xaut 第7章 MCS-51的串行口

單片機(jī)原理及應(yīng)用主講：梁德勝聯(lián)系方式：dsliang@辦公地點(diǎn)：教五樓408室

2/4/20231第2章2.7MCS-51的串行口

1計(jì)算機(jī)串行通信基礎(chǔ)28051的串行口3

單片機(jī)串行口應(yīng)用舉例2/4/202321計(jì)算機(jī)串行通信基礎(chǔ)

隨著多微機(jī)系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及，計(jì)算機(jī)的通信功能愈來愈顯得重要。計(jì)算機(jī)通信是指計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備或計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的信息交換。通信有并行通信和串行通信兩種方式。在多微機(jī)系統(tǒng)以及現(xiàn)代測控系統(tǒng)中信息的交換多采用串行通信方式。2/4/20233并行通信通常是將數(shù)據(jù)字節(jié)的各位用多條數(shù)據(jù)線同時(shí)進(jìn)行傳送。并行通信特點(diǎn)：控制簡單、傳輸速度快；由于傳輸線較多，長距離傳送時(shí)成本高且接收方的各位同時(shí)接收存在困難。

2/4/20234串行通信是將數(shù)據(jù)字節(jié)分成一位一位的形式在一條傳輸線上逐個(gè)地傳送。串行通信的特點(diǎn)：傳輸線少，長距離傳送時(shí)成本低，且可以利用電話網(wǎng)等現(xiàn)成的設(shè)備，但數(shù)據(jù)的傳送控制比并行通信復(fù)雜。

2/4/202351.1串行通信的基本概念

一、異步通信與同步通信1、異步通信異步通信是指通信的發(fā)送與接收設(shè)備使用各自的時(shí)鐘控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收過程。為使雙方的收發(fā)協(xié)調(diào)，要求發(fā)送和接收設(shè)備的時(shí)鐘盡可能一致。

2/4/20236

異步通信是以字符（構(gòu)成的幀）為單位進(jìn)行傳輸，字符與字符之間的間隙（時(shí)間間隔）是任意的，但每個(gè)字符中的各位是以固定的時(shí)間傳送的，即字符之間是異步的（字符之間不一定有“位間隔”的整數(shù)倍的關(guān)系），但同一字符內(nèi)的各位是同步的（各位之間的距離均為“位間隔”的整數(shù)倍）。為了實(shí)現(xiàn)一步傳輸字符的同步，采用的辦法是使傳送的每一個(gè)字符都以起始位“0”開始，以停止位“1”結(jié)束。如此，傳送的每一個(gè)字符都以起始位來進(jìn)行收發(fā)雙方的同步。停止位和間隙作為時(shí)鐘頻率偏差的緩沖，即使雙方時(shí)鐘頻率略有偏差，總的數(shù)據(jù)流也不會(huì)因?yàn)槠畹姆e累而導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)位。2/4/20237異步通信的數(shù)據(jù)格式：異步通信的特點(diǎn)：不要求收發(fā)雙方時(shí)鐘的嚴(yán)格一致，實(shí)現(xiàn)容易，設(shè)備開銷較小，但每個(gè)字符要附加2～3位用于起止位，各幀之間還有間隔，因此傳輸效率不高。2/4/202382、同步通信同步通信時(shí)要建立發(fā)送方時(shí)鐘對接收方時(shí)鐘的直接控制，使雙方達(dá)到完全同步。此時(shí)，傳輸數(shù)據(jù)的位之間的距離均為“位間隔”的整數(shù)倍，同時(shí)傳送的字符間不留間隙，即保持位同步關(guān)系，也保持字符同步關(guān)系。2/4/20239二、串行通信的傳輸方向1、單工單工是指數(shù)據(jù)傳輸僅能沿一個(gè)方向，不能實(shí)現(xiàn)反向傳輸。2、半雙工半雙工是指數(shù)據(jù)傳輸可以沿兩個(gè)方向，但需要分時(shí)進(jìn)行。3、全雙工全雙工是指數(shù)據(jù)可以同時(shí)進(jìn)行雙向傳輸。

