单片机原理与应用 第七章

第7章MCS-51串行接口,任务七MCS-51单片帆双帆通信7.1串行口的结构7.2串行口通信的工作方式7.3多机通信7.4波特率的设定7.5串行口的编程和应用,任务七MCS-51单片帆双帆通信,任务目的1.理解通信基本方式2.理解发送程序的原理3.理解接收程序的原理任务描述1.按下按键，数码管显示其键号2.与此同时发送其键号的BCD码3.接收机显示收到BCD的数值,下一页,返回,任务七MCS-51单片帆双帆通信,1.电路原理图串行通信电路原理图见图7-1所示。2.参考程序ORGOOOOHMOVTMOD，#20HMOVTH1，#OFDHMOVTL1，#OFDHMOVSCON，#40HMOV60H，#0SFTRTR1LOOP:LCALLDISPLCALLKEYLCALLSENDLJMPLOOP,下一页,返回,上一页,任务七MCS-51单片帆双帆通信,KEY:JNBP3.2，KEY1JNBP3.3，KEY2JNBP3.4，KEY3JNBP3.5，KEY4KEYEXIT:RETKEY1:LCALLDELJBP3.2，KEYEXITMOV60H，#1KEY11:JNBP3.2，$LCALLDELJNBP3.2，KEY11LJMPKEYEXIT,下一页,返回,上一页,任务七MCS-51单片帆双帆通信,KEY2:LCALLDELJBP3.3，KEYEXITMOV60H，#2KEY22:JNBP3.3.$LCALLDELJNBP3.3.KEY22LJMPKEYEXITKEY3:LCALLDELJBP3.4，KEYEXITMOV60H,#3KEY33:JNBP3.4,#3LCALLDELJNBP3.4,KEY33LJMPKEYEXIT,返回,上一页,下一页,任务七MCS-51单片帆双帆通信,KEY4:LCALLDELJBP3.5，KEYEXITMOV60H，#4KEY44:JNBP3.5，$LCALLDELJNBP3.5,KEY44LJMPKEYEXITSEND:MOVA,60HCJNEA,#1,SEND1LCALLSENDBYTE,返回,上一页,下一页,任务七MCS-51单片帆双帆通信,SEND1:CJNEA,#2,SEND2LCALLSENDBYTESEND2:CJNEA,#3,SEND3LCALLSENDBYTESEND3:CJNEA,#4,SEND4LCALSENDBYTESEND4:RETSENDBYTE:MOVSBUF,A;启动发送NOPJNBTI，$CLRTILJMPSEND4,返回,上一页,下一页,任务七MCS-51单片帆双帆通信,DISP:MOVA，60HMOVDPTR，#TABMOVCA，A+DPTRMOVPO，ARFTTAB:DBOCOH，OF9H，OA4H，OBOH，99H，92H，82H，OFBH，DB80H，90H，88H，83H，OC6H，OA1H，86H，8EH，END这段程序烧到一个实验板上，开机时显示“o0，当按下一个键是显示对应的键号，与此同时通过TXD发送所显示数据的BCD码。此板就作为发送机。,返回,上一页,下一页,任务七MCS-51单片帆双帆通信,3.接收程序参考程序如下:ORGOOOOHMOVTMOD，#20HMOVTH1，#OFDHMOVTL1，#OFDHMOVSCON,#50H;REN置1，允许接收MOV60H，#0LCALLDISPSETRTR1,返回,上一页,下一页,任务七MCS-51单片帆双帆通信,LOOP:JNBTZI，$CLTZRIMOVA，SBUFMOV60H，ATCALLDISPDISP:MOVA,60HM()VDPTR,#TABMOVCA，A+DPTRMOVPO，ARETTAB:DBOCOH，OF9H，OA4H，OBOH，99H_92H_82H_OFBHDB80H，90H，88H，83H，OC6HOA1H_RhH_REHEND;结束伪指令,返回,上一页,下一页,任务七MCS-51单片帆双帆通信,此程序烧写到实验板上，和发送机的实验板接上，就可以接收发送机的数据。