8051單片機(jī)的異步串行通信技術(shù)

.PAGE.第八章80第一節(jié)概述計(jì)算機(jī)與外界的信息交換稱為通信。常用通信方式有兩種：并行通信與串行通信,簡稱并行傳送和串行傳送。并行傳送具有傳送速度快,效率高等優(yōu)點(diǎn),但傳送多少數(shù)據(jù)位就需要多少根數(shù)據(jù)線,傳送成本高；串行傳送是按位順序進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送,最少僅需要一根傳輸線即可完成,傳送距離遠(yuǎn),但傳送速度慢。串行通信又分同步和異步兩種方式。同步通信中,在數(shù)據(jù)傳送開始時先用同步字符來指示〔常約定1—2個,并由同時傳送的時鐘信號來實(shí)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,接著就連續(xù)按順序傳送數(shù)據(jù)。這種傳送方式對硬件結(jié)構(gòu)要求較高。在單片機(jī)異步通信中數(shù)據(jù)分為一幀一幀地傳送,即異步串行通信一次傳送一個完整字符,字符格式如圖8—1所示：圖8—1異步串行通信的字符格式一個字符應(yīng)包括以下信息：1.起始位：對應(yīng)邏輯0〔space狀態(tài)。發(fā)送器通過發(fā)送起始位開始一幀字符的傳送。2.數(shù)據(jù)位：起始位之后傳送數(shù)據(jù)位。數(shù)據(jù)位中低位在前,高位在后。數(shù)據(jù)位可以是5、6、7、8位。3.奇偶校驗(yàn)位：奇偶校驗(yàn)位實(shí)際上是傳送的附加位,若該位用于用于奇偶校驗(yàn),可校檢串行傳送的正確性。奇偶校驗(yàn)位的設(shè)置與否及校驗(yàn)方式〔奇校驗(yàn)還是偶校驗(yàn)由用戶需要確定。4.停止位：用邏輯1〔mark表示。停止位標(biāo)志一個字符傳送的結(jié)束。停止位可以是1、1.5或2位。串行通信中用每秒傳送二進(jìn)制數(shù)據(jù)位的數(shù)量表示傳送速率,稱為波特率。1波特＝1bps〔位/秒例如數(shù)據(jù)傳送速率是240幀/秒,每幀由一位起始位、八位數(shù)據(jù)位和一位停止位組成,則傳送速率為：10×240＝2400位/秒＝2400波特單片機(jī)的串行通信主要采用異步通信傳送方式。在串行通信中,按不同的通信方向有單工傳送和雙工傳送之分,如圖8—2所示：甲機(jī)乙機(jī)〔a單工傳送甲機(jī)乙機(jī)〔b雙工傳送甲機(jī)乙機(jī)〔c全雙工傳送圖8—2單片機(jī)串行通信方向示意圖8—2〔a中,甲.乙兩機(jī)只能單方向發(fā)送或接收數(shù)據(jù)；圖8—2〔b中,甲機(jī)和乙機(jī)能分時進(jìn)行雙向發(fā)送和接收數(shù)據(jù)；圖8—2〔c中,甲,乙兩機(jī)能同時雙向發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。第二節(jié)8051串行口的基本結(jié)構(gòu)MCS—51系列單片機(jī)串行口結(jié)構(gòu)框圖如圖8—3所示：圖8—38051串行口結(jié)構(gòu)框圖一、串行口緩沖寄存器SBUF圖8—3中SUBF是串行口緩沖寄存器,發(fā)送SBUF和接收SBUF地址同為99H,但由于發(fā)送SBUF不能接收數(shù)據(jù),接收SBUF也不具有發(fā)送功能,故二者工作互不干擾。當(dāng)CPU向SBUF寫入時,數(shù)據(jù)進(jìn)入發(fā)送SBUF,同時啟動串行發(fā)送；CPU讀SBUF時,實(shí)際上是讀接收SBUF數(shù)據(jù)。