.5A最大负载电容: 2500pF TTL电平可以由专用集成电路转换成RS232C标准; 如: MC1488 或 75188 TTL RS232CMC1489 或 75189 RS232C TTL +12V +5VMC1489 MC1488 TTL TTL 12V 由于MC1488需要采用12V电源，一般在单片机通信中大量使用的是只需要+5V电源、具有发送和接收的一体化芯片，如：MAX232、ICL232、ADM202等。 MAX232芯片及接口内部有两路接收器和发送器具有电源变换电路 C5 VCC C3 C1+ V+ +5V 至 +10V （倍压器） C1- C2+ V- +10
7、V 至 10V （电压反向器） C2- +10V C1 10V C2 C4 T1 T1int 11 14 T1out T1 T2int 10 7 T2out R1 R1out 12 13 R1in R2 R2out 9 8 R2int MAX232原理图 电源变换电路：C1，C2，C3，C4，V+，V；MCS51 RXDTXDGNDMAX232MCS51 TXD RXD GNDMAX232 T1in T1out R1out R1in MCS51双机通信（利用MAX232）三、 调制与解调RS232C通信距离很短，RS422通信距离不过1200米；更长距离需采用调制与解调。10.3 MCS-51
8、的串行口的结构8051有一个可编程的全双工串行通信接口，它可作UART用，也可作同步移位寄存器，其帧格式可有8位、10位或ll位，并能设置各种波特率，给使用者带来很大的灵活性。一、结 构805l通过引脚RXD(P30，串行数据接收端)和引脚TXD(P3.l，串行数据发送端)与外界进行通信。其内部结构简化示意图如图所示。串行口内部结构示意图图中有两个物理上独立的接收、发送缓冲器SBUF，它们占用同一地址99H，可同时发送、接收数据。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。 串行发送与接收的速率与移位时钟同步。8051用定时器T1作为串行通信的波特率发生器，T1溢出率经2分频(
9、或不分频)又经16分频作为串行发送或接收的移位脉冲。移位脉冲的速率即是波特率。 从图中可看出，接收器是双缓冲结构，在前个字节被从接收缓冲器SBUF读出之前，第二个字节即开始被接收(串行输入至移位寄存器)，但是，在第二个字节接收完毕而前个字节CPU未读取时会丢失前一个字节。 串行口的发送和接收都是以特殊功能寄存器SBUF的名义进行读或写的，当向SBUF发“写”命令时(执行MOV SBUF，A指令)，即是向发送缓冲器SBUF装载并开始由TXD引脚向外发送一帧数据，发送完便使发送中断标志位TI1。 在满足串行口接收中断标志位RISCON00的条件下，置允许接收位REN(SCON4)1就会启动接收一帧
10、数据进入输入移位寄存器，并装载到接收SBUF中，同时使RIl。当发读SBUF命令时(执行MOV A，SBUF指令)，即是由接收缓冲器(SBUF)取出信息通过8051内部总线送CPU。对于发送缓冲器，因为发送时CPU是主动的,不会发生重迭错误，所以不需要用双缓冲结构来保持最大传送速率。二、串行口控制字及控制寄存器8051串行口是一个可编程接口，对它的编程只用两个控制字分别写入特殊功能寄存器：串行口控制寄存器SCON(98H)和电源控制寄存器PCON(97H)个即可。 1SCON(98H)8051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等均由特殊功能寄存器SCON控制和指示。其控制字
11、格式如图所示:SCOND7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 98HSM0SM1SM2RENTB8RB8TIRI (1) SM0和SMl 串行口工作方式选择位。两个选择位对应4种通信方式(见表2)，其个fosc是振荡频率。表2 串行口的工作方式SM0SM1工作方式 说 明 波 特 率00方式0同步移位寄存器 fosc/201方式110位异步收发由定时器1控制10方式211位异步收发fosc/32或fosc/6411方式311位异步收发由定时器1控制 (2) SM2 多机通信控制位，主要用于方式2和方式3。若置SM21，则允许多机通信。多机通信协议规定，第9位数据(D8)为l，说明本帧数