接收的是BCD码，通过内部转换为显示码，就可以显示出来。串行口是单片机与外界进行信息交换的工具。89C51单片机的通信方式有两种:并行通信:数据的各位同时发送或接收;串行通信:数据一位一位次序发送或接收。)串行通信的方式:异步通信:已用一个起始位表示字符的开始，用停止位表示字符的结束。其每帧的格式如下:在一帧格式中，先是一个起始位0，然后是8个数据位，规定低位在前，高位在后，接下来是奇偶校验位(能省略)，最后是停止位1。用这种格式表示字符，则字符能一个接一个地传送。,返回,上一页,下一页,任务七MCS-51单片帆双帆通信,在异步通信中，CPU与外设之间必须有两项规定，即字符格式和波特率。字符格式的规定是双方能够在对同一种0和1的串理解成同一种意义。原则上字符格式能由通信的双方自由制定，但从通用、方便的角度出发，一般还是使用一些标准为好，如采用ASCII标准。波特率即数据传送的速率，其定义是每秒钟传送的二进制数的位数。例如，数据传送的速率是120字符/s，而每个字符如上述规定包含10数位，则传送波特率为1200波特。同步通信:在异步通信中，每个字符要用起始位和停止位作为字符开始和结束的标志，占用厂时间;所以在数据块传递时，为厂提高速度，常去掉这些标志，采用同步传送。由于数据块传递开始要用同步字符来指示，同时要求由时钟来实现发送端与接收端之间的同步，故硬件较复杂。,返回,上一页,下一页,任务七MCS-51单片帆双帆通信,通信方向:在串行通信中，把通信接口只能发送或接收的单向传送办法叫单工传送;而把数据在甲乙两机之间的双向传递，称之为双工传送。在双工传送方式中又分为半双工传送和全双工传送。半双工传送是两机之间不能同时进行发送和接收，任一时刻，只能发或者只能收信息。89C51单片机内部有一个功能强的全双工的异步串行口。所谓全双工就是双机之间串行接收、发送数据可同时进行;所谓异步通讯，就是收、发双方没用同一时钟来控制收、发双方的同步传送。要传送的串行数据是以数据帧形式一帧一帧地发送，通过传输线由接收数据设备一帧一帧地接收。89C51单片机的串行口有4种工作方式，波特率可用软件设置，由片内的定时器/计数器产生。串行口接收、发送数据均可触发中断系统，使用十分方便。89051单片机的串行口除厂可以用于串行数据通讯之外，还可以非常方便地用来扩展并行I/O口。,返回,上一页,7.1串行口的结构,89C51单片机串行口的内部结构如图7-2所示。它有两个物理上独立地接收、发送缓冲器SBUF，可同时发送、接收数据，发送缓冲器只能写人不能读出，接收缓冲器只能读出不能写人，两个缓冲器共用一个字节地址(99H)/。控制89051单片机串行口的控制寄存器共有两个:特殊功能寄存器SCON和PCON。下面对这两个特殊功能寄存器各个位的功能予以详细介绍。7.1.1串行口控制寄森器SCON串行口控制寄存器SCON，字节地址98H，可位寻址，位地址为98H-9FH。SCON的格式如表7-1所示下面介绍SCON中各个位的功能。1.SMO,SM1-串行口4种工作方式的选择位SMO,SM1两位的编码所对应的工作方式如表7-2所示。,下一页,返回,7.1串行口的结构,2.SM2一多机通讯控制位因为多机通讯是在方式2和方式3下进行的，因此，SM2位主要用于方式2或方式3中。当串行口以方式2或方式3接收时，如果SM2=1，则只有当接收到的第9位数据(RB8)为“1”时，才将接收到的前8位数据送人SBUF，并置1RI，产生中断请求;当接收到的第9位数据(RB8)为“0”时，串行口则将接收到的前8位数据丢弃。而当SM2-0时，则不论第9位数据是“1”还是+0;，都将前8位数据送人SBUF中，并置“1RI，产生中断请求。在方式1时，如果SM2=1，则只有收到有效的停止位时才会激活RI，在方式0时，SM2必须为O。