單工半雙工全雙工2/4/202310三、信號的調(diào)制與解調(diào)

利用調(diào)制器（Modulator）把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，然后送到通信線路上去，再由解調(diào)器（Demodulator）把從通信線路上收到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。由于通信是雙向的，調(diào)制器和解調(diào)器合并在一個(gè)裝置中，這就是調(diào)制解調(diào)器MODEM。DTE：計(jì)算機(jī)終端設(shè)備；DCE：數(shù)據(jù)通訊設(shè)備2/4/202311四、串行通信的錯(cuò)誤校驗(yàn)：奇偶校驗(yàn)在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)位尾隨的1位為奇偶校驗(yàn)位（1或0）。奇校驗(yàn)時(shí)，數(shù)據(jù)中“1”的個(gè)數(shù)與校驗(yàn)位“1”的個(gè)數(shù)之和應(yīng)為奇數(shù)；偶校驗(yàn)時(shí)，數(shù)據(jù)中“1”的個(gè)數(shù)與校驗(yàn)位“1”的個(gè)數(shù)之和應(yīng)為偶數(shù)。接收字符時(shí)，對“1”的個(gè)數(shù)進(jìn)行校驗(yàn)，若發(fā)現(xiàn)不一致，則說明傳輸數(shù)據(jù)過程中出現(xiàn)了差錯(cuò)。2/4/202312五、傳輸速率：波特率

波特率:是串口每秒傳輸二進(jìn)制代碼的位數(shù)，單位是：位／秒（bps）。如每秒鐘傳送240個(gè)字符，而每個(gè)字符格式包含10位(1個(gè)起始位、1個(gè)停止位、8個(gè)數(shù)據(jù)位)，這時(shí)的比特率為：

10位×240個(gè)/秒=2400bps2/4/2023137.1.2串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)

一、RS-232C接口RS-232C是EIA（美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)）1969年修訂RS-232C標(biāo)準(zhǔn)。RS-232C定義了數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）與數(shù)據(jù)通信設(shè)備（DCE）之間的物理接口標(biāo)準(zhǔn)。1、機(jī)械特性RS-232C接口規(guī)定使用25針連接器，連接器的尺寸及每個(gè)插針的排列位置都有明確的定義。（陽頭）2/4/2023142、功能特性：2/4/2023153電氣特性

EIA-RS-232C對電器特性、邏輯電平和各種信號線功能都作了規(guī)定。在TxD和RxD上：邏輯1(MARK)=-3V～-15V

邏輯0(SPACE)=+3～＋15在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制線上信號有效（接通，ON狀態(tài)，正電壓）＝+3V～+15V信號無效（斷開，OFF狀態(tài)，負(fù)電壓)=-3V～-15V

2/4/202316以上規(guī)定說明了RS-323C標(biāo)準(zhǔn)對邏輯電平的定義。對于數(shù)據(jù)（信息碼）：邏輯“1”（傳號）的電平低于-3V，邏輯“0”（空號）的電平高于+3V；對于控制信號；接通狀態(tài)（ON）即信號有效的電平高于+3V，斷開狀態(tài)(OFF)即信號無效的電平低于-3V，也就是當(dāng)傳輸電平的絕對值大于3V時(shí)，電路可以有效地檢查出來，介于-3～+3V之間的電壓無意義，低于-15V或高于+15V的電壓也認(rèn)為無意義，因此，實(shí)際工作時(shí)，應(yīng)保證電平在±(3～15)V之間。2/4/2023174、過程特性過程特性規(guī)定了信號之間的時(shí)序關(guān)系，以便正確地接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。使用MODEM的遠(yuǎn)程通信2/4/202318PC與外設(shè)的RS-232直接連接最簡單的RS-232數(shù)據(jù)通訊連接2/4/2023195、RS-232C電平與TTL電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)電路2/4/2023202/4/2023216、采用RS-232C接口存在的問題（1）傳輸距離短，傳輸速率低

