单片机原理及设计应用PPT课件

第七章 MCS 51系列单片机串行通信 1 第一节数据通信概述 7 1 1数据通信所谓的数据通信就是指设备之间的信息传输 涉及到传输介质 传输协议 传输信号 数据格式等内容 数据通信的内容就是传递的信息 载体就是传输介质 而通信中所需要遵循的统一规范就是协议等 2 一 数据与信号 1 数据信息作为通信的内容可以是文字 符号 图形 影音等 这些统称为数据 而数据在被传送时 通常分为模拟数据和数字数据 前者为连续值 后者为离散值 模拟数据反映的是连续的信息 是时间的连续函数 如温度 压力 话音和图像等 数字数据反映的是离散的信息 是时间的离散函数 数字数据就是用一系列符号代表的消息 而每个符号只可以取有限个值 在传送时 一段时间内传送一个数据 所以在时间上是离散的 因此 用来反映在取值上是离散的文字或符号的数据是数字数据 如自然数 整数 字符文本等 2 信号信号 Signal 是数据的电编码或电磁编码 它分为两种 模拟信号和数字信号 模拟信号是在各种介质上传送的一种随时间连续变化的电流 电压或电磁波 可以选用适当的参量信号在双绞线 电缆和光缆上传送 数字信号是在介质上传送的一系列离散的电脉冲或光脉冲 是一种离散信号 模拟信号和数字信号可以相互转换 3 二 模拟传输和数字传输 1 模拟传输模拟传输是传输模拟信号的一些方法 与这些信号所代表模拟数据或数字数据无关 它们可以代表模拟数据 如声音 也可以代表数字数据 如通过调制解调器变换了的二进制数据 电话通信 模拟信号传送一定距离后 由于幅度衰减而失真变形 所以在长距离传送时 需在沿途加若干放大器将信号放大 但放大器在放大信号的同时 也放大了噪声 同样引起误差 且误差是沿途累加的 对于声音数据 有一点误差 还可辨认 但对数字数据 一点误差都是不允许的 4 2 数字传输 数字传输是用以数字信号形式传输的 它可以直接传输二进制数据或编码的二进制数据 为了更适合传输介质的要求 也可以传输数字化了的模拟数据 如数字化了的声音 数字信号在传输过程中 也会由于信号幅度衰减而失真 但由于数字信号只包含有限个电平值 如二进制数字信号就只有两个电平值 分别用 0 和 1 表示 故只要在数字信号衰减到可能无法辨认是原电平之前 在沿途适当地方 一般为50km 加一中继器将该信号恢复原值 即可继续传输 5 三 数据传输基本概念 1 带宽每种信号都要占据一定的频率范围 我们称该频率范围为带宽 如声音的频率范围主要在300 3400Hz之间 故电话线一条话路的带宽是300 3400Hz 又如一条电缆 可传送1MHz频率范围的信号 称该电缆的带宽为1MHz 所以一般信号频谱所占有的频率宽度称为信号带宽 而把传输介质所能允许通过的信号的频率范围称为介质带宽 6 2 数据传输速率数据传输速率也叫数据率 指单位时间内传输的数据量 常用的有两种表现形式 比特率和波特率 比特率即每秒钟传输多少位二进制数据 单位为位 秒 记作bps 数据率高低由每位所占时间决定 如果每一位所占时间即脉冲宽度越小 则数据率越高 如2400bps 指在一秒内可传输2400位数据 波特率是指每秒钟传输的信号波形的个数 单位为波特 记作Baud或B 它与比特率是联系的 对于传输的信号 如果每个信号只包含一个二进制数据位 那么此时波特率和比特率相等 如果每个信号是由多个二进制数据位组成的 那么此时比特率与波特率是不同的 7 3 位时间位时间是指传送一个二进制位所需时间 用Td表示 4 误码率误码率是衡量数据通信系统或通信信道传输可靠性的一个参数 其定义是 二进制位 码元 在传输中被传错的概率 当所传送的数字序列足够长时 它近似地等于被传错的二进制位 码元 与所传输总位 码元 数的比值 5 信噪比数据在传输的过程中会受到干扰或其他影响 这样在信号中就会出现噪音 而噪音的产生会使数据传输出错的几率大大增加 噪声的大小通常由信噪比来表示 是指信号功率S与噪声功率N的比值 一般用10lgS N来表示 单位为分贝 8 6 传播速度在通信线路上 信号在单位时间内传送的距离称为传播速度 7 延迟它表示在网络中从发送第一位数据起 到最后一位数据被接收所经历的时间 