單片機教程--串口通信

第9章：串口通信本章基本要求： ⑴基本概念 ⑵51的串行接口* ⑶串行接口的應用*并行并行通信串行串行串行串行1位9.1 串行通信基礎 所謂“通信”是指計算機與其他設備之間進行的信息交換。 通信的方式分為并行通信和串行通信兩種。

并行通信是構成一組數據的各位同時進行傳送，例如8位數據或16位數據并行傳送。 其特點是傳輸速度快,但當距離較遠、位數又多時導致了通信線路復雜且成本高。

串行通信是數據一位接一位地順序傳送。其特點是通信線路簡單,只要一對傳輸線就可以實現(xiàn)通信(如電話線)，可大大地降低成本,適用于遠距離通信。缺點是傳送速度慢。9.1 串行通信基礎 下圖為以上兩種通信方式的示意圖。由圖可知,假設并行傳送N位數據所需時間為T,那么串行傳送的時間至少為NT,實際上總是大于NT的。9.1 串行通信基礎9.1.1 串行通信的分類1、異步通信 異步傳送的特點是數據在線路上的傳送不連續(xù)。在傳送時,數據是以一個字符為單位進行傳送的。它用一個起始位表示字符的開始,用停止位表示字符的結束。異步傳送的字符格式如圖所示。 ①字符幀：也叫數據幀，由起始位、數據位、奇偶校驗位和停止位4個部分組成。9.1 串行通信基礎9.1 串行通信基礎 ②波特率：就是數據的傳送速率,即每秒鐘傳送的二進制位數，單位：位/秒。 說明：要求發(fā)送端與接收端的波特率必須一致。波特率越高，傳送速度越快。例：設字符傳送的速率為120字符/秒,而每1個字符為10位,那么傳送的波特率為：10位/字符×120字符/秒=1200位/秒=1200波特。每1位二進制位的傳送時間Td就是波特率的倒數，例中：Td=1/1200=0.833ms9.1 串行通信基礎2、同步通信 在異步傳送中,每一個字符都要用起始位和停止位作為字符開始和結束的標志,占用了一定的時間。為了提高傳送速度,有時就去掉這些標志,而采用同步傳送,即1次傳送1組數據。在這1組數據的開始處要用同步字符SYN來加以指示,如圖示：9.1.2 串行通信的制式 串行通信的數據傳送方向有三種形式。9.1 串行通信基礎

1、單工制式（Simplex）

單工制式是指甲乙雙方通信時只能單向傳送數據，發(fā)送方和接收方固定。單工：廣播9.1 串行通信基礎

2、半雙工制式半雙工制式是指通信雙方都具有發(fā)送器和接收器，既可發(fā)送也可接收，但不能同時接收和發(fā)送，發(fā)送時不能接收，接收時不能發(fā)送。半雙工：對講機9.1 串行通信基礎

全雙工制式是指通信雙方均設有發(fā)送器和接收器，并且信道劃分為發(fā)送信道和接收信道，因此全雙工制式可實現(xiàn)甲乙雙方同時發(fā)送和接收數據，發(fā)送時能接收，接收時也能發(fā)送。3、全雙工制式雙工：電話9.1 串行通信基礎9.1.3 調制解調器 計算機通信是一種數字信號的通信,如圖所示。它要求傳送線的頻帶很寬,而在長距離通訊時,通常是利用電話線來傳送的,該線不可能有這樣寬的頻帶。如果用數字信號經過傳送線直接通訊,信號就會畸變。9.1 串行通信基礎 因此要在發(fā)送端用調制器(Modulator)把數字信號轉換為模擬信號,在接收端用解調器(Demodulator)檢測此模擬信號,再把它轉換成數字信號,如圖所示。9.2 MCS-51單片機串行接口 51單片機內部有一個功能很強的全雙工串行口,可同時發(fā)送和接收數據。它有四種工作方式，可供不同場合使用。波特率由軟件設置,通過片內的定時/計數器產生。接收、發(fā)送均可工作在查詢方式或中斷方式,使用十分靈活。 51的串行口除了用于數據通信外,還可以非常方便地構成1個或多個并行輸入/輸出口或作串并轉換,用來驅動鍵盤與顯示器。51單片機的串行接口硬件結構SBUF（發(fā)）SBUF（收）發(fā)送控制器TI接收控制器RI移位寄存器波特率發(fā)生器T1+A累加器移位寄存器RxDP3.0TxDP3.1去申請中斷引腳引腳CPU內部1、發(fā)送和接收電路