12、据为地址帧；若第9位为0，则本帧为数据帧。当一个8051(主机)与多个8051(从机)通信时，所有从机的SM2位都置1。主机首先发送的一帧数据为地址，即某从机机号，其中第9位为1、被寻地址的某个从机接收到数据后，将其中第9位装入RB8。从机依据收到的第9位数据(RR8个)的值来决定从机可否再接收主机的信息，若(RB8)0，说明是数据帧，则使接收中断标志位RI0，信息丢失；若RB81，说明是地址帧，数据装入SBUF并置RI1，中断所有从机被寻址的目标从机清除SM2以接收主机发来的一帧数据。其他从机仍然保持SM21。 若SM20，即不属于多机通信情况，则接收一帧数据后不管第9位数据是0还是1都置R
13、Il，接收到的数据装入SBUF中。 根据SM2这个功能，可实现多个8051应用系统的串行通信。 在方式1时，若SM21，则只有接收到有效停止位时，RI才置1，以便接受下一帧数据。 在方式0时，SM2必须是0 。 (3) REN 允许接收控制位。由软件置1或清0，只有当RENl时才允许接收，相当于串行接收的开关；若REN0、则禁止接收。 在串行通信接收控制程序中，如果满足RI0，置位REN1(允许接收)的条件，就会启动一次接收过程，一帧数据就装载入接收SBUF中。 (4) TB8 发送数据的第9位(D8)装入TB8中。在方式2或方式3中根据发送数据的需要由软件置位或复位。在许多通信协议中可作奇偶
14、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。对于后者TB81，说明发送该帧数据为地址；TE80，说明发送该帧数据为数据。在方式0和方式1中，该位末用。 (5) RB8 接收数据的第9位。在方式2或方式3中、接收到的第9位数据放在RB8位。它或是约定的奇偶校验位，或是约定的地址数据标识位，在方式2和3多机通信中，若SM21，如果RB8l，说明收到的数据为地址帧。 在方式1中，若SM20(即不是多机通信情况)，RB8中存放的是已接收到的停止位。 在方式0中，该位末用。 (6) TI 发送中断标志。在一帧数据发送完时被置位。在方式0串行发送第8位结束时，或其它方式串行发送到停止位的开始时
15、由硬件置位，可用软件查询。它同时也申请中断，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。串行口发送中断被响应后，TI不会自动复0，必须由软件清0。 (7)RI 接收中断标志。 在接收到一帧有效数据后由硬件置位。在方式0中，第8位数据发送结束时，由硬件置位；在其它三种方式下，则在接收到停止位中间时由硬件置位。RI1，中请中断。表示一帧数据接收结束，并已装入接收SBUF中，要求CPU取走数据。CPU响应中断，取走数据。RI也必须内软件清0，解除中断申请，并准备接收下一帧数据。 串行发送中断标志TI和接收中断标志RI是同一个中断源，CPU事先不知道是发送
16、中断TI还是接收中断RI产生的中断请求，所以在全双工通信时，必须由软件来判别。 复位时，SCON所有位均清0 。 2PCON(87H) 电源控制寄存器PCON中只有一位SMOD与串行口工作有关，如图所示：PCON D787HSMOD 电源控制寄存器 SMOD 波特率倍增位。在串行口方式1、方式2和方式3时，波特率和2SMOD成正比；即当SMOD1时，波特率提高一倍。复位时，SMOD0。三、串行通信工作方式 根据实际需要，805l串行口可设置为四种工作方式；可有8位，10位和11位帧格式。方式0以8位数据为一帧、不设起始位和停止位，先发送或接收最低位。其帧格式如下：D0D1D2D3D4D5D6D