该参数表示网络响应速度 延迟越少 响应越快 性能越好 影响延迟的因素随网络技术而异 主要有传输延迟 传播延迟等等 9 7 1 2并行通信与串行通信 在微型计算机中 通信 数据交换 有两种方式 串行通信和并行通信 串行通信 是指计算机与I O设备之间仅通过一条传输线交换数据 数据的各位是按顺序依次一位接一位进行传送 并行通信 是指计算机与I O设备之间通过多条传输线 至少8条 交换数据 数据的各位同时进行传送 10 7 1 3串行通信过程及通信协议 一 串行通信传输模式按照同一时刻数据流的方向不同可分成三种基本传输模式 全双工 双工和单工传送 全双工是指在任意时刻数据的流动方向都可以是双向的 双工又称为半双工 是指数据的流动方向可以是双向的 但是在某一时刻是单向的 不能够实现同一时刻的双向传输 单工是指在任意时刻数据传输的方向都只能是单向的 不能进行反向传输 1 异步串行通信方式所谓异步通信 是指数据传送以字符 或字节 为单位 字符与字符间的传送是完全异步的 位与位之间的传送基本上是同步的 2 同步串行通信方式所谓同步通信 是指数据传送是以数据块 一组字符 为单位 字符与字符之间 字符内部的位与位之间都同步 各设备使用的是同一个时钟信号 11 二 串行通信协议 由于有异步和同步两种通信方式 所以串行通信协议常采用也有异步协议和同步协议两类 1 异步协议这里讲的协议主要是数据格式问题 也就是字符帧的格式 异步串行通信的数据格式为每个字符帧由起始位 数据位 校验位 结束位4个部分组成 12 2 同步协议 同步通信是一种连续串行传送数据的通信方式 一次通信只传送一帧信息 该帧和异步通信中的帧不同 通常含有若干个数据字符 而且数据连续发送 数据间不留空隙 同步协议有面向字符和面向比特两种 这里主要讲面向字符的同步协议 字符帧格式均由同步字符 数据字符 校验字符 CRC循环冗余校验 三部分组成 同步通信中 在数据开始传送前用1 2个同步字符SYNC来指示 并由时钟来实现发送端和接收端同步 即检测到规定的同步字符后 下面就连续按顺序传送若干个数据 直到最后2个校验字符后 数据块通信结束 13 14 第二节串行口的寄存器 7 2 1串行口寄存器结构 15 7 2 2串行口相关寄存器 一 串行口控制寄存器SCONSCON用于确定串行通到的工作方式 接收和发送控制以及各串行口的状态标志 单元地址98H 位地址9FH 98H 寄存器的内容及位地址表如下 16 二 电源控制寄存器PCON PCON主要是为CHMOS型单片机的电源控制而设置的专用寄存器 其中只有一位SMOD和串行口有关 单元地址内容如下 17 第三节串行口的四种工作方式 7 3 1工作方式0工作方式0为同步移位寄存器输入 输出方式 常用于扩展I O口 串行数据通过RXD P3 0 端输入或输出 而同步移位时钟由TXD P3 1 端送出 作为外部器件的同步时钟信号 1 发送过程 当CPU将数据写入发送缓冲器SBUF时 串行口TI清0 将8位数据以fosc 12的波特率由RXD引脚输出 同时由TXD引脚输出同步脉冲 字符发送完毕 将中断发送标志TI置1 2 接收过程 控制字设置为方式0 而且应允许接收位REN 1 清除RI 接收器启动后RXD作为数据输入端 TXD作为同步信号输出端 接收器以focs 12波特率采样RXD引脚数据信息 当接收完8位数据 RI置1 注 工作方式0时 SM2必须 0 18 7 3 2工作方式1该方式用于串行发送或接收数据时 是10位通用异步接口 TXD用于发送数据 RXD用于接收数据 该种的工作方式的时钟脉冲由定时器T1决定 即波特率是由T1决定的 而且通常定时器T1是工作在工作方式2下的 收发一帧数据的格式为 1位起始位 8位数据位 1位结束位 波特率 2SMOD T1溢出率 32 SMOD 0 1 T1溢出率 focs 12 256 T1初值 19 7 3 3工作方式2串行口以每帧11位异步通信格式收发数据 收发一帧数据格式 1位起始位 8位数据位 1位可编程位 奇偶校验 1位结束位 波特率 2SMOD fosc 647 3 4工作方式3工作方式3与工作方式2的工作状况完全一样 