3.REN一允许串行接收位由软件置“1”或清“0oREN=1允许串行接收REN=0禁止串行接收,返回,上一页,下一页,7.1串行口的结构,4.TB8一发送的第9位数据在方式2和3时，TB8是要发送的第9位数据。其值由软件置“1”或清+0;。在双机通讯时，TB8一般作为奇偶校验位使用;在多机通讯中用来表示主机发送的是地址帧还是数据帧，TB8=1为地址帧，TB8=0为数据帧。5.RB8一接收到的第9位数据工作在方式2和3时，RB8存放接收到的第9位数据。在方式1，如果SM2=0,RB8是接收到的停止位。在方式0，不使用RB8o6.TI一发送中断标志位串行口工作在方式0时，串行发送第8位数据结束时由硬件置“1，在其他工作方式，串行口发送停止位的开始时置“1。TI=1,表示一帧数据发送结束，TI的状态可供软件查询，也可申请中断。CPU响应中断后，向SBUF中写人要发送的下一帧数据。TI必须由软件清“0。,返回,上一页,下一页,7.1串行口的结构,7.RI一接收中断标志位串行口工作在方式0时，接收完第8位数据时，RI由硬件置“1。在其他工作方式中，串行接收到停止位时，该位置“1oRI=1,表示一帧数据接收完，并申请中断，要求CPU从接收SBUF取走数据。该位的状态也可供软件查询。RI必须由软件清“0。如表7-3SCON的所有位都可进行位操作清“0”或置“1”。7.1.2特殊功能寄存器PCON特殊功能寄存器PCON字节地址为87H，没有位寻址功能PCON的格式所示,返回,上一页,下一页,7.1串行口的结构,SMOD:波特率选择位例如:方式1的波特率的计算公式为:方式1波特率=X定时器T1的溢出率由上式可见，当SMOD=1时，要比SMOD=0时的波特率加倍，所以也称SMOD位为波特率倍增位。,上一页,返回,7.2串行口通信的工作方式,根据需要，89051串行口可以设置4种工作方式，可有8位、10位或11位帧格式。由特殊功能寄存器SCON中SMO,SM1位定义，编码见表7-2。7.2.1串行口方式0串行口的工作方式0为同步移位寄存器输人/输出方式，常用于扩展I/O口。串行数据通过RXD输人或输出，而TXD用于输出移位时钟，作为外接部件的同步信号。这种方式不适用于两个89C51之间的直接数据通信，但可以通过外接移位寄存器来实现单片机的接口扩展。例如出74HC164可用于扩展并行输出口，74HC165可用于并行输出口。在这种方式下，收/发的数据为8位一帧，低位在前，无起始位、奇偶校验位及停止位，波特率是固定的，为/12。方式0的帧格式如图7-3所示:,下一页,返回,7.2串行口通信的工作方式,1.方式0发送发送过程中，当CPU执行一条将数据写人发送缓冲器SBUF(99H0的指令时，产生一个正脉冲，串行口开始即把SBUF中的8位数据以fosc/12的固定波特率从RXD(P3.0)引脚串行输出，低位在先，TXD引脚输出同步移位脉冲，发送完8位数据置“1”中断标志位TI。时序如图7-4所示。写SBUF指令在56P1处产生一个正脉冲，在下一个机器周期56P2处，数据的最低位输出到RXD(P3.0)引脚上;再在下一个机器周期的53,54和SS输出移位时钟为低电平时，在56及下一个机器周期的S1和52为高电平，就这样将8位数据由低位至高位按顺序通过RXD线输出，并在TXD引脚上输出Flsc/12的移位时钟。在“写SBUF”有效后的第10个机器周期的S1P1将发送中断标志TI置位。,上一页,下一页,返回,7.2串行口通信的工作方式,2.方式0接收方式0接收时，REN为串行口接收允许接收控制位，REN=0(RI=1),禁止接收;REN=1，允许接收。当向CPU串行口的SCON寄存器写人控制字(置为方式0，并置“1REN位，同时RI=0)时，产生一个正脉冲，串行口即开始接收数据。引脚RXD为数据输人端，TXD为移位脉冲信号输出端，接收器也以fosc/12的固定波特率采样RXD引脚的数据信息，当接收器接收到8位数据时置“1”中断标志RI。表示一帧数据接收完毕，可进行下一帧数据的接收。