①SBUF是兩個在物理上獨立的接收、發(fā)送緩沖器,可同時發(fā)送、接收數據。兩個緩沖器只用一個字節(jié)地址99H,可通過指令對SBUF的讀寫來區(qū)別是對接收緩沖器的操作還是對發(fā)送緩沖器的操作。

MOVSBUF,A;CPU寫SBUF,就是修改發(fā)送緩沖器;

MOVA,SBUF;CPU讀SBUF,就是讀接收緩沖器。串行口對外也有兩條獨立的收發(fā)信號線RXD(P3.0)和TXD(P3.1),因此可以同時發(fā)送、接收數據,實現(xiàn)全雙工傳送。9.2 MCS-51單片機串行接口

②發(fā)送和接收過程都是在發(fā)送和接收時鐘控制下進行的，必須與設定的波特率保持一致。 一般，51單片機的串口時鐘是由內部定時器的溢出率經16分頻后提供。2、串行口控制寄存器SCON、PCON SCON用來控制串行口的工作方式和狀態(tài)（可位尋址）。在復位時所有位被清0,字地址為98H。PCON主要是為CHMOS型單片機的電源控制而設置的專用寄存器,單元地址為87H,不能位尋址。 SCON、PCON的格式和內容如下圖。9.2 MCS-51單片機串行接口串行口控制寄存器SCON（98H）1、SM0、SM1控制串行口方式

2、SM2允許方式2、3的多機通訊特征位

在方式2、3中若SM2=1→表示接收的第九位數據（RB8）為1時,激活RI。

在方式0,1中SM2必須為0。

SM0

SM1工作方式功能簡述波特率00方式08位同步移位寄存器fosc/1201方式110位UART可變10方式211位UARTfosc/32或/6411方式311位UART可變

3、REN允許串行接收位，由軟件置/復位1：允許接收0：不允許接收4、TB8在方式2、3中要發(fā)送的第九位數據，由軟件置/復位

5、RB8在方式2、3中是接收的第九位數據在方式0中不用RB8。串行口控制寄存器SCON（98H）6、RI接收中斷標志（必須由軟件清除）

在方式0中串行接收到第8位結束時自動置位。在方式1、2、3中串行接收到停止位的中間時置位。

1111111SBUF11111111RxD1RI=17、TI發(fā)送中斷標志（必須由軟件清除）

在方式0中串行發(fā)送第8位結束時自動置位。在方式1、2、3中串行發(fā)送停止位的開始時置位。串行口控制寄存器SCON（98H）

電源控制寄存器PCONPCOND7D6D5D4D3D2D1D0位名稱SMOD———GF1GF0PDIDLSMOD=1，串行口波特率加倍。PCON寄存器不能進行位尋址。?

SMOD：在串行口工作方式1、2、3中，是波特率加倍位=1時，波特率加倍=0時，波特率不加倍。(在PCON中只有這一個位與串口有關)

9.2.2 串行口的工作方式 51的串行口有四種工作方式,它是由SCON中的SM0、SM1來定義的,如下表和下屏表格所示。9.2 MCS-51單片機串行接口SM0

SM1工作方式功能簡述波特率00方式08位同步移位寄存器fosc/1201方式110位UART可變10方式211位UARTfosc/32或/6411方式311位UART可變SM0SM1工作方式說明波特率00方式0(擴展I/O口)移位輸入/輸出(用于擴展I/O引腳)方式為fosc(振蕩頻率)的1/12。01方式1(常用)波特率可變的8位異步串行通信方式0方式2(不常用)波特率固定的9位異步串行通信方式1方式3(常用)波特率可變的9位異步串行通信方式9.2 MCS-51單片機串行接口1、方式0 為同步移位寄存器方式,其波特率是固定的,為fosc(振蕩頻率)的1/12。