二、串行通信控制寄存器與串行通信有關(guān)的控制寄存器主要是串行通信控制寄存器SCON。SCON是8051的一個可以位尋址的專用寄存器,用于串行數(shù)據(jù)通信的控制。SCON的單元地址98H,位地址9FH—98H。寄存器內(nèi)容及位地址表示如下：SCON位地址9F9E9D9C9B9A9998位符號SM0SM1SM2RENTB8RB8TIRI各位功能說明如下：位符號功能說明SM0,SM1SM0,SM1──串行口工作方式選擇位：SM0SM1工作方式功能0008位數(shù)碼傳送,波特率固定,為f晶振/12。01110位數(shù)碼傳送,波特率可變。10211位數(shù)碼傳送,波特率固定,為f晶振/64或f晶振/32。11311位數(shù)碼傳送,波特率可變。SM2SM2──多機(jī)通信控制位：當(dāng)串行口以方式2或方式3接收時,如SM2＝1,則只有當(dāng)接收到的第九位數(shù)據(jù)〔RB8為1,才將接收到的前8位數(shù)據(jù)送入接收SBUF,并使RI位置1,產(chǎn)生中斷請求信號；否則將接收到的前8位數(shù)據(jù)丟棄。而當(dāng)SM2＝0時,則不論第九位數(shù)據(jù)為0還是為1,都將前8位數(shù)據(jù)裝入接收SBUF中,并產(chǎn)生中斷請求信號。對方式0,SM2必須為0,對方式1,當(dāng)SM2=1,只有接收到有效停止位后才使RI位置1。RENREN──允許接收位,用于對串行數(shù)據(jù)的接收進(jìn)行控制：REN＝0,禁止接收；REN＝1,允許接收。該位由軟件置1或清零。TB8TB8──發(fā)送數(shù)據(jù)位8：在方式2和方式3時,TB8是要發(fā)送的第9位數(shù)據(jù)。RB8RB8——接收數(shù)據(jù)位8：在方式2和方式3中,RB8位存放接收到的第9位數(shù)據(jù)TITI──發(fā)送中斷標(biāo)志：當(dāng)方式0時,發(fā)送完第8位數(shù)據(jù)后,該位由硬件置位。在其它方式下,于發(fā)送停止位之前由硬件置位。因此TI＝1,表示幀發(fā)送結(jié)束。其狀態(tài)既可供軟件查詢使用,也可請求中斷。TI位由軟件清0。RIRI──接收中斷標(biāo)志：當(dāng)方式0時,接收完第8位數(shù)據(jù)后,該位由硬件置1。在其它方式下,當(dāng)接收到停止位時,該位由硬件置位。因此RI＝1,表示幀接收結(jié)束。其狀態(tài)既可供軟件查詢使用,也可以請求中斷。RI位由軟件清0。另外,電源控制寄存器PCON中SMOD位可影響串行口的波特率。當(dāng)〔SMOD＝1,串行口波特率加倍。還有中斷允許寄存器IE中的ES位可選擇串行口中斷允許或禁止。ES＝0,禁止串行口中斷ES＝1,允許串行口中斷第三節(jié)8051串行通信工作方式及應(yīng)用8051單片機(jī)的串行通信共有四種工作方式：串行工作方式0串行口為同步移位寄存器方式,波特率固定為f晶振/12。該方式主要用于I/O口擴(kuò)展等,方式0傳送數(shù)據(jù)時,串行數(shù)據(jù)由RXD〔P3.0端輸入或輸出,而TXD〔P3.1此時僅作為同步移位脈沖發(fā)生器發(fā)出移位脈沖。串行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收以8位為一幀,不設(shè)起始位和停止位,其格式如下：D0D1D2D3D4D5D6D7方式0輸出數(shù)據(jù)時,向SBUF寫入數(shù)據(jù)的指令：MOVSBUF,A或：MOVSBUF,XXH即為從RXD端輸出數(shù)據(jù)的發(fā)送啟動指令。