RS-232C總線標(biāo)準(zhǔn)受電容允許值的約束，使用時(shí)傳輸距離一般不要超過15米（線路條件好時(shí)也不超過幾十米）。最高傳送速率為20Kbps。（2）有電平偏移

RS-232C總線標(biāo)準(zhǔn)要求收發(fā)雙方共地。通信距離較大時(shí)，收發(fā)雙方的地電位差別較大，在信號地上將有比較大的地電流并產(chǎn)生壓降。（3）抗干擾能力差

RS-232C在電平轉(zhuǎn)換時(shí)采用單端輸入輸出，在傳輸過程中當(dāng)干擾和噪聲混在正常的信號中。為了提高信噪比，RS-232C總線標(biāo)準(zhǔn)不得不采用比較大的電壓擺幅。2/4/202322二、RS-422A接口

2/4/202323RS-422A標(biāo)準(zhǔn)接口總線采用雙端電氣接口形式，通過傳輸線驅(qū)動(dòng)器，把邏輯電平變換為電位差，完成發(fā)送端的數(shù)據(jù)傳送；在終端通過傳輸線接收器，把電位差轉(zhuǎn)換為邏輯電平，完成信息接收。RS-422A每個(gè)通道需要用2條信號線，如果其中一條線為邏輯“1”狀態(tài)，另一條線就為邏輯“0”。差分電路能從地線干擾中拾取有效信號，差分接收器可以分辨200mV以上電位差。差分放大器可使干擾和噪聲相互抵消。可以避免或大大減弱地線干擾和電磁干擾的影響。RS-422A傳輸距離為120米時(shí)，傳輸速率可達(dá)10Mbps。降低速率傳輸時(shí)（90Kbps）時(shí)，傳輸距離可達(dá)1200米。

2/4/202324三、RS-485接口

2/4/202325

RS-485是RS-422A的變型：RS-422A用于全雙工，而RS-485則用于半雙工。RS-485是一種多發(fā)送器標(biāo)準(zhǔn)，容許雙導(dǎo)線上一個(gè)發(fā)送器驅(qū)動(dòng)32個(gè)負(fù)載設(shè)備。

RS-485的信號傳輸采用兩線間的電壓來表示邏輯1和邏輯0。由于發(fā)送方需要兩根傳輸線，接收方也需要兩根傳輸線。傳輸線采用差動(dòng)信道，所以它的干擾抑制性極好，又因?yàn)樗淖杩沟?，無接地問題，所以傳輸距離可達(dá)1200米，傳輸速率可達(dá)1Mbps。2/4/202326

RS-485是一點(diǎn)對多點(diǎn)的通信接口，一般采用雙絞線的結(jié)構(gòu)。普通的PC機(jī)一般不帶RS485接口，因此要使用RS-232C/RS-485轉(zhuǎn)換器。對于單片機(jī)可以通過芯片MAX485來完成TTL/RS-485的電平轉(zhuǎn)換。在計(jì)算機(jī)和單片機(jī)組成的RS-485通信系統(tǒng)中，下位機(jī)由單片機(jī)系統(tǒng)組成，主要完成工業(yè)現(xiàn)場信號的采集和控制，上位機(jī)為普通的PC機(jī)，負(fù)責(zé)監(jiān)視下位機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，并對其狀態(tài)信息進(jìn)行集中處理，以圖文方式顯示下位機(jī)的工作狀態(tài)以及工業(yè)現(xiàn)場被控設(shè)備的工作狀況。系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)（包括上位機(jī)）的識別是通過設(shè)置不同的站地址來實(shí)現(xiàn)的。2/4/2023277.28051的串行口

有兩個(gè)物理上獨(dú)立的接收、發(fā)送緩沖器SBUF，它們占用同一地址99H；接收器是雙緩沖結(jié)構(gòu)；發(fā)送緩沖器，因?yàn)榘l(fā)送時(shí)CPU是主動(dòng)的，不會(huì)產(chǎn)生重疊錯(cuò)誤。

7.2.18051串行口的結(jié)構(gòu)