①方式0發(fā)送：數據從RXD引腳串行輸出,TXD引腳輸出同步脈沖。當1個數據寫入串行口發(fā)送緩沖器時,串行口將8位數據以fosc/12的固定波特率從RXD引腳輸出,從低位到高位。發(fā)送完后置中斷標志TI為1,呈中斷請求狀態(tài),在再次發(fā)送數據之前,必須用軟件將TI清0。9.2 MCS-51單片機串行接口②方式0接收：在滿足REN=1(允許接收）、RI=0的條件下,串行口處于方式0輸入。此時,RXD為數據輸入端,TXD為同步信號輸出端,接收器也以fosc/12的波特率采樣RXD引腳輸入的數據信息。當接收器接收完8位數據后，置中斷標志RI=1為請求中斷,在再次接收之前,必須用軟件將RI清0。9.2 MCS-51單片機串行接口 說明： 在方式0工作時,必須使SCON寄存器中的SM2位為“0”,這并不影響TB8位和RB8位。方式0發(fā)送或接收完8位數據后由硬件置位TI或RI中斷請求標志,CPU在響應中斷后要用軟件清除TI或RI標志。若串行口要作為并行口輸入輸出,這時必須設置“串入并出“或”并入串出”的移位寄存器來配合使用(如74HC164或74HC165等)。9.2 MCS-51單片機串行接口2、方式1 該方式為波特率可變的8位異步通信接口。

①方式1發(fā)送：數據位由TXD端輸出,發(fā)送1幀信息為10位,其中1位起始位、8位數據位(先低位后高位)和一個停止位“1”。 CPU執(zhí)行1條數據寫入發(fā)送緩沖器SBUF的指令,就啟動發(fā)送器發(fā)送。當發(fā)送完數據,就置中斷標志TI為1。

9.2 MCS-51單片機串行接口 方式1所傳送的波特率取決于定時器T1的溢出率和特殊功能寄存器PCON中SMOD的值,即方式1的波特率=(2SMOD/32)×定時器T1的溢出率。 ②方式1接收：當串行口置為方式1,且REN=1時,串行口處于方式1輸入狀態(tài)。它以所選波特率的16倍的速率采樣RXD引腳狀態(tài)。9.2 MCS-51單片機串行接口3、方式2 該方式為11位異步通信接口。

①方式2發(fā)送：發(fā)送數據由TXD端輸出,發(fā)送1幀信息為11位,其中1位起始位(0)、8位數據位(先低位后高位)、1位可控位為1或0的第9位數據、1位停止位。附加的第9位數據為SCON中的TB8,它由軟件置位或清0,可作為多機通信中地址/數據信息的標志位,也可作為數據的奇偶校驗位。9.2 MCS-51單片機串行接口PIPL: PUSH PSW ;保護現(xiàn)場 PUSH ACC CLR TI ;清0發(fā)送中斷標志 MOV A,@R0 ;取數據 MOV C,P ;奇偶位送C MOV TB8,C ;奇偶位送TB8 MOV SBUF,A ;數據寫入發(fā)送緩沖器,啟動發(fā)送 INC R0 ;數據指針加1 POP ACC ;恢復現(xiàn)場 POP PSW RETI ;中斷返回9.2 MCS-51單片機串行接口方式2中使用TB8作為發(fā)送數據的奇偶校驗位，發(fā)送程序如下：

②方式2接收：當串行口置為方式2,且REN=1時,串行口以方式2接收數據。方式2的接收與方式1基本相似。數據由RXD端輸入,接收11位信息,其中1位起始位(0)、8位數據位、1位附加的第9位數據、1位停止位(1)。 方式2的波特率=(2SMOD/64)×fosc 若附加的第9位數據為奇偶校驗位,在接收中斷服務程序中應作檢驗處理,參考程序如下：9.2 MCS-51單片機串行接口PIPL: PUSH PSW ;保護現(xiàn)場 PUSH ACC CLR RI ;清0接收中斷標志 MOV A,SUBF ;接收數據 MOV C,P ;取奇偶校驗位 JNC L1 ;偶校驗時轉L1 JNB RB8,ERR ;奇校驗時RB8為0轉出錯處理 SJMP L2L1: JB RB8,ERR ;偶校驗時RB8為1轉出錯處理L2: MOV @R0,A ;奇偶校驗對時存入數據 INC R0 ;修改指針 POP ACC ;恢復現(xiàn)場 POP PSW RETI ;中斷返回ERR: … ;出錯處理 RETI ;中斷返回9.2 MCS-51單片機串行接口方式2中使用RB8作為接收數據的奇偶校驗位，接收程序如下：4、方式3 方式3為波特率可變的9位異步通信方式,除了波特率有所區(qū)別之外,其余方式都與方式2相同。 方式3的波特率=(2SMOD/32)×(定時器T1的溢出率)9.2 MCS-51單片機串行接口9.2.3 串行口的通信波特率 串行通信的四種工作方式對應著三種波特率。