时序如图7-5所示),下一页,返回,上一页,7.2串行口通信的工作方式,上面介绍厂方式0的发送和接收。在方式0下，SCON中的TB8,RB8位没用，发送或接收完8位数据由硬件置1TI或RI中断标志位，CPU响应TI或RI中断。TI或RI标志位必须由用户软件清0，可采用如下指令:CLRTI;TI位清“0CLRRI;RI位清“0”清“0TI或RI。方式0时，SM2位(多机通讯控制位)必须为O。7.2.2方式1SMO,SM1两位为O1时，串行口以方式1工作方式1真正用于数据的串行发送和接收。TXD脚和PXD脚分别用于发送和接收数据。方式1收发一帧的数据为10位，1个起始位(0），8个数据位，1个停止位(1)，先发送或接收最低位。方式1的帧格式如图7-6所示。,返回,上一页,下一页,方式1时，串行口为波特率可变的8位异步通讯接口。方式1的波特率由下式确定:方式1波特率=X定时器T1的溢出率式中SMOD为PCON寄存器的最高位的值（0或1）。1.方式1发送串行口以方式1输出时，数据位由TXD(P3.1)端输出，发送一帧信息为10位，1位起始位0,8位数据位(先低位)和1位停止位1，当CPU执行一条数据写发送缓冲器SBUF的指令，就启动发送。图中发送移位时钟TX的频率就是发送的波特率。由此可见，方式1的波特率是可变的。发送开始时，内部发送控制信号变为有效。将起始位向TXD输出，此后，每经过一个TX时钟周期(16分频计数器溢出一次为一个时钟周期，TX时钟频率由波特率决定)便产生一个移位脉冲，并由TXD输出一个数据位。8位数据位全部发送完毕后，置1”中断标志位TI。方式1发送数据的时序，如图7-7所示。,7.2串行口通信的工作方式,返回,下一页,上一页,7.2串行口通信的工作方式,2.方式1接收串行口以方式1接收时(REN=1,SMO,SM1=O1)，数据从RXD(P3.0）引脚输人。当检测到起始位的负跳变时，则开始接收。接收时，定时控制信号有两种(如图7-8所示)，一种是接收移位时钟(RX时钟)，它的频率和传送的波特率相同;另一种是位检测器采样脉冲，它的频率是RX时钟的16倍。也就是在1位数据期间，有16个采样脉冲，以波特率的16倍的速率采样RXD引脚状态。当采样到RXD端从1到0的跳变时就启动检测器，接收的值是3次连续采样(第7,8,9个脉冲时采样)取其中两次相同的值，以确认是否是真正的起始位(负跳变)的开始，这样能较好地消除干扰的影响，以保证可靠无误的开始接收数据。当确认起始位有效时，开始接收一帧信息。接收每一位数据时，也都进行3次连续采样(第7,8,9个脉冲时采样)，接收的值是3次采样中至少两次相同的值，以保证接收到的数据位的准确性。,返回,下一页,上一页,7.2串行口通信的工作方式,当一帧数据接收完毕以后，必须同时满足以下两个条件，这次接收才真正有效。（1）RI=o,即上一帧数据接收完成时，RI=1发出的中断请求已被响应，SBUF中的数据已被取走，说明“接收SBUF”已空。(2)BM20或收到的停止位=1(方式1时，停止位已进人RB8)，则将接收到的数据装人SBUF和RB8(RB8装人停止位)，且置“1”中断标志RI。若这两个条件不同时满足，接收到的数据不能装人SBUF，这意味着该帧数据将丢失。),返回,下一页,上一页,7.2.3方式2串行口工作于方式2和方式3时，被定义为9位异步通讯接口，均为每帧11位异步通信格式，由TXD和PXD发送与接收。每帧数据均为11位，1位起始位0,8位数据位(先低位),1位可程控为1或0的第9位数据和1位停止位方式2的帧格式见图7-9。方式2的波特率由下式确定:方式2波特率=Xfosc1.方式2发送发送前，先根据通讯协议由软件设置TB8(例如，双机通讯时的奇偶校验位或多机通讯时的地址/数据的标志位)。然后将要发送的数据写人SBUF，即可启动发送过程。串行能自动把TB8取出，并装入到第9位数据位的位置，再逐一发送出去。