單片機原理及設(shè)計應(yīng)用第7章課件

1、第七章 MCS-51系列單片機 串行通信第一節(jié) 數(shù)據(jù)通信概述7.1.1數(shù)據(jù)通信 所謂的數(shù)據(jù)通信就是指設(shè)備之間的信息傳輸，涉及到傳輸介質(zhì)、傳輸協(xié)議、傳輸信號、數(shù)據(jù)格式等內(nèi)容。數(shù)據(jù)通信的內(nèi)容就是傳遞的信息，載體就是傳輸介質(zhì)，而通信中所需要遵循的統(tǒng)一規(guī)范就是協(xié)議等。一、數(shù)據(jù)與信號1、數(shù)據(jù) 信息作為通信的內(nèi)容可以是文字、符號、圖形、影音等，這些統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)。而數(shù)據(jù)在被傳送時，通常分為模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，前者為連續(xù)值，后者為離散值。 模擬數(shù)據(jù)反映的是連續(xù)的信息，是時間的連續(xù)函數(shù)。如溫度、壓力、話音和圖像等。 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)反映的是離散的信息，是時間的離散函數(shù)。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)就是用一系列符號代表的消息，而每個符號只可以

2、取有限個值。在傳送時，一段時間內(nèi)傳送一個數(shù)據(jù)，所以在時間上是離散的。因此，用來反映在取值上是離散的文字或符號的數(shù)據(jù)是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，如自然數(shù)（整數(shù)）、字符文本等。2、信號 信號（Signal）是數(shù)據(jù)的電編碼或電磁編碼。它分為兩種：模擬信號和數(shù)字信號。 模擬信號是在各種介質(zhì)上傳送的一種隨時間連續(xù)變化的電流、電壓或電磁波，可以選用適當(dāng)?shù)膮⒘啃盘栐陔p絞線、電纜和光纜上傳送。 數(shù)字信號是在介質(zhì)上傳送的一系列離散的電脈沖或光脈沖，是一種離散信號。模擬信號和數(shù)字信號可以相互轉(zhuǎn)換。二、模擬傳輸和數(shù)字傳輸1、模擬傳輸 模擬傳輸是傳輸模擬信號的一些方法，與這些信號所代表模擬數(shù)據(jù)或數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)無關(guān)，它們可以代表模擬數(shù)據(jù)，如

3、聲音；也可以代表數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，如通過調(diào)制解調(diào)器變換了的二進制數(shù)據(jù)，電話通信。 模擬信號傳送一定距離后，由于幅度衰減而失真變形，所以在長距離傳送時，需在沿途加若干放大器將信號放大。但放大器在放大信號的同時，也放大了噪聲，同樣引起誤差，且誤差是沿途累加的。對于聲音數(shù)據(jù)，有一點誤差，還可辨認(rèn)，但對數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，一點誤差都是不允許的。2、數(shù)字傳輸 數(shù)字傳輸是用以數(shù)字信號形式傳輸?shù)?。它可以直接傳輸二進制數(shù)據(jù)或編碼的二進制數(shù)據(jù)(為了更適合傳輸介質(zhì)的要求)，也可以傳輸數(shù)字化了的模擬數(shù)據(jù)，如數(shù)字化了的聲音。數(shù)字信號在傳輸過程中，也會由于信號幅度衰減而失真，但由于數(shù)字信號只包含有限個電平值，如二進制數(shù)字信號就只有兩個電

4、平值，分別用“0”和“1”表示，故只要在數(shù)字信號衰減到可能無法辨認(rèn)是原電平之前，在沿途適當(dāng)?shù)胤剑ㄒ话銥?0km）加一中繼器將該信號恢復(fù)原值，即可繼續(xù)傳輸。三、數(shù)據(jù)傳輸基本概念1、帶寬 每種信號都要占據(jù)一定的頻率范圍，我們稱該頻率范圍為帶寬。如聲音的頻率范圍主要在3003400Hz之間，故電話線一條話路的帶寬是3003400Hz。又如一條電纜，可傳送1MHz頻率范圍的信號，稱該電纜的帶寬為1MHz。所以一般信號頻譜所占有的頻率寬度稱為信號帶寬；而把傳輸介質(zhì)所能允許通過的信號的頻率范圍稱為介質(zhì)帶寬。2、數(shù)據(jù)傳輸速率 數(shù)據(jù)傳輸速率也叫數(shù)據(jù)率，指單位時間內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。常用的有兩種表現(xiàn)形式：比特率和波