17、7方式1以10位数据为一帧,设有一个起始位“0”和一个停止位“1”，中间是8位数据。先发送或接收最低位。其帧格式如下：0D0D1D2D3D4D5D6D71方式2和3以11位为1帧传输，设有1个起始位“0”，8个数据位，1个附加第九位和1个停止位“1”，其帧格式为：0D0D1D2D3D4D5D6D7D81附加第九位(D8)由软件置l或清0。发送时在TB8中，接收时送RB8中。 1.串行口方式0方式0为同步移位寄存器输入输出方式，常用于扩展IO口。串行数据通过RxD输入或输出，而TxD用于输出移位时钟，作为外接部件的同步信号，如图为发送电路及时序:这种方式不适用于两个8051之间的直接数据通信，但
18、可以通过外接移位寄存器来实现单片机的接口扩展。例如，采用74Lsl64可用于扩展并行输出口，74Ls165可用于扩展输入口。在这种方式下，收发的数据为8位，低位在前，无起始位、奇偶位及停止位，波特率固定为振荡器频率fosc的l12，即： 方式0波特率fosc/12 例如，当晶体振荡频率为12MHz时，则波待率为1Mbs。发送过程中，当执行一个数据写入发送缓冲器SBUF(99H)的指令时，串行口把SBUF中8位数据以fosc12的波待率从RxD(P30)端输出，发送完毕置中断标志TI1，方式0发送时序如图所示.写SBUF指令在S6P1处产生个正脉冲，在下一个机器周期的S6P2处数据的最低位输出到
19、RxD(P30)脚上；在再下一个机器周期的S3、S4、S5输出移位时钟为低电平，而在S6及下一个机器周期的S1、S2为高电平，就这样将8位数据由低位至高位一位一位顺序通过RxD线输出，并在TxD脚上输出fosc12的移位时钟。在写SBUF”有效后的第10机器周期的SlPl将发送中断标志TI置位。图中74Ls164是TTL“串入并出”移位寄存器。接收时，用软件置REN1(同时RI0)，即开始接收。接收时序如图所示:当使SCON中的REN1(RI0)时，产生一个正的脉冲，在下个机器周期的S3P1S5P2从TxD(P31)脚上输出低电平的移位时钟，在此机器周期的S5P2对P30脚采样，并在本机器周期
20、的S6P2通过串行口内的输入移位寄存器将采样值移位接收；在同一个机器周期的S6P1到下一个机器周期的S2P2，输出移位时钟为高电平。于是，将数据字节从低位至高位一位一位地接收下来并装入SBUF中，在启动接收过程(即清RI位)将SCON中的RI清0之后的第10个机器周期的S1Pl，RI被置位。这一帧数据接收完毕，可进行下帧接收。 2串行口方式1方式1真正用于实行发送或接收，为10位通用异步接口。TxD与RxD分别用于发送与接收数据，收发一帧数据的格式为：1位起始位、8使数据位(低位在前)、1位停止位，共10位。在接收时停止位进入SC0N的RD8，此方式的传送波特率可调。 串行口方式1的发送和接收
21、时序如图所示： 方式1发送时，数据从引脚TxD端输出，当执行数据写入发送缓冲器SBUF的命令时就启动了发送器开始发送。发送时的定时信号，也就是发送移位时钟(TX时钟)，是内部定时器T1送来的溢出信号经过16分频或32分频(取决SMOD的值)而取得的。TX时钟就是发送波特率，可见方式1波特率是可变的。发送开始的同时，SEND变为有效，将起始位向TxD输出，此后每过个TX时钟周期(16分频计数器溢出一次为一个时钟周期，因此，Tx时钟频率由波待率决定)产生一个移位脉冲，并由TXD输出一个数据位，8位数据位全部发送完后，置位TI，并申请中断。再经一个时钟周期SEND失效。 方式1接收时，数据从引脚RX
22、D端输入。接收是在SCON寄存器中REN位置1的前提下，并检测到起始位(RxD上检测到“1”“0”的跳变，即起始位)而开始的。接收时，定时信号有两种：一种是接收移位时钟(RX时钟)，它的频率和传送波特率相同，也是由定时器T1的溢出信号经过16或32分频而得到的；另一种是位检测器采样脉冲，它的频率是RX时钟的16倍，亦即在一位数据的期间有16位检测器采样脉冲，为完成检测，以16倍于波特宰的速率对RXD进行采样。为了接收准确无误，在正式接收数据之前，还必须判定这个“l”“0”跳变是否是干扰引起的。为此，在这位中间(即一位时间分成16等份，在第7、8及9等份)连续对RxD采样三次，取其中两次相同的值