①對于方式0,波特率是固定的,為單片機時鐘的十二分之一,即fosc/12。

②對于方式2,波特率有兩種可供選擇,即fosc/32和fosc/64。對應于以下公式： 波特率=fosc×2SMOD/649.2 MCS-51單片機串行接口

③對于方式1和方式3,波特率都由定時器T1的溢出率來決定,使用下面公式： 波特率=(2SMOD/32)×(定時器T1的溢出率) 而定時器T1的溢出率則和所采用的定時器工作方式有關,并可用以下公式表示： 定時器T1的溢出率=fosc/12×(2n-X) 其中X為定時器T1的計數初值,n為定時器T1的位數,對于定時器方式0，取n=13；對于定時器方式1，取n=16；對于定時器方式2、3，取n=8。9.2 MCS-51單片機串行接口 常用波特率和定時器T1初值9.2 MCS-51單片機串行接口 注意：如果選定的波特率對應的初值C不是整數，則實際波特率與標準值就存在偏差，若晶振頻率為12MHz，則標準波特率9600對應的初值C為252.745(SMOD1為0時的計算值)，由于初值C只能取最接近計算值的整數，因此，C取253(FDH)。而當C=253時，實際波特率為10417，與理論值相對誤差為：約5.7%。

9.2 MCS-51單片機串行接口 實踐表明：當兩個串行通信設備之間的波特率誤差超過2.5%時，串行通信將無法進行，且通信速率越高，發(fā)送、接收波特率的允許誤差范圍就越小。因此，當單片機控制系統(tǒng)需要與PC機通信時，單片機控制系統(tǒng)的晶振頻率fosc往往不是整數(如6MHz、12MHz)，而是某一特定值，如11.0592MHz就是常用的一種晶振頻率之一。9.2 MCS-51單片機串行接口9.3 MCS-51串行口的應用

串行口的編程 串行口需初始化后,才能完成數據的輸入、輸出。其初始化過程如下:

①按選定串行口的操作方式設定SCON的SM0、SM1兩位二進制編碼。 ②對于操作方式2或3,應根據需要在TB8中寫入待發(fā)送的第9位數據。 ③若選定的操作方式不是方式0,還需設定接收/發(fā)送的波特率。設定SMOD的狀態(tài),以控制波特率是否加倍。若選定操作方式1或3,則應對定時器T1進行初始化以設定其溢出率。9.3.1 串口在方式0下的應用 當串行口工作于方式0時，串行口本身相當于“并入串出”(發(fā)送狀態(tài))或“串入并出”(接收狀態(tài))的移位寄存器。8位串行數據b0～b7依次從RDX(P3.0)引腳輸出或輸入，移位脈沖信號來自TXD(P3.1)引腳，輸出/輸入移位脈沖頻率固定為系統(tǒng)時鐘頻率fosc的12分頻(對于8XC5X2芯片來說，在“6時鐘/機器周期”模式下，移位脈沖頻率是時鐘頻率fosc的6分頻)，不可改變。9.3 MCS-51串行口的應用1、方式0的串行輸出：使用74LS164，如下圖 最簡的程序可以寫為： MOV SCON,#00000000B ;定義串行工作方式 CLR TI ;清除發(fā)送中斷標志 MOV SUBF,A ;輸出串行數據LOOP: JNB TI,LOOP ;等待一幀數據發(fā)送結束9.3 MCS-51串行口的應用說明： 使用中斷方式時，在中斷處于開放狀態(tài)下(串行中斷允許ES為1，中斷允許EA為1)，當TI有效時，將產生串行中斷請求。值得注意是CPU響應串行中斷后，不會自動清除TI，需要用“CLRTI”指令清除TI，以便輸出新的串行數據。 9.3 MCS-51串行口的應用2、方式0的串行輸入：使用74LS165，如下圖 RxD引腳接74LS165芯片的串行數據輸出端，TxD引腳接74LS165芯片的移位脈沖CLK。其工作過程見如下說明：9.3 MCS-51串行口的應用 說明：在接收中斷標志RI為0(即無效，表明串行數據輸入緩沖器SBUF空)情況下，當REN=1時，即可啟動串行接收過程：在移位脈沖(來自TXD引腳)作用下，165芯片并行數據b0～b7逐一移到RDX引腳，并保存到CPU內的串行接收緩沖器內，當接收到b7位數據時，串行接收中斷標志RI為1，表明已接收了一幀數據，CPU可以讀SBUF寄存器。這樣，在REN為1后，可通過查詢RI標志來確定接收過程是否完成。當然，在中斷處于開放狀態(tài)下(串行中斷允許ES為1，中斷允許EA為1)，當RI有效時，將產生串行中斷請求。注意：CPU響應串行中斷后，不會自動清除RI，需要用“CLRRI”指令清除RI，以便接收新的數據。參考程序如下： MOV SCON,#00000000B ;定義串行工作方式0 CLR P1.7 ;輸出送數脈沖(允許165芯片 ;接收并鎖存并行輸入端數據) NOP SETB P1.7 ;延遲一個機器周期后， ;取消送數負脈沖 CLR RI ;清除接收中斷標志RI SETB REN ;允許接收LOOP: JNB RI,LOOP ;等待一幀數據接收結束 MOV A,SBUF ;讀串行輸入數據9.3 MCS-51串行口的應用9.3.2 串行口在其他方式下的應用 在方式1、2、3下，串口用于異步通信，不同之處在幀格式和波特率的差異。 方式1為8位數據位,方式3為9位數據位,兩種方式的波特率都是受定時器T1的溢出率控制。 在用方式1或方式3實現(xiàn)串行異步通信時,初始化程序要設定串行口的工作方式,并對定時器T1進行初始化,即設定定時器方式和定時器初值。此外,還要編寫發(fā)送子程序和接收子程序。9.3 MCS-51串行口的應用1、方式1 當SM1、SM0為01時，選中串行口工作在方式1，8位的異步串行通信方式，其中TXD是發(fā)送端，RXD是接收端。發(fā)送或接收一幀信息包括1位起始位(固定為0)、8位串行數據(低位在前，高位在后)和一位停止位(固定為1)共10位，波特率與定時器T1(或T2)溢出率、SMOD位有關(可變)。9.3 MCS-51串行口的應用

①方式1的發(fā)送過程如下：在TI為0的情況下(表示當前不處于發(fā)送狀態(tài)，串行口發(fā)送控制電路處于空閑狀態(tài))，任何寫串行數據輸出緩沖器SBUF指令(如MOVSBUF,A)均會觸發(fā)串行發(fā)送過程：51串行口自動在8個串行數據位的前、后分別插入一個起始位(0)和一個停止位(1)，構成10位信息幀，然后按設定的波特率依次輸出起始位(0)、8個數據位(順序為b0～b7)和停止位(1)。當8位數據(即b7位)發(fā)送結束后(即開始發(fā)送停止位)，串行口自動將發(fā)送中斷標志TI置1。這樣執(zhí)行了寫SBUF寄存器操作后，可通過查詢TI標志來確定發(fā)送過程是否已完成。若中斷處于開放狀態(tài)下，TI有效時，將產生串行中斷請求。9.3 MCS-51串行口的應用 ②方式1的接收過程如下：在接收中斷標志RI為0(即串行數據輸入緩沖器SBUF處于空閑狀態(tài))情況下，當REN位為1時，串行口即處于接收狀態(tài)。在接收狀態(tài)下，存在兩個定時信號：一個是移位脈沖信號(即發(fā)送波特率)；另一個是RXD引腳電平狀態(tài)檢測信號(也稱為數據檢測脈沖)，它的頻率是移位脈沖的16倍。進入接收狀態(tài)后，串行口便按數據檢測脈沖速率不斷檢測RXD引腳的電平狀態(tài)，當發(fā)現(xiàn)RXD引腳由高電平變?yōu)榈碗娖胶蟆砻靼l(fā)送端開始發(fā)送起始位(0)，啟動接收過程，并復位接收波特率發(fā)生器，使數據檢測脈沖與接收移位脈沖保持同步，然后按設定波特率順序讀出數據位和停止位。9.3 MCS-51串行口的應用 當接收完一幀信息(即接收到停止位)后，如果RI位為0，便將“接收移位寄存器”中的內容裝入串行數據輸入緩沖寄存器SBUF中，停止位裝入SCON寄存器的RB8位中，并將串行接收中斷標志RI置1。這樣通過查詢RI標志即可確定接收過程是否已完成。若中斷處于開放狀態(tài)下，RI有效時，也產生串行中斷請求。不過值得注意是CPU響應串行中斷后，不會自動清除RI，需要用“CLRRI”指令清除RI，以便接收下一幀信息。9.3 MCS-51串行口的應用2、方式2和方式3 當SM0、SM1為10、11時，串行口工作于方式2、方式3。方式2和方式3都是9位異步串行通信口，區(qū)別是方式2的波特率固定為時鐘頻率的32或64分頻，不可變，因此不常用(原因是與其他串行通信設備連接困難)。而方式3的波特率與T1(或T2)定時器的溢出率、電源控制寄存器PCON的SMOD位有關，可調。選擇不同的初值或晶振頻率，即可獲得常用的波特率，因此方式3較常用。下面以方式3為例，介紹串行口9位異步通信過程。9.3 MCS-51串行口的應用