5、特率。 比特率即每秒鐘傳輸多少位二進制數(shù)據(jù)，單位為位秒，記作bps。數(shù)據(jù)率高低由每位所占時間決定，如果每一位所占時間即脈沖寬度越小，則數(shù)據(jù)率越高。如2400bps，指在一秒內(nèi)可傳輸2400位數(shù)據(jù)。 波特率是指每秒鐘傳輸?shù)男盘柌ㄐ蔚膫€數(shù)。單位為波特，記作Baud或B。它與比特率是聯(lián)系的，對于傳輸?shù)男盘枺绻總€信號只包含一個二進制數(shù)據(jù)位，那么此時波特率和比特率相等；如果每個信號是由多個二進制數(shù)據(jù)位組成的，那么此時比特率與波特率是不同的。3、位時間 位時間是指傳送一個二進制位所需時間，用Td 表示。4、誤碼率 誤碼率是衡量數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)或通信信道傳輸可靠性的一個參數(shù)。其定義是：二進制位（碼元）在傳輸

6、中被傳錯的概率。當(dāng)所傳送的數(shù)字序列足夠長時，它近似地等于被傳錯的二進制位（碼元）與所傳輸總位（碼元）數(shù)的比值。5、信噪比 數(shù)據(jù)在傳輸?shù)倪^程中會受到干擾或其他影響，這樣在信號中就會出現(xiàn)噪音，而噪音的產(chǎn)生會使數(shù)據(jù)傳輸出錯的幾率大大增加。噪聲的大小通常由信噪比來表示，是指信號功率S與噪聲功率N的比值。一般用10lgS/N來表示，單位為分貝。6、傳播速度 在通信線路上，信號在單位時間內(nèi)傳送的距離稱為傳播速度。7、延遲 它表示在網(wǎng)絡(luò)中從發(fā)送第一位數(shù)據(jù)起，到最后一位數(shù)據(jù)被接收所經(jīng)歷的時間。該參數(shù)表示網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)速度，延遲越少，響應(yīng)越快，性能越好。影響延遲的因素隨網(wǎng)絡(luò)技術(shù)而異，主要有傳輸延遲、傳播延遲等等。7.

7、1.2 并行通信與串行通信在微型計算機中，通信（數(shù)據(jù)交換）有兩種方式：串行通信和并行通信。 串行通信是指計算機與I/O設(shè)備之間僅通過一條傳輸線交換數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的各位是按順序依次一位接一位進行傳送。 并行通信是指計算機與I/O設(shè)備之間通過多條傳輸線（至少8條）交換數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的各位同時進行傳送。7.1.3 串行通信過程及通信協(xié)議一、串行通信傳輸模式 按照同一時刻數(shù)據(jù)流的方向不同可分成三種基本傳輸模式：全雙工、雙工和單工傳送。 全雙工是指在任意時刻數(shù)據(jù)的流動方向都可以是雙向的； 雙工又稱為半雙工，是指數(shù)據(jù)的流動方向可以是雙向的，但是在某一時刻是單向的，不能夠?qū)崿F(xiàn)同一時刻的雙向傳輸； 單工是指在任意時刻

8、數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蚨贾荒苁菃蜗虻模荒苓M行反向傳輸。1、異步串行通信方式 所謂異步通信，是指數(shù)據(jù)傳送以字符（或字節(jié)）為單位，字符與字符間的傳送是完全異步的，位與位之間的傳送基本上是同步的。 2、同步串行通信方式 所謂同步通信，是指數(shù)據(jù)傳送是以數(shù)據(jù)塊（一組字符）為單位，字符與字符之間、字符內(nèi)部的位與位之間都同步，各設(shè)備使用的是同一個時鐘信號。 二、串行通信協(xié)議 由于有異步和同步兩種通信方式，所以串行通信協(xié)議常采用也有異步協(xié)議和同步協(xié)議兩類。1、異步協(xié)議 這里講的協(xié)議主要是數(shù)據(jù)格式問題，也就是字符幀的格式。異步串行通信的數(shù)據(jù)格式為每個字符幀由起始位、數(shù)據(jù)位、校驗位、結(jié)束位4個部分組成。2、同步協(xié)議 同