23、进行判断所检测的值。这样能较好地消除干扰的影响。当确认是真正的起始位“0”后，就开始接收一帧数据。当一帧数据接收完毕后，必须同时满足以下两个条件、这次接收才真正有效。 RI0，即上一帧数据接收完成时，RI1发出的中断请求已被响应，SBUF中数据已被取走。由软件使RI0，以便提供“接收SBUF已空”的信息。 SM20或收到的停止位为1(方式1时停止位进入RB8)，则将接收到的数据装入串行口的SBUF和RB8(RB8装入停止位)，并置位RI；如果不满足接收到的数据不能装入SBUF，这意味着该帧信息将会丢失。值得注意的是：在整个接收过程中，保证RENl是一个先决条件。只有当REN1，才能对RXD进行
24、检测。 3串行口方式2和方式3 串行口工作在方式2和方式3均为每帧11位异步通信格式，由TxD和RXD发送与接收(两种方式操作是完全一样的，所不同的只是特波率)。每帧11位；l位起始位，8位数据位(低位在前)，1位可编程的第9数据位和1位停止位。发送时，第9数据位(TB8)可以设置为1或0，也可将奇偶位装入TB8，从而进行奇偶校验；接收时，第9数据位进入SCON的RB8。方式2和方式3的发送、接收时序如图所示。其操作与方式1类似。 发送前，先根据通信协议由软件设置TB8(如作奇偶校验位或地址数据标志位)，然后将要发送的数据写入SBUF，即能启动发送过程。串行口能自动把TB8取出，并装入列第9位
25、数据的位置，再逐一发送出去。发送完毕，使TIl。接收时，使SCON中的REN1，允许接收。当检测到RXD端有“1”到“0”的跳变(起始位)时开始接收9位数据，送入移位寄存器(9垃)。半满足RI0且SM20或接收到的第9位数据为1时，前8位数据送入SBUF，附加的第9位数据送入SCON中的RB8，置RI为1；否则，这次接收无效。 四、波特率设计 在串行通信中，收发双方对发送或接收的数据速率要有一定的约定，我们通过软件对SC0N串行口编程可约定四种工作方式。其中方式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Tl的溢出率来决定。 串行口的四种工作方式对应三种波特率。由于输
26、入的移位时钟的来源不同，所以，各种方式的波特率计算公式也不同。 1方式0的波特率 方式0波特率fosc12 2方式2的波特率串行口方式2波特率的产生与方式0不同，即输入的时钟源不同，其时钟输入部分见图所示：控制接收与发送的移位时钟由振荡频率fosc的P2时钟(即fosc2)给出，所以，方式2波特率取决于PCON中SMOD位的值：当SMOD0时，波特率为fosc的六十四分之一；若SMOD1，则波特率为fosc的三十二分之一。即 方式2的波特率2SMODfosc64 3方式1和方式3的波特率 方式1和方式3的移位时钟脉冲由定时器T1的溢出率决定，因此8051串行口方式1和方式3的波特率由定时器T1
27、的溢出率与SMOD值同时决定。 方式1、3波特率T1的溢出率/n当SMOD0时，n32;SMOD=1时n=16。所以，可用下式确定方式1、3的波特率 方式1、3波特率(T1溢出速率)其中，T1溢出速率取决于T1的计数速率(计数速率fosc12)和T1预置的初值。T1采用模式1时，波特率公式如下： 串行方式1、3波持率216一初值 定时器T1作波特率发生器使用时，通常选用定时器模式2(自动重装初值定时器)比较实用。要设置定时器T1为定时方式(使C/T0)，让T1计数内部振荡脉冲，即计数速率为fosc12(注意应禁止T1中断，以免溢出而产生不必要的中断)。先设定THl和TLl定时计数初值为x，那么
28、每过“28X”个机器周期，定时器T1就会产生一次溢出。因此T1溢出速率为：T1溢出速率(256 X)串行方式1、3波持率 由此可以计算定时器T1模式2下的初值。 例：805l单片机时钟振荡频率为110592MHz，选用定时器T1模式2作波特率发生器，波持率为2400波特求初值。 解：设置波特率控制位(SMOD)= 0 2400 2400 = 所以: (TH1)(TL1) F4H 系统晶体振荡频率选为110592MHz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置于模式0或模式1，即13位或16位定时方式；但在这种情况下，T1溢出时，需用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差，可用改变初值的办法加以调整。