2/4/202328SCON是一個(gè)特殊功能寄存器，用以設(shè)定串行口的工作方式、接收/發(fā)送控制以及設(shè)置狀態(tài)標(biāo)志：

7.2.28051串行口的控制寄存器

2/4/202329SM0和SM1為工作方式選擇位，可選擇四種工作方式：

2/4/202330●SM2，多機(jī)通信控制位，主要用于方式2和方式3。方式2和方式3中，如果SM2置為1，且接收到的第九位RB8為0時(shí)不激活RI。在方式0時(shí)，SM2必須是0。在方式1時(shí)，若SM2=1，則只有接收到有效停止位時(shí)，RI才置1。●REN，允許串行接收位。由軟件置REN=1，則啟動(dòng)串行口接收數(shù)據(jù)；若軟件置REN=0，則禁止接收。●TB8，在方式2或方式3中，是發(fā)送數(shù)據(jù)的第九位。

可以用軟件規(guī)定其作用。可以用作數(shù)據(jù)的奇偶校驗(yàn)位，或在多機(jī)通信中，作為地址幀/數(shù)據(jù)幀的標(biāo)志位。2/4/202331●RB8，在方式2或方式3中，接收到數(shù)據(jù)的第九位。作為奇偶校驗(yàn)位或地址幀/數(shù)據(jù)幀的標(biāo)志位。在方式1中，若SM2=0，則RB8是接收到的停止位。在方式0中，不使用RB8?！馮I，發(fā)送中斷標(biāo)志位。在方式0時(shí)，當(dāng)串行發(fā)送完第8位數(shù)據(jù)時(shí)由硬件置位。在其它方式中，當(dāng)發(fā)送停止位的開始時(shí)由硬件置位，向CPU發(fā)中斷申請。在中斷服務(wù)程序中，必須用軟件將其清0，取消此中斷申請。●RI，接收中斷標(biāo)志位。在方式0時(shí)，當(dāng)串行接收第8位數(shù)據(jù)結(jié)束時(shí)由硬件置位。在其它方式中，在接收到停止位的中間時(shí)刻由硬件置位，向CPU發(fā)中斷申請，取走數(shù)據(jù)。必須在中斷服務(wù)程序中，用軟件將其清0，取消此中斷申請。2/4/202332PCON中只有一位SMOD與串行口工作有關(guān)

：

SMOD（PCON.7）波特率倍增位。在串行口方式1、方式2、方式3時(shí)，波特率與SMOD有關(guān)，當(dāng)SMOD=1時(shí)，波特率提高一倍。復(fù)位時(shí)，SMOD=0。2/4/202333

7.2.38051串行口的工作方式

一、方式0

方式0時(shí)，串行口為同步移位寄存器的輸入輸出方式。主要用于擴(kuò)展并行輸入或輸出口。數(shù)據(jù)由RXD（P3.0）引腳輸入或輸出，同步移位脈沖由TXD（P3.1）引腳輸出。發(fā)送和接收均為8位數(shù)據(jù)，低位在先，高位在后。波特率固定為fosc/12。

1、方式0輸出2/4/202334

2、方式0輸入2/4/202335

方式0接收和發(fā)送電路2/4/202336

二、方式1

方式1是10位數(shù)據(jù)的異步通信口。TXD為數(shù)據(jù)發(fā)送引腳，RXD為數(shù)據(jù)接收引腳，傳送一幀數(shù)據(jù)的格式如圖所示。其中1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位。