发送完毕，则把T1位置“1”。,7.2串行口通信的工作方式,上一页,返回,下一页,7.2串行口通信的工作方式,串行口方式2发送数据的时序波形如图710所示。例7-1方式2发送在双机通讯中的应用(奇偶校验发送)。下面的发送中断服务程序，是在双机通讯中，以TB8作为奇偶校验位，处理方法为数据写人SBUF之前，先将数据的奇偶校验位写人TB8(设第2组的工作寄存器区的RO作为发送数据区地址指针)。本程序采用偶校验发送。PIPTI:PUSHPSW;现场保护PUSHASETBRSI;选择第二组寄存器区CLRRSOCLRTI;发送中断标志清“0”MOVARO;取数据MOVC，P；校验位送TB8，采用奇偶校验MOVTB8,C,返回,下一页,上一页,7.2串行口通信的工作方式,MOVSBUF,A;数据写人发送缓冲器，启动发送INCRO;数据指针加1POPA；恢复现场POPPSWRETI；中断返回2.方式2接收当串行口的SCON寄存器的SMO,SM1两位为10，且REN=1时，允许串行口以方式2接收数据。接收时，数据由RXD端输人，接收11位信息。当位检测逻辑采样到RXD引脚从1到0的负跳变，并判断起始位有效后，便开始接收一帧信息。在接收完第9位数据后，需满足以下两个条件，才能将接收到的数据送人SBUF(接收缓冲器)。1)RI=0,意味着接收缓冲器为空。2)SM2=0或接收到的第9位数据位RB8=1时。,返回,下一页,上一页,7.2串行口通信的工作方式,当上述两个条件满足时，接收到的数据送人SBUF(接收缓冲器)，第9位数据送人RB8，并置“1RI。若不满足这两个条件，接收的信息将被丢弃。串行口方式2接收数据的时序波形如图7-11所示。例7-2方式2接收在双机通讯中的应用(偶校验接收)。本例与例7-1是对应的。若附加的第9位数据为奇偶校验位，在接收程序中应做偶校验处理，可采用如下程序(设1组寄存器区的RO为数据缓冲器指针)。PIRT：PUSHPSWPUSHASETBRSO;选择1组寄存器区CLRRSICLRRIMOVA,SBUF;将接收到数据送到累加器AMOVC,P,返回,上一页,下一页,7.2串行口通信的工作方式,JNCL1JNBRB8,ERP;ERP为出错处理程序标号AJMPL2L1:JBRB8,ERPL2:MOVRO,AINCROPOPAPOPPSWERP:.;出错处理程序入口.RETI,返回,上一页,下一页,7.2串行口通信的工作方式,7.2.4方式3当SMO,SM1两位为11时，串行口被定义工作在方式3。方式3为波特率可变的9位异步通讯方式，除厂波特率外，方式3和方式2相同。方式3发送和接收数据的时序波形见图7-10和图7-11。方式3的波特率由卜式确定:方式3波特率=x定时器TI的溢出率,返回,上一页,7.3多机通信,串行口控制寄存器SCON中的SM2为方式2或方式3的多机通讯控制位，当串行口以方式2或方式3工作时，若SM2程控为1，此时只有当串行口接收到的第9位数据RB8=1时，才置1中断标志RI，若接收到的RB8=0，则不产生中断标志，信息被丢失。应用89051串行口的这个特性，便可实现多机通讯。设在一个多机系统中有一个主机(89C51或其他具有串行接口的微机)和三个由89C51组成的从机系统，如图7-12所示。,下一页,返回,7.3多机通信,从机的地址分别为OOH,O1H和02H，从机系统由初始化程序(或相关处理程序)将串行口编程为方式2或方式3接收，即9位异步通讯方式，且置“1SM2和REN，允许串行口中断。在主机和某一个从机通讯之前，先将从机地址发送给各个从机系统。接着才传送数据或命令，主机发出的地址信息的第9位为1，数据(包括命令)信息的第9位为0，当主机向各从机发送地址时，各从机的串行口接收到的第9位的信息RB8为1，置“1RI中断标志位，各从机89C51响应中断，执行中断服务程序。