串行接口數(shù)碼管顯示電路.doc

1MCS51芯片的串行輸入/輸出口1.1 串行輸入/輸出口概述計算機與它的外圍設(shè)備之間的基本通信模式有兩種：并行通信模式和串行通信模式。采用并行通信模式時，例如通過并行輸入/輸出口P1控制交通燈，所有數(shù)據(jù)位同時通過并行輸入/輸出口進行傳送。并行通信模式的優(yōu)點是數(shù)據(jù)傳送速度快，所有的數(shù)據(jù)位同時傳輸；缺點是電路復(fù)雜，一個并行的數(shù)據(jù)有多少位，就需要多少條傳輸線。采用串行通信模式時，所有的數(shù)據(jù)位按一定的順序、通過一條傳輸線逐個地進行傳送。串行通信模式的優(yōu)點是電路簡單，僅需要一條傳輸線；缺點是數(shù)據(jù)傳送速度慢。串行通信模式又可以再分為兩種模式：同步通信模式和異步通信模式。AT89S51單片機提供同步通信模式和異步通信模式兩種串行通信模式。異步通信模式工作在UART（Universal Asynchronous Receiver and Transmitter），可以同時進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。AT89S51單片機串行通信的接收部分具有緩沖能力，即已經(jīng)接收到的第一個字節(jié)在被讀取之前就可以開始接收第二個字節(jié)。但是應(yīng)當(dāng)注意，如果第二個字節(jié)完成接收，而第一個字節(jié)仍沒有被讀取，一個字節(jié)的數(shù)據(jù)將被丟失。串行輸入/輸出具有獨立的發(fā)送和接收緩沖寄存器，它們共同被稱作為串行數(shù)據(jù)緩沖寄存器（SBUF），并占用特殊功能寄存器的同一個地址（99H）。發(fā)送緩沖寄存器只能寫入不能讀出，接收緩沖寄存器只能讀出不能寫入，因此它們的區(qū)分可以通過指令來實現(xiàn)。串行輸入/輸出的數(shù)據(jù)使用管腳RXD（管腳10）和管腳TXD（管腳11）可以同時接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。管腳RXD和管腳TXD也就是管腳P3.0和管腳P3.1，這里它們被按P3口的第二功能來使用。1.2 串行輸入/輸出口的工作方式AT89S51串行口的工作可以被分為4種工作方式。這4種工作方式的簡述如下： 工作方式0串行口工作方式0為同步移位寄存器方式。在這種方式下，串行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收都是通過管腳RXD進行，管腳TXD用來傳送同步移位脈沖。串行數(shù)據(jù)一幀的數(shù)據(jù)位數(shù)為8位，傳輸時低位在前，高位在后。數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈适枪潭ǖ?，為單片機時鐘頻率的1/12。如果單片機的時鐘頻率為12MHz，則數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈适?MB。串行口工作方式0的數(shù)據(jù)傳輸波特率不受電源控制寄存器（PCON）中SMOD位的影響。本章將介紹利用串行口工作方式0實現(xiàn)數(shù)碼管的顯示。 工作方式1串行口工作方式1為異步通信（UART）方式。串行數(shù)據(jù)一幀的數(shù)據(jù)位數(shù)為10位：1位起始位（它的值為0）、8位數(shù)據(jù)位和1位停止位（它的值為1）。數(shù)據(jù)位傳輸時低位在前，高位在后。串行數(shù)據(jù)的發(fā)送通過管腳TXD進行；串行數(shù)據(jù)的接收通過管腳RXD進行。數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈适强勺兊?。在接收時，數(shù)據(jù)幀中的停止位進入串行口控制寄存器（SCON）的位RB8。 工作方式2串行口工作方式2為異步通信（UART）方式。串行數(shù)據(jù)一幀的數(shù)據(jù)位數(shù)為11位，1位起始位（它的值為0），8位數(shù)據(jù)位，1位可編程位和1位停止位（它的值為1）。