2/4/202337

（1）方式1輸出2/4/202338

（2）方式1輸入2/4/202339用軟件置REN為1，當(dāng)檢測到RXD引腳上由1到0的跳變時(shí)開始接收過程，并復(fù)位內(nèi)部16分頻計(jì)數(shù)器，以實(shí)現(xiàn)同步。計(jì)數(shù)器除以16個(gè)狀態(tài)把一位時(shí)間等分為16份，并在計(jì)數(shù)器的第7、8、9個(gè)計(jì)數(shù)狀態(tài)時(shí)采樣RXD引腳電平，每位數(shù)值采樣3次，當(dāng)3個(gè)值中至少有2個(gè)值相同時(shí)，這2個(gè)相同值才被確認(rèn)接收，可以排除噪聲干擾。2/4/202340檢測到RXD引腳輸入電平發(fā)生負(fù)跳變時(shí)，則說明起始位有效，將其移入輸入移位寄存器，并開始接收這一幀信息的其余位。接收過程中，數(shù)據(jù)從輸入移位寄存器右邊移入，起始位移至輸入移位寄存器最左邊時(shí)，控制電路進(jìn)行最后一次移位。當(dāng)RI=0，且SM2=0（或接收到的停止位為1）時(shí)，將接收到的9位數(shù)據(jù)的前8位數(shù)據(jù)裝入接收SBUF，第9位（停止位）進(jìn)入RB8，并置RI=1，向CPU請求中斷。2/4/202341

三、方式2和方式3

方式2或方式3時(shí)為11位數(shù)據(jù)的異步通信口。TXD為數(shù)據(jù)發(fā)送引腳，RXD為數(shù)據(jù)接收引腳。2/4/202342方式2和方式3時(shí)起始位1位，數(shù)據(jù)9位（含1位附加的第9位，發(fā)送時(shí)為SCON中的TB8，接收時(shí)為RB8），停止位1位，一幀數(shù)據(jù)為11位。方式2的波特率固定為晶振頻率的1/64或1/32，方式3的波特率由定時(shí)器T1的溢出率決定。

2/4/202343

（1）方式2和方式3輸出2/4/202344由“寫入SBUF信號”把8位數(shù)據(jù)寫入SBUF，同時(shí)把TB8裝到發(fā)送移位寄存器的第9位上，并通知控制器開始發(fā)送。發(fā)送開始時(shí)，先把起始位0輸出到TXD引腳，然后發(fā)送移位寄存器的輸出位（D0）到TXD引腳。每一個(gè)移位脈沖都使輸出移位寄存器的各位右移一位，并由TXD引腳輸出。第一次移位時(shí)，停止位“1”移入輸出移位寄存器的第9位上，以后每次移位，左邊都移入0。當(dāng)停止位移至輸出位時(shí)，左邊其余位全為0，檢測電路檢測到這一條件時(shí)，使控制電路進(jìn)行最后一次移位，并置TI=1，向CPU請求中斷。2/4/202345

（2）方式2和方式3輸入2/4/202346接收過程由檢測到RXD引腳的負(fù)跳變開始。當(dāng)檢測到負(fù)跳變時(shí)，16分頻計(jì)數(shù)器立即復(fù)位，同時(shí)把1FFH寫入輸入移位寄存器。計(jì)數(shù)器的16個(gè)狀態(tài)把一位時(shí)間等分為16份，并在計(jì)數(shù)器的第7、8、9個(gè)計(jì)數(shù)狀態(tài)時(shí)采樣RXD引腳電平。如果起始位有效，則將其移入輸入移位寄存器，并開始接收這一幀信息的其余位。接收時(shí)，數(shù)據(jù)從右邊移入輸入移位寄存器。在起始位0移到最左邊時(shí)，控制電路進(jìn)行最后一次移位。當(dāng)滿足（1）當(dāng)RI=0，且SM2=0；（2）接收到的第9位數(shù)據(jù)為1時(shí)，將接收到的9位數(shù)據(jù)的前8位數(shù)據(jù)裝入接收SBUF，第9位進(jìn)入RB8，并置RI=1，向CPU請求中斷。2/4/202347四、波特率的計(jì)算在串行通信中，收發(fā)雙方對發(fā)送或接收數(shù)據(jù)的速率要有約定。通過軟件可對單片機(jī)串行口編程為四種工作方式，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的波特率是可變的，由定時(shí)器T1的溢出率來決定。串行口的四種工作方式對應(yīng)三種波特率。由于輸入的移位時(shí)鐘的來源不同，所以，各種方式的波特率計(jì)算公式也不相同。2/4/2023481、方式0時(shí)，發(fā)送和接收的波特率是固定的，波特率等于振蕩頻率的1/12.