當(dāng)８位數(shù)據(jù)全部移出后,SCON中的TI位被自動置1。方式0輸入數(shù)據(jù)時,使SCON中REN位置1指令：SETBREN即為從RXD端輸入數(shù)據(jù)啟動指令。當(dāng)接收到8位數(shù)據(jù)后SCON中的RI位被自動置1。方式0工作時往往需要外部有串入并出寄存器〔輸出和并入串出寄存器〔輸入配合使用,方式0多用于將串行口轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑿锌诘氖褂脠龊?如圖8—4所示：圖8—4串行工作方式0與輸入,輸出電路的連接示例圖8—4〔a中CD4094是"串入并出"移位寄存器,TXD端輸出頻率為F晶振/12的固定方波信號〔移位脈沖,在該移位脈沖的作用下,D端串行輸入數(shù)據(jù)可依次存入CD4094內(nèi)部8D鎖存器鎖存。P1.0為選通信號,當(dāng)P1.0=STB為高電平時,將內(nèi)部8D鎖存器數(shù)據(jù)并行輸出。圖8—4〔b中CD4014為"串入/并出—串出"移位寄存器,P1—P8為并行輸入端,Q8為串行輸出端,當(dāng)P1.0=P/S=1,加在并行輸入端P1—P8上的數(shù)據(jù)在時鐘脈沖作用下從Q8端串行輸出。方式0的移位操作的波特率固定為單片機(jī)晶振頻率f晶振的十二分之一。即：波特率=f晶振/12。例如當(dāng)f晶振=12MHZ,波特率=106〔位/秒。例8—1試編寫從CD4094并行輸出數(shù)據(jù)36H的參考程序：解：參考程序如下：MOVSCON,#00H ；串行口工作方式0。CLRES；禁止串行口中斷。MOVA,#36H ；傳送數(shù)據(jù)送A。CLRP1.0 ；關(guān)閉并行輸出。MOVSBUF,A ；啟動串行輸出。HERE：CTI,FS ；等待串行輸出完畢。AJMPHERE FS：SETBP1.0；開啟并行輸出。RET；返回。2．串行工作方式1方式１傳送的數(shù)據(jù)格式方式１傳送一幀為10位的串行數(shù)據(jù),包括1位起始位,8位數(shù)據(jù)位和1位停止位。其幀格式為：起始D0D1D2D3D4D5D6D7停止〔2方式1的波特率的確定方式1的波特率是可變的,計(jì)算公式為：波特率=〔2smod/32×〔T1溢出率其中smod為PCON寄存器最高位的值。所謂定時器T1的溢出就是T1在單位時間內(nèi)溢出的次數(shù)。如設(shè)T1為工作方式2,那么T1定時時間：T1定時=〔28—X×T機(jī)=〔28—X×12/F晶振則T1的溢出率=1/T1定時=F晶振/〔12〔28—X由此可得波特率的計(jì)算公式為：波特率=〔2smod/32×F晶振/〔12〔28—X實(shí)際使用時總是先確定波特率,再計(jì)算定時器T1的記數(shù)初值X,然后進(jìn)行T1的初始化。根據(jù)上述波特率的計(jì)算公式,可得T1記數(shù)初值的計(jì)算公式為：X=256－〔F晶振×2smod/〔384×波特率定時器T1之所以選擇工作方式2,是因?yàn)榉绞?具有自動加載功能,可避免通過程序反復(fù)裝入計(jì)數(shù)初值而影響波特率的準(zhǔn)確性?！?方式1數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收方式1的數(shù)據(jù)發(fā)送由一條寫入單片機(jī)發(fā)送寄存器SBUF指令啟動。8位數(shù)據(jù)在串行口由硬件自動加入起始位和停止位組成完整的幀格式。在內(nèi)部移位脈沖作用下,由TXD端串行輸出。