數(shù)據(jù)位傳輸時低位在前，高位在后，緊接著是可編程位。串行數(shù)據(jù)的發(fā)送通過管腳TXD進行；串行數(shù)據(jù)的接收通過管腳RXD進行。數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈适枪潭ǖ?，是單片機的時鐘頻率的1/32或者1/64。具體工作在那一種波特率由電源控制寄存器（PCON）中SMOD位的內(nèi)容決定，當(dāng)SMOD位被置1，波特率是單片機時鐘頻率的1/32；當(dāng)SMOD位被清0，波特率是單片機時鐘頻率的1/64。在發(fā)送時，數(shù)據(jù)幀中可編程位的值取決于串行口控制寄存器（SCON）的位TB8。例如把程序狀態(tài)字（PSW）的位P的值送入TB8可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠媾夹ｒ灐Ｔ诮邮諘r，數(shù)據(jù)幀中的可編程位送入串行口控制寄存器（SCON）的位RB8，停止位這時被丟棄。 工作方式3串行口工作方式3除數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈适强勺兊囊酝?，其它與工作方式2相同1.3 串行輸入/輸出口工作控制寄存器控制串行輸入/輸出口工作的控制寄存器有2個：串行口控制寄存器（SCON）和電源控制寄存器（PCON）。 串行口控制寄存器（SCON）串行口控制寄存器（SCON）在特殊功能寄存器中的字節(jié)地址為98H，它即可以進行字節(jié)尋址，也可以進行位尋址。這個寄存器的格式如表1所示。表1 串行口控制寄存器（PCON）的格式表D7D6D5D4D3D2D1D0PCONSM0SM1SM2RENTB8RB8TIRI位地址9F9E9D9C9B9A9998復(fù)位值00000000在表1中，每一位的具體功能如下。SM0和SM1：串行口工作方式控制位，工作方式的功能說明如表2所示。表2 串行口的工作方式SM0SM1工作方式功能說明000同步移位寄存器方式0118位異步通信（UART）方式，波特率可變1029位異步通信（UART）方式，波特率為focs/64或者focs/321139位異步通信（UART）方式，波特率可變 表中focs為單片機的時鐘頻率SM2：串行口工作方式2和3的多機通信控制位。REN：串行接收使能控制位。TB8：串行口工作方式2和3時被發(fā)送的第9位數(shù)據(jù)。RB8：串行口工作方式2和3時被接收的第9位數(shù)據(jù)。TI：發(fā)送中斷標(biāo)志位。RI：接收中斷標(biāo)志位。 電源控制寄存器（PCON）電源控制寄存器（PCON）在特殊功能寄存器中的字節(jié)地址為87H，它沒有位尋址功能，只能進行字節(jié)尋址。這個寄存器的格式如表3所示。表3 電源控制寄存器PCON的格式表D7D6D5D4D3D2D1D0PCONSMODGF1GF0PDIDL復(fù)位值0XXX0000電源控制寄存器PCON中僅有D7位，SMOD，在串行輸入/輸出口的控制中被應(yīng)用，它被用來控制串行通信的波特率。SMOD為1時的波特率是它為0時的2倍。2基于串行輸入/輸出口的數(shù)碼管電路前面在并行輸入/輸出口的應(yīng)用中分別介紹了使用P1口實現(xiàn)交通燈的控制和數(shù)碼管的顯示。如果希望同時實現(xiàn)交通燈的控制和數(shù)碼管的顯示，那么僅使用P1口則是不夠的，這時需要使用更多的輸出端口。如前所述，AT89S51芯片向用戶提供的并行輸入/輸出口是有限的，因此必須想辦法進行擴展。應(yīng)用串行口工作方式0的同步移位寄存器方式是擴展輸入/輸出能力的一種方法。串行口工作方式0的輸出時序圖如圖1所示。圖1 串行口工作方式0的輸出時序圖當(dāng)向串行數(shù)據(jù)緩沖寄存器SBUF寫入一個數(shù)據(jù)，在管腳RXD和管腳TXD將自動產(chǎn)生如圖1所示的信號。管腳RXD輸出數(shù)據(jù)，管腳TXD輸出同步移位時鐘。同步移位時鐘的周期等于單片機的工作周期，因此輸出一個字節(jié)的數(shù)據(jù)需要8個單片機的工作周期。