只是波特率不同 波特率 2SMOD T1溢出率 32 SMOD 0 1 注 由于计算机硬件不对TIRI清0 所以编程中一定要在接收和发送完毕后用软件对TI和RI清0在接收状态下 还要注意对允许接收位REN置1 20 第四节串行口应用 一 串行口扩展工作方式0是同步操作的工作方式 可实现串行输入 并行输出和并行输入 串行输出功能 1 串行输入 并行输出 例7 1 利用51单片机的串行口实现8位流水灯 晶振6MHZ 解 可采用74系列芯片中的164串入 并出移位寄存器 引脚功能如表7 4 流水灯采用共阴极接法 从左到右依次闪亮 闪亮延时采用软件延时程序 电路如图7 6 21 ORG0000HAJMPMAINORG0023HAJMPCXK0ORG0030HMAIN MOVSCON 00H 串行口初始化 工作方式0MOVA 80H 流水灯初值CLRP2 0 关闭并行输出MOVSBUF A 数据进入串行口缓冲寄存器SETBEA 中断初始化SETBESSJMP CXK0 SETBP2 0 开始并行输出DEL MOVR1 80 延时程序LOOP1 MOVR2 200LOOP DJNZR2 LOOPDJNZR1 LOOP1CLRTI 清串行口发送中断标志位RRA 流水灯下一状态MOVSBUF ARETIEND 22 2 并行输入 串行输出 例7 2 利用51单片机的串行口实现8个独立式按键控制 解 可采用74系列的165并入 串出移位寄存器 外接8个独立式按键控制P2口的8个LED共阴极灯 165芯片引脚功能如表7 5 接口电路如图7 7 当1引脚为 0 时 数据并行进入移位寄存器 当1引脚为 1 时 且15引脚为 0 移位寄存器中的数据串行输出 23 ORG0000HMAIN CLRP1 0SETBP1 0MOVSCON 10H 由于采用工作方式0接收数据 所以REN为1JNBRI CLRRIMOVA SBUFMOVP2 AEND 24 二 双机通信双机通信是指单片机与单片机之间或单片机与PC机之间进行的点对点的异步串行通信 这就需要采用工作方式1 2或3 来进行通信协议的设置 只有通信双方采取相同的波特率 数据格式等规定 才能够使双方的通信正常顺利的进行 例7 3 51单片机的双机通信 解 通信工作在工作方式3下 11位数据格式 波特率为2400bit s 晶振6MHz 根据公式 波特率 2SMOD T1溢出率 32 SMOD 0 1 取SMOD 1 定时器T1工作在方式2下 计算得到T1初值为 TH1 TL1 F3H 发送端将片内40H 45H单元中数据送到接收端50H 55H单元 采用奇偶校验 查询方式 接口电路如图 25 发送端程序 ORG0000HMOV40H 4 预设40H 45H单元数据 可任意取小于255的数MOV41H 10MOV42H 15MOV43H 2MOV44H 23MOV45H 7MAIN MOVTMOD 20H 波特率设定MOVTH1 0F3HMOVTL1 0F3HSETBTR1MOVSCON 0D0H 串行口初始化MOVPCON 80HMOVR0 40HMOVR5 6LO MOVA R0MOVC PMOVTB8 CMOVSBUF AMOVP1 A 送P1口显示JNBTI 查询是否一个字符帧传送结束CLRTIINCR0DJNZR5 LOEND 26 接收端程序 ORG0000HMAIN MOVTMOD 20HMOVTL1 0F3HMOVTH1 0F3HSETBTR1MOVSCON 0D0HMOVPCON 80HMOVR1 50HMOVR5 6CLRP2 0L01 JNBRI CLRRIMOVA SBUFMOV56H AMOVC PMOV00H CMOVC RB8MOV08H CMOVA 20HCJNEA 21H L0 判断数据传输是否正确MOVA 56HMOV R1 AMOVP1 AINCR1DJNZR5 L01 AJMPEDL0 SETBP2 0 若不正确则点亮P2 0处小灯ED NOPEND 27 练习题 1 说明数字信号和模拟信号的区别 2 简述串行通信和并行通信的区别 各自的优缺点 3 说明异步通信和同步通信