9、步通信是一種連續(xù)串行傳送數(shù)據(jù)的通信方式，一次通信只傳送一幀信息。該幀和異步通信中的幀不同，通常含有若干個數(shù)據(jù)字符，而且數(shù)據(jù)連續(xù)發(fā)送，數(shù)據(jù)間不留空隙。同步協(xié)議有面向字符和面向比特兩種。這里主要講面向字符的同步協(xié)議。字符幀格式均由同步字符、數(shù)據(jù)字符、校驗字符（CRC循環(huán)冗余校驗）三部分組成。同步通信中，在數(shù)據(jù)開始傳送前用12個同步字符SYNC來指示，并由時鐘來實現(xiàn)發(fā)送端和接收端同步，即檢測到規(guī)定的同步字符后，下面就連續(xù)按順序傳送若干個數(shù)據(jù)，直到最后2個校驗字符后，數(shù)據(jù)塊通信結(jié)束。第二節(jié) 串行口的寄存器7.2.1串行口寄存器結(jié)構(gòu)7.2.2 串行口相關(guān)寄存器一、串行口控制寄存器SCONSCON用于確定

10、串行通到的工作方式、接收和發(fā)送控制以及各串行口的狀態(tài)標(biāo)志。單元地址98H，位地址9FH98H。寄存器的內(nèi)容及位地址表如下：位地址9FH9EH9DH9CH9BH9AH99H98H位符號SM0SM1SM2RENTB8RB8TIRI二、電源控制寄存器PCONPCON主要是為CHMOS型單片機的電源控制而設(shè)置的專用寄存器，其中只有一位SMOD和串行口有關(guān)。單元地址內(nèi)容如下：位 序D7D6D5D4D3D2D1D0位符號SMOD/GF1GF0PDIDL第三節(jié) 串行口的四種工作方式7.3.1工作方式0 工作方式0為同步移位寄存器輸入/輸出方式，常用于擴展I/O口。串行數(shù)據(jù)通過RXD(P3.0)端輸入或輸出，

11、而同步移位時鐘由TXD(P3.1)端送出，作為外部器件的同步時鐘信號。1、發(fā)送過程：當(dāng)CPU將數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖器SBUF時，串行口TI清0，將8位數(shù)據(jù)以fosc/12的波特率由RXD引腳輸出，同時由TXD引腳輸出同步脈沖，字符發(fā)送完畢，將中斷發(fā)送標(biāo)志TI置1。2、接收過程：控制字設(shè)置為方式0，而且應(yīng)允許接收位REN=1，清除RI，接收器啟動后RXD作為數(shù)據(jù)輸入端，TXD作為同步信號輸出端，接收器以focs/12波特率采樣RXD引腳數(shù)據(jù)信息，當(dāng)接收完8位數(shù)據(jù)，RI置1。 注：工作方式0時，SM2必須=0。7.3.2工作方式1 該方式用于串行發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時，是10位通用異步接口，TXD用于發(fā)送數(shù)

12、據(jù)，RXD用于接收數(shù)據(jù)。該種的工作方式的時鐘脈沖由定時器T1決定，即波特率是由T1決定的，而且通常定時器T1是工作在工作方式2下的。收發(fā)一幀數(shù)據(jù)的格式為：1位起始位+8位數(shù)據(jù)位+ 1位結(jié)束位。波特率=2SMODT1溢出率/32 （SMOD=0，1）；T1溢出率=focs/（12（256-T1初值）7.3.3工作方式2 串行口以每幀11位異步通信格式收發(fā)數(shù)據(jù)。收發(fā)一幀數(shù)據(jù)格式：1位起始位 +8位數(shù)據(jù)位+1位可編程位(奇偶校驗)+ 1位結(jié)束位。 波特率=2SMODfosc/647.3.4工作方式3 工作方式3與工作方式2的工作狀況完全一樣，只是波特率不同。 波特率=2SMODT1溢出率/32 （S

13、MOD=0，1）注：由于計算機硬件不對TI RI清0，所以編程中一定要在接收和發(fā)送完畢后用軟件對TI和RI清0在接收狀態(tài)下，還要注意對允許接收位REN置1。第四節(jié) 串行口應(yīng)用一、串行口擴展 工作方式0是同步操作的工作方式，可實現(xiàn)串行輸入-并行輸出和并行輸入-串行輸出功能。1、串行輸入-并行輸出 例7-1利用51單片機的串行口實現(xiàn)8位流水燈，晶振6MHZ。 解：可采用74系列芯片中的164串入-并出移位寄存器，引腳功能如表7-4，流水燈采用共陰極接法，從左到右依次閃亮，閃亮延時采用軟件延時程序。電路如圖7-6。 引腳功能1串行數(shù)據(jù)輸入2串行數(shù)據(jù)輸入36并行數(shù)據(jù)輸出7地 (0V)8時鐘輸入（低電平