發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)后,使TXD輸出端維持"1"狀態(tài)并置使TI標(biāo)志位置1以通知CPU發(fā)送下一個字符。接收數(shù)據(jù)由接收單片機(jī)SCON中的REN置1開始,隨后串行口不斷采樣RXD端電平,當(dāng)采樣到RXD端電平從1向0跳變時,就認(rèn)定是接收信號并開始接收從RXD端輸入的數(shù)據(jù),并送入內(nèi)部接收寄存器SBUF中,直到停止位到來之后,并使RI位置1,通知CPU從SBUF中取走接收到的一幀字符。方式1傳送數(shù)據(jù)時發(fā)送前應(yīng)先清TI,接收前應(yīng)先清RI。例8—2甲,乙兩單片機(jī)擬以工作方式1進(jìn)行串行數(shù)據(jù)通信,波特率為1200,甲機(jī)發(fā)送,發(fā)送數(shù)據(jù)在甲機(jī)外部RAM1000H－101FH單元中。乙機(jī)接收,并把接收數(shù)據(jù)依次放入乙機(jī)外部RAM1000H－101FH單元中。甲,乙機(jī)晶振頻率均為6MHZ。連接方式如圖8—5所示：TXDRXD甲機(jī)乙機(jī)圖8—5例8—2示意圖解：設(shè)定：<1>甲、乙機(jī)定時用工作方式2,即初值66×106×1384×1200X＝256－＝243＝F3H<2>SMOD＝0,即波特率不倍增。<3>用查詢傳送方式。<4>SCON=01000000B=40H可得甲機(jī)發(fā)送主程序如下：ORG0030HMOVTMOD,#20H ；設(shè)定時器1工作方式2。MOVTL1,#0F3H ；設(shè)置定時器初值。MOVTH1,#0F3H ；設(shè)置重裝值。CLREA ；禁止中斷。MOVPCON,#00H ；<SMOD>=0。MOVSCON,#40H ；設(shè)串行工作方式1,禁止接收。MOVDPTR,#1000H ；建立發(fā)送數(shù)據(jù)地址指針初值。MOVR7,#20H ；建立計(jì)數(shù)指針。SETBTR1；啟動定時器1。SEND：MOVXA,DPTR ；取數(shù)據(jù)。MOVSBUF,A ；啟動數(shù)據(jù)傳送操作。JNBTI,$ ；等待一幀發(fā)送完畢。CLRTI；清TI標(biāo)志。INCDPTR；指向下一單元。DJNZR7,SEND ；數(shù)據(jù)塊傳送結(jié)束?沒結(jié)束繼續(xù)傳送。CLRTR1 ；傳送結(jié)束,停止定時器1工作。RET；返回。乙機(jī)接收參考程序如下：ORG0030HMOVTMOD,#20H；設(shè)定時器1工作方式2。MOVTL1,#0F3H ；設(shè)置定時器初值。MOVTH1,#0F3H ；設(shè)置重裝值。CLREA ；禁止中斷。MOVPCON,#00H；SMOD=0。MOVSCON,#40H；設(shè)串行工作方式1。MOVDPTR,#1000H；建立接收地址指針初值。MOVR7,#20H ；建立計(jì)數(shù)指針。SETBTR1 ；啟動定時器T1。SETBREN ；啟動接收數(shù)據(jù)操作。RECIV：JNBRI,$；等待數(shù)據(jù)接收完畢。CLRRI ；清RI標(biāo)志。MOVA,SBUF ；取數(shù)據(jù)。MOVXDPTR,A；送外部RAM。INCDPTR ；指向下一單元。DJNZR7,RECIV ；數(shù)據(jù)塊接收完畢?沒完繼續(xù)接收。CLRTR1 ；接收完畢,停止定時器1工作。RET ；返回。