方式0的波特率=fosc/122、方式2時(shí)，發(fā)送和接收的波特率也是固定的，但是與PCON中的SMOD位有關(guān)：

方式2的波特率=（2SMOD/64）·fosc

2/4/2023493、方式1和方式3的波特率是可變的。其與定時(shí)器的溢出率和SMOD位有關(guān)。

方式1和方式3的波特率＝T1的溢出率/n

當(dāng)SMOD=0時(shí)，n=32；當(dāng)SMOD=1時(shí)，n=16；因此：

方式1和方式3的波特率=（2SMOD/32）·（T1溢出率）

T1的溢出率指T1每秒溢出的次數(shù)，取決于T1的計(jì)數(shù)速率和T1的預(yù)置初值。2/4/202350

當(dāng)T1作為波特率發(fā)生器時(shí)，為了避免引起不必要的中斷，最典型的用法是使T1工作在自動(dòng)再裝入的8位定時(shí)器方式即方式2，此時(shí)，計(jì)數(shù)速率為fosc/12。T1溢出率取決于TH1中的計(jì)數(shù)值。

T1溢出率=fosc/(12×(256－(TH1)))

方式1和方式3的波特率

=(2SMOD/32)·(T1溢出率)=(2SMOD/32)·(fosc/(12×(256－(TH1))))=(fosc·2SMOD)/(384×(256－TH1))

反過來，T1的初值計(jì)算公式為：

(TH1)＝256－((fosc·2SMOD)/(384x波特率))2/4/202351在單片機(jī)的應(yīng)用中，常用的晶振頻率為：12MHz和11.0592MHz。所以，選用的波特率也相對固定。常用的串行口波特率以及各參數(shù)的關(guān)系如表所示。2/4/202352具體步驟如下：確定T1的工作方式（編程TMOD寄存器）；計(jì)算T1的初值，裝載TH1、TL1；啟動(dòng)T1（編程TCON中的TR1位）；確定串行口控制（編程SCON寄存器）；串行口在中斷方式工作時(shí)，要進(jìn)行中斷設(shè)置（編程IE、IP寄存器）。使用串行口之前，應(yīng)對其進(jìn)行初始化，主要是設(shè)置產(chǎn)生波特率的定時(shí)器1、串行口控制和中斷控制。2/4/202353【例】將內(nèi)部RAM50H～5FH中的數(shù)據(jù)從串口輸出，串行接口以方式2工作，TB8作奇偶校驗(yàn)位。數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖器之前要將數(shù)據(jù)的奇偶位寫入TB8(利用查詢方式和中斷方式分別實(shí)現(xiàn))。2/4/202354查詢方式程序如下：

LOOP0:MOVSCON,#80H；方式2MOVPCON,#80H；波特率倍增

MOVR0,#50HMOVR7,#10HLOOP1:MOVA,@R0MOVC,PMOVTB8,CMOVSBUF,AWAIT:JBCTI,LOOP2SJMPWAIT；等待發(fā)送完成

LOOP2:INCR0DJNZR7,LOOP1RET2/4/202355

ORG0000HLJMPMAINORG0023HLJMPSERIALINTORG0100HMAIN:MOVSCON,#80H；方式2MOVPCON,#80H；波特率倍增

MOVR0,#50HMOVR7,#10H

SETBESSETBEAMOVA,@R0MOVC,P中斷方式程序如下：2/4/202356MOVTB8,CMOVSBUF,ASJMP$SERIALINT:CLRTIDJNZR7,LOOP1CLRESSJMPENDTTLOOP1:INCR0MOVA,@R0MOVC,PMOVTB8,CMOVSBUF,AENDTT:RETI2/4/202357【例】以RB8作奇偶校驗(yàn)位的接收程序,連續(xù)接受16個(gè)數(shù)據(jù)存放在內(nèi)部Rom50H開始的連續(xù)16個(gè)單元。設(shè)串行接口以方式3工作。MCS-51和外設(shè)