14、到高電平邊沿觸發(fā)）9并行輸出控制（高電平有效）1013并行數(shù)據(jù)輸出14電源Vcc ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0023H AJMP CXK0 ORG 0030H MAIN:MOV SCON,#00H ;串行口初始化，工作方式0 MOV A,#80H ;流水燈初值CLR P2.0 ;關(guān)閉并行輸出 MOV SBUF,A ;數(shù)據(jù)進入串行口緩沖寄存器 SETB EA ;中斷初始化 SETB ES SJMP $ CXK0:SETB P2.0 ;開始并行輸出 DEL: MOV R1,#80 ;延時程序 LOOP1:MOV R2,#200 LOOP:DJNZ R2,LOOP DJNZ R

15、1,LOOP1 CLR TI ;清串行口發(fā)送中斷標(biāo)志位 RR A;流水燈下一狀態(tài) MOV SBUF,A RETI END2、并行輸入-串行輸出例7-2利用51單片機的串行口實現(xiàn)8個獨立式按鍵控制。解：可采用74系列的165并入-串出移位寄存器，外接8個獨立式按鍵控制P2口的8個LED共陰極燈。165芯片引腳功能如表7-5，接口電路如圖7-7。 當(dāng)1引腳為“0”時，數(shù)據(jù)并行進入移位寄存器；當(dāng)1引腳為“1”時，且15引腳為“0”，移位寄存器中的數(shù)據(jù)串行輸出。引腳功能1移位與置位控制端2時鐘輸入端7，9串行輸出端（7反9原）8地10擴展端，多個165時首尾連接1114，36并行數(shù)據(jù)輸入端15時鐘禁止

16、端16電源Vcc ORG 0000H MAIN:CLR P1.0 SETB P1.0 MOV SCON,#10H;由于采用工作方式0接收數(shù)據(jù)，所以REN為1 JNB RI,$ CLR RI MOV A,SBUF MOV P2,AEND二、雙機通信雙機通信是指單片機與單片機之間或單片機與PC機之間進行的點對點的異步串行通信，這就需要采用工作方式1、2或3，來進行通信協(xié)議的設(shè)置。只有通信雙方采取相同的波特率、數(shù)據(jù)格式等規(guī)定，才能夠使雙方的通信正常順利的進行。 例7-351單片機的雙機通信。 解：通信工作在工作方式3下（11位數(shù)據(jù)格式），波特率為2400bit/s，晶振6MHz，根據(jù)公式：波特率=2

17、SMODT1溢出率/32 （SMOD=0，1），取SMOD=1，定時器T1工作在方式2下， 計算得到T1初值為：TH1=TL1=F3H。 發(fā)送端將片內(nèi)40H45H單元中數(shù)據(jù)送到接收端50H55H單元，采用奇偶校驗，查詢方式。接口電路如圖。發(fā)送端程序： ORG 0000H MOV 40H,#4 ;預(yù)設(shè)40H45H單元數(shù)據(jù)，可任意取小于255的數(shù) MOV 41H,#10 MOV 42H,#15 MOV 43H,#2 MOV 44H,#23 MOV 45H,#7 MAIN:MOV TMOD,#20H ;波特率設(shè)定 MOV TH1,#0F3H MOV TL1,#0F3H SETB TR1 MOV SC

18、ON,#0D0H ;串行口初始化 MOV PCON,#80H MOV R0,#40H MOV R5,#6 LO:MOV A,R0 MOV C,P MOV TB8,C MOV SBUF,A MOV P1,A ;送P1口顯示 JNB TI,$ ;查詢是否一個字符幀傳送結(jié)束 CLR TI INC R0 DJNZ R5,LO END接收端程序： ORG 0000H MAIN:MOV TMOD,#20H MOV TL1,#0F3H MOV TH1,#0F3H SETB TR1 MOV SCON,#0D0H MOV PCON,#80H MOV R1,#50H MOV R5,#6 CLR P2.0 L01:JNB RI,$ CLR RI MOV A,SBUF MOV 56H,A MOV C,P MOV 00H,C MOV C,RB8 MOV 08H,C MOV A,20H CJNE A,21H,L0 ;判斷數(shù)據(jù)傳輸是否正確 MOV A,56H MOV R1,A MOV P1,A INC R1 DJNZ R5,L01; AJMP ED L0:SETB P2.0 ;若不正確則點亮P2.0處小燈 ED:NOP END練習(xí)題1說明數(shù)字信號和模擬信號的區(qū)別。2簡述串行