如改用中斷方式甲機(jī)發(fā)送參考程序如下：ORG0000HAJMPMAINORG0023HLJMPASEND；建立串行中斷口地址。ORG0030HMAIN：MOVSP,#30H ；設(shè)置堆棧。MOVTMOD,#20H ；設(shè)定時器1工作方式2。MOVTL1,#0F3H ；設(shè)置定時器初值。MOVTH1,#0F3H ；設(shè)置重裝值。MOVPCON,#00H ；SMOD=0。MOVSCON,#40H ；設(shè)串行工作方式１。MOVR7,#1FH ；建立計(jì)數(shù)指針。MOVDPTR,#1000H ；建立發(fā)送地址指針初值。SETBEA ；總中斷允許。SETBES ；串行中斷允許。SETBTR0 ；啟動定時器0。MOVXA,DPTR ；第一個數(shù)據(jù)送A。MOVSBUF,A ；啟動傳送數(shù)據(jù)操作。INCDPTR ；指向下一RAM單元。WAIT：AJMP$ ；等待中斷。中斷服務(wù)子程序：ORG0100HCLRTI；清TI。ASEND：MOVXA,DPTR ；取數(shù)據(jù)。MOVSBUF,A；傳送數(shù)據(jù)INCDPTR ；指向下一單元。DJNZR7,GOON ；傳送結(jié)束？沒結(jié)束繼續(xù)傳送。CLREA；傳送結(jié)束,關(guān)閉。CLRTR1GOON：RETI；返回。順便指出,甲機(jī)以中斷方式傳送數(shù)據(jù)時,計(jì)數(shù)指示為1FH而非20H,這是因?yàn)樵趩蛹讬C(jī)發(fā)送時已經(jīng)向SBUF發(fā)送了一個數(shù)據(jù)。至于乙機(jī),既可用上述查詢方式接收,也可用中斷方式接收。中斷方式程序設(shè)計(jì)思路與查詢方式類似,不再細(xì)述。在異步串行通訊中,接收機(jī)以波特率的3倍檢測RXD端信號,檢測到兩次以上相同信號即為有效信號。在實(shí)際應(yīng)用中,可根椐需要加入奇偶校驗(yàn)位一起傳送,以提高傳送的可靠性。例8—3甲,乙兩單片機(jī)同樣以工作方式1進(jìn)行串行數(shù)據(jù)通信,波特率為1200,甲機(jī)發(fā)送,發(fā)送數(shù)據(jù)在甲機(jī)外部RAM1000H－101FH單元中,在發(fā)送之前先將數(shù)據(jù)塊長度發(fā)送給乙機(jī),發(fā)送完后,向乙機(jī)發(fā)送一個累加校驗(yàn)和。乙機(jī)接收,乙機(jī)首先接收數(shù)據(jù)長度,然后接收數(shù)據(jù),并把接收數(shù)據(jù)依次放入乙機(jī)外部RAM1000H－101FH單元中,接收完畢后進(jìn)行一次累加和校驗(yàn),數(shù)據(jù)全部接收完畢時向甲機(jī)送出狀態(tài)字,表示傳送狀態(tài)。甲、乙機(jī)晶振頻率均為6MHZ。連接方式見圖8—6：甲乙TXDRXDRXDTXD圖8—6例8—3示意圖解：設(shè)定如下：〔1波特率約定為1200,以定時器T1為波特率發(fā)生器,T1用工作方式2〔SMOD＝0,波特率不倍增。66×106×1384×1200則初值：X＝256—＝243＝F3H〔2設(shè)置R5為累加和寄存器,R6為數(shù)據(jù)塊長度寄存器?！?用查詢傳送方式?！?串行口為工作方式1,允許接收,即；SCON=01010000B=50H可得甲機(jī)發(fā)送主程序如下：ORG0030HMOVTMOD,#20H ；設(shè)定時器1工作方式2。MOVTL1,#0F3H ；設(shè)置定時器初值。MOVTH1,#0F3H ；設(shè)置重裝值。SETBTR1；啟動定時器1。MOVPCON,#00H；〔SMOD=0。