在中断服务程序中，判断主机送来的地址是否和本机地址相符合,若为本机的地址,则清0SM2位时,准备接收主,上一页,下一页,返回,7.3多机通信,机的数据或命令;若地址不相符，则保持SM2=1状态。接着主机发送数据，此时各从机串行口接收到的RB8=0，只有与前面地址相符合的从机系统(即已清“0SM2位的从机)才能激活中断标志位RI，从而进人中断服务程序，在中断服务程序中接收主机的数据或执行主机的命令，实现和主机的信息传送;其他的从机因SM2保持为1，又RB8=0不激活中断标志RI，所接收的数据丢失不作处理，从而保证厂主机和从机间通讯的正确性。图7-12所示的多机系统是主从式，由主机控制多机之间的通讯，从机和从机之间的通讯只能经主机才能实现。,下一页,返回,上一页,7.4波特率的设定,在串行通讯中，收发双方对发送或接收的波特率必须一致。通过软件对89C51串行口可设定4种工作方式。其中方式0和方式2的波特率是固定的;方式1和方式3的波特率是可变的，由定时器T1的溢出率来确定(定时器T1的溢出率就是T1每秒溢出的次数)。7.4.1波特率的定义波特率的定义:串行口每秒钟发送(或接收)的位数称为波特率设发送一位所需要的时间为T，则波特率为1T89C51的串行口以方式I或方式3工作时，波特率和定时器T1的溢出率有关。对于定时器的不同工作方式，得到的波特率的范围是不一样的，这是因为定时器/计数器T1在不同工作方式下，计数位数的不同所决定的。,下一页,返回,上一页,7.4波特率的设定,7.4.2定时器T1产生波特率的计算波特率和串行口的工作方式有关。(1)串行口工作在方式0时，波特率固定为时钟频率fosc的1/12，且不受SMOD位的值的影响。若fosc=12MHz，波特率为fose/12即1Mb/s(2)串行口工作在方式2时，波特率与SMOD值有关。方式2波特率fosc若fosc=12MHz;SMOD=0波特率=187.5Kb/sSMOD=0波特率=375Kb/s(3)串行口工作在方式1或方式3时，常用定时器T1作为波特率发生器。T1的溢出率和SMOD的值共同决定波特率，其关系式为:,上一页,下一页,返回,7.4波特率的设定,波特率定时器T1的溢出率（71）由式(7-1)可见，T1的溢出率取决于T1的工作方式和初值。在实际设定波特率时，T1常设置为方式2定时(自动装初值)，即TL1作8位计数器，TH1存放备用初值。这种方式不仅可使操作方便，也可避免因软件重装初值而带来的定时误差。设定时器T1(方式2)初值为X，则有:计时器T1的溢出率（72）将式(7-2)代人式(71)，则:波特率（73）,上一页,下一页,返回,7.4波特率的设定,由式(7-3)可见，这种方式波特率随fose,SMOD以及初值X而变化。在实际使用时，经常根据已知波特率和时钟频率来计算定时器T1的初值Xo为避免繁杂的初值计算。常用的波特率和初值X间的关系常可列成表7-4，以供查用。表7-4有两点需要注意:(1)在使用的时钟振荡频率为12MHz或6MHz时，表中初值X和相应的波特率之间有一定误差。例如，FDH的对应的理论值是10416波特(时钟振荡频率为6MHz时)，与9600波特相差816波特，消除误差可以调整时钟振荡频率fosc实现。例如采用的时钟振荡频率为11.0592MHz。,上一页,下一页,返回,7.4波特率的设定,(2)如果串行通讯选用很低的波特率，例如，波特率选为55，可将定时器T1设置为方式1定时。但在这种情况下，T1溢出时，需用在中断服务程序中重新装人初值。中断响应时间和执行指令时间会使波特率产生一定的误差，可用改变初值的方法加以调整。【例7-3若89051单片机的时钟振荡频率为11.0592MHz，选用T1为方式2定时作为波特率发生器、波特率为2400b/s，求初值。设T1为方式2定时，选SMOD=O。将已知条件条件带人式(7-3)中:波特率2400从中解得:X=244=F4H，只要把F4H装人TH1和TL1，则T1发出的波特率为2400b/s。上述结果也可直接从表7-2中查到。这里时钟振荡频率