串行口輸出一個字節(jié)的數(shù)據(jù)需要8個單片機的工作周期這點在編程時應(yīng)該注意，不能連續(xù)地編寫2條向串行數(shù)據(jù)緩沖寄存器（SBUF）寫入數(shù)據(jù)的指令。因為如果第一個數(shù)據(jù)還沒有被全部發(fā)送出去，這時向串行數(shù)據(jù)緩沖寄存器（SBUF）再寫入一個數(shù)據(jù)，新寫入的數(shù)據(jù)將覆蓋沒有完成發(fā)送的第一個數(shù)據(jù)的剩余內(nèi)容，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸錯誤。管腳RXD的輸出數(shù)據(jù)不能直接送入數(shù)碼管，這是因為串行數(shù)據(jù)通過一條線輸出，而數(shù)碼管的工作則同時需要8個輸入信號。使用8位移位寄存器（串行輸入，并行輸出）74LS164可以把圖1所示的串行信號轉(zhuǎn)換成數(shù)碼管所需要的并行信號以滿足數(shù)碼管的需要。74LS164的功能表如表4所示。表4 74LS164的功能表輸 入輸 出MR CLK DSA DSBQ0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q70 0 0 0 0 0 0 0 01 0 Q00 Q10 Q20 Q30 Q40 Q50 Q60 Q701 1 1 1 Q00 Q10 Q20 Q30 Q40 Q50 Q601 0 0 Q00 Q10 Q20 Q30 Q40 Q50 Q601 0 0 Q00 Q10 Q20 Q30 Q40 Q50 Q60應(yīng)用串行口工作方式0和74LS164的數(shù)碼管的顯示電路如圖2所示。對比基于串行輸出口的數(shù)碼管電路和基于并行輸出口的數(shù)碼管電路，這里電路的硬件開銷并沒有增加，74LS164在這里完成了串/并轉(zhuǎn)換和電流放大雙重任務(wù)。圖2 基于串行輸出口的數(shù)碼管的顯示電路執(zhí)行指令： SBUF=0x3f；可以輸出共陰極數(shù)碼管字符“0”的顯示代碼。顯示代碼以圖1所示的時序從單片機輸出。首先顯示代碼的最低位數(shù)據(jù)從AT89S51的管腳RXD送到74LS164的管腳DSA和DSB，接著同步移位脈沖從AT89S51的管腳TXD送到74LS164的管腳CLK，在同步移位脈沖上升沿的作用下，顯示代碼的最低位數(shù)據(jù)被移入74164的管腳Q0。第2個同步移位脈沖的上升沿接著把代碼的最低位數(shù)據(jù)移入74164的管腳Q1，把跟著最低位的數(shù)據(jù)移入74LS164的管腳Q0。依次類推，8個同步移位脈沖完成把整個顯示代碼移入74LS164的輸出管腳，其中最低位在管腳Q7，最高位在管腳Q0。串/并轉(zhuǎn)換的整個過程需要8個單片機機器周期。如果單片機的時鐘頻率為12MHz，該過程需要8us。在轉(zhuǎn)換過程的8us中，數(shù)碼管的顯示是不斷變化的錯誤顯示，但是這個時間很短，我們的眼睛分辨不出這個變化。實際上圖2所示的基于串行輸出口的數(shù)碼管電路和基于并行輸出口的數(shù)碼管電路的工作區(qū)別是分辨不出來的。在向P1口傳送顯示代碼編寫的字符顯示程序的基礎(chǔ)上，把程序中的直接地址P1換成直接地址SBUF就可以用于圖2所示電路顯示字符。3數(shù)碼管應(yīng)用的進一步討論3. 1 多位數(shù)據(jù)的顯示圖2所示的基于串行輸出口的數(shù)碼管電路都只能支持一個數(shù)碼管的顯示，即一次只能顯示一位數(shù)據(jù)。如果需要顯示多位數(shù)據(jù)，例如希望數(shù)據(jù)能從00HFFH順序循環(huán)地顯示，圖2所示的電路必須進行改進。改進后的數(shù)碼管的顯示電路如圖3所示。圖3 基于串行輸出口的2位數(shù)碼管顯示電路在圖3所示的電路中，使用了2個74LS164來驅(qū)動2個數(shù)碼管。依次類推，采用串行傳輸方式，微控制器可以啟動多個數(shù)碼管。從單片機TXD管腳來的同步移位信號同時加到2個74LS164的管腳CLK，從單片機RXD管腳來的串行數(shù)據(jù)信號加到第一個74LS164的串行數(shù)據(jù)輸入口，