MOVSCON,#50H；設(shè)串行工作方式1,允許接收。AGAIN：MOVDPTR,#1000H；建立發(fā)送數(shù)據(jù)地址指針初值。MOVR6,#20H ；數(shù)據(jù)塊長度送R6。MOVR5,#00H；累加和寄存器清"0"。MOVSBUF,R6；先發(fā)送長度值。L1：CTI,L2；等待發(fā)送結(jié)束。AJMPL1L2：MOVXA,DPTR；取數(shù)據(jù)塊中數(shù)據(jù)。MOVSBUF,A；發(fā)送數(shù)據(jù)。ADDA,R5；發(fā)送數(shù)據(jù)累加。MOVR5,A；累加和送R5。INCDPTR；地址加1。L3：CTI,L4；等待一幀數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。AJMPL3L4：DJNZR6,L2；判斷數(shù)據(jù)塊是否發(fā)送完,若未完繼續(xù)發(fā)送。MOVSBUF,R5；數(shù)據(jù)塊發(fā)送完畢,發(fā)累加和校驗(yàn)碼。L5：CTI,L6；等待發(fā)送累加和碼結(jié)束。AJMPL5L6：CRI,L7；接收從機(jī)發(fā)來的結(jié)果標(biāo)志碼。AJMPL6L7：MOVA,SBUFJZL8；若標(biāo)志碼為00H,表示接收正確,返回；反之重發(fā)。AJMPAGAIN；發(fā)送有錯,重發(fā)。L8：RET乙機(jī)接收參考程序如下：ORG0030HMOVTMOD,#20H；設(shè)定時器1工作方式2。MOVTL1,#0F3H ；設(shè)置定時器初值。MOVTH0,#0F3H ；設(shè)置重裝值。SETBTR1；啟動T1。MOVPCON,#00H ；SMOD=0。MOVSCON,#50H；設(shè)串行工作方式1,允許接收。AGAIN：MOVDPTR,#1000H ；建立接收地址指針初值L0：CRI,L1；接收發(fā)送長度值。AJMPL0L1：MOVA,SBUFMOVR6,A；取發(fā)送長度值送R6。MOVR5,#00H；累加和寄存器清"0"。WAIT：CRI,L2；接收數(shù)據(jù)。AJMPWAITL2：MOVA,SBUFMOVXDPTR,A；將所接收數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)區(qū)。INCDPTR；指向下一單元。ADDA,R5；累加。MOVR5,ADJNZR6,WAIT；若數(shù)據(jù)接收未完繼續(xù)。L3：CRI,L4；數(shù)據(jù)接收完畢,接收主機(jī)的累加校驗(yàn)碼。AJMPL3L4：MOVA,SBUF；取主機(jī)累加和校驗(yàn)碼。XRLA,R5；與本機(jī)累加和進(jìn)行校驗(yàn)。JZL7；若校驗(yàn)正確轉(zhuǎn)L7。MOVSBUF,#0FFH；校驗(yàn)出錯,回送校驗(yàn)出錯標(biāo)志碼FFH,表示要求主機(jī)重發(fā)。L5：CTI,L6；回送FFH。AJMPL5L6：AJMPAGAIN；重新接收L7：MOVSBUF,#00H；回送校驗(yàn)正確標(biāo)志碼00H。L8：CTI,L9；回送。AJMPL8L9：RET；接收完成,返回。3．串行工作方式2方式2是11位為一幀的串行通信方式,即1位始位,9位數(shù)據(jù)位和1位停止位。其中第9位數(shù)據(jù)既可作奇偶校驗(yàn)位,也可作控制位使用。其幀格式為：起始D0D1D2D3D4D5D6D7D8停止附加第9位〔D8由軟件置1或清零。方式2發(fā)送時單片機(jī)自動將SBUF中8位數(shù)