①數據發(fā)送：其實方式3與方式1之間的區(qū)別是：方式3是9位的異步串行通信方式，一幀信息為11位，由一位起始位(0)、9位數據、一位停止位(1)組成。因方式3需要發(fā)送9位串行數據，低8位存放在SBUF寄存器中，第9位(b8)存放在SCON寄存器的TB8位。因此，發(fā)送前必須先通過位傳送指令將第9位數據寫入SCON的TB8位，然后才能執(zhí)行寫串行數據發(fā)送緩沖寄存器SBUF，啟動發(fā)送過程。第9位(b8)內容沒有規(guī)定，可以是數據，也可以是奇偶校驗位，在多機通信中，常作為數據/地址標志或其他控制位。因此，串行口方式3應用范圍更廣。9.3 MCS-51串行口的應用

②數據接收：在方式3中，當REN位為1時，使串行口進入接收狀態(tài)。接收的信息從RXD引腳輸入，接收到的低8位數據存放在“移位寄存器”中，第9位(b8)存放在SCON寄存器的RB8中。在方式3下，啟動接收過程后，如果RI=0、SM2=0(單機方式)，則接收到第9位(b8)數據后，串行口便將存放在移位寄存器中的8位數據裝入串行接收數據緩沖寄存器SBUF中，并自動將串行接收中斷標志RI置1。如果不滿足RI=0、SM2=0條件，本次接收信息無效，接收到第9位數據后，不將“移位寄存器”內容裝入SBUF特殊功能寄存器，RI也不會置1。9.3 MCS-51串行口的應用 其中RI為0條件可提供“接收緩沖器SBUF空閑”信息，防止后接收數據覆蓋以前接收的數據；而設置“SM2為1，接收的第9位數據必須1，接收才有效”條件為了實現(xiàn)多機通信(當SM2為0，不論第9位數據為低電平還是高電平均能接收，是為了在非多機通信條件下，接收發(fā)送端的奇偶校驗位)。 方式2、3的有效接收條件與方式1似乎不同，但實際上沒有區(qū)別。因為在方式1中，串行口把停止位(1)作為第9位(即b8)寫入SCON寄存器的RB8位，而停止位總是1，因此在方式1中只要接收到停止位，RB8位就一定是1，滿足了“SM2為1時，RB8位為1”的接收條件，于是在方式1中，只要RI為0，就能正常接收。9.3 MCS-51串行口的應用例：設甲乙機以串行方式1進行數據傳送，fosc=11.0592MHz，波特率為1200b/s。甲機發(fā)送的16個數據存在內RAM40H～4FH單元中，乙機接收后存在內RAM50H為首地址的區(qū)域中。

T1初值=256-×=232=E8H3212×1200解： 串行方式1波特率取決于T1溢出率(設SMOD=0), 計