第五章 串行通讯技术.ppt

MCS-51单片机的串行通信及接口,串行通信的概念MCS-51串行通信接口及控制寄存器串行接口的工作方式串行口的应用,第五章MCS-51单片机的内部资源及应用,5.3串行通信的概念,并行通信：多位数据位同时传送。,串行通信：数据和控制信息是一位接一位串行地传送下去。,由于串行通信数据是按顺序以位进行传送，因此最少只需一根传输线即可完成，成本低但传送速度慢。适合于单片机之间、单片机与计算机之间的远距离通信。通信的距离可以从几米到上千米。,5.3.1串行数据单片机与外部信息交换方式有两种，一种是并行通信，另一种是串行通信。,(a)并行传输(b)串行传输通信方式硬件连接结构图,串行通信因为一次只能传送一位，所以对于一个字节的数据，至少要分8位才能传送完毕,串行通信传输方式分为：单工方式、半双工方式、全双工方式。,5.3.2串行通信的传输方式,单工方式：只能单向接收或发送数据；半双工方式：可以接收和发送数据，但接收和发送数据不能同时进行；全双工方式：可以同时进行接收和发送数据。如后图所示：,MCS-51系列单片机的串行通信接口是全双工方式。,5.3.3异步通信和同步通信,一.同步通信SYNC同步通信接口3根通讯线：数据线，时钟线，信号地。严格同步,数据连续,速度较,高信息量大。,同步方式需要提供单独的时钟信号，且要求接收器时钟和发送器时钟严格保持同步(同一时钟)。,同步通信示意图,同步通信时序图,同步串行通信数据格式,二.异步通信ASYNC异步通信接口2跟通讯线：数据线，信号地。帧格式传送,速度较慢,信息量不大。,MCS-51系列单片机可进行同步通信和异步通信。,异步串行通信数据格式-MCS511、数据以字符为单位传送；2、用起始位和停止位标识每个字符的开始和结束；3、在每个字符数据的传送过程中可加进一些识别信息位和校验信息位，构成一帧字符信息。,起始位,D0,D1,D4,D3,D2,D5,D6,D7,停止位,C,停止位,字符,字符,校验位,异步通信时序图,异步通信示意图,4、在发送时，信息位的同步时钟并不发送到线路上去，在数据的发送端和接收端各自有独立的时钟。,串行异步通信的帧格式,异步通信一帧字符信息由四部分组成：起始位、数据位、奇偶校验位和停止位。如图所示。下图是不带空闲位形式，即在字符之间没有空闲字符。,N字符,N+1字符,没有空闲位,串行异步通信的帧格式,有空闲位,有的字符信息也有带空闲位形式，即在字符之间有空闲字符。如图所示。,N字符,N+1字符,5.4串行通信的波特率,波特率：即为数据传送速率，表示每秒钟传送二进制代码的位数，它的单位是bit/s。波特率对于CPU与外界的串行通信是很重要的。例如：1200b/s,表示每秒传送1200位二进制代码，包括：,起始位、数据位、奇偶校验位和停止位。,5.31MCS-51串行通信接口及控制寄存器,9.2.1串行口的结构,与串行口有关的特殊功能寄存器有:SCON:串行口控制寄存器SBUF:接收发送缓冲寄存器PCON:功耗控制寄存器（D7:SMOD为波特率系数选择位）,MCS-51串行口发送和接收电路框图,9.2.2串行口寄存器,串行口控制寄存器SCON,串行口控制寄存器SCON可以位寻址,一、工作方式位SM0,SM1,二、允许串行接收控制位RENREN=1，允许接收信息；REN=0，不允许接收。,SCON,三、发送的第9位数据TB8是工作方式2、工作方式3中，发送的第9位数据。它既可以作为数据的奇偶校验位，也可以作为多机通讯中的地址帧或数据帧的标志。由软件置位或清零。,四、接收的第9位数据RB8是工作方式2、工作方式3中，接收的第9位数据。它既可以作为约定的奇偶校验位，也可以作为多机通讯中的地址帧或数据帧的标志。对方的TB8-接收给RB8。,五、SM21、SM2=0时所有方式都接收数据；在方式0和1时，必须使SM2=0，以保证接收数据；2、SM2=1时(用于方式2和3，可用于多机通讯)、若接收的第9位数据D8(RB8)=1，接收的数据将送SBUF，并置RI=1，向CPU申请中断。可用此特点传输地址帧。SM2=1,RB8=1-接收数据、若D8(RB8)=0，表示本帧为数据值，不使RI=1。SM2=1,RB8=0-不接受数据,SCON,六、发送中断标志位TI1、对于工作方式0发送完8位数据后，由硬件置TI=1，向CPU申请发送中断。CPU在响应中断后，要由软件置TI=0。2、对于工作方式1、2、3当发送停止位开始时由硬件置TI=1，并向CPU申请发送中断。CPU在响应中断后，也要由软件置TI=0。,SCON,七、接收中断标志位RI1、对于工作方式0在接收完8位数据后，由硬件置RI=1，向CPU申请接收中断。CPU在响应中断后，要由软件置RI=0。2、对于工作方式1、2、3在接收停止位时由硬件置RI=1，并向CPU申请发送中断。CPU在响应中断后，也要由软件置RI=0。,SCON,发送中断与接收中断是用同一中断源，在全双工通讯方式中，要用软件来判别是发送中断请求还是接收中断请求。,INTSP:PUSHXX2PUSHXX1JBCTI,AA1CLRRILCALLRISUBSJMPSPENDAA1:LCALLTISUBSPEND:POPXX1POPXX2RETI,2.电源控制寄存器PCON电源控制寄存器PCON的地址为87H，没有位寻址功能。可以对单片机实现电源控制管理。其格式如下。,GF1,GF0：用户可自行定义使用的通用标志位PD：掉电方式控制位IDL：待机方式(空闲方式)控制位,SMOD：串行口波特率倍增位，在工作方式1、2和3时，当SMOD1时，波特率提高一倍。复位时，SMOD=0。,9.3串行接口的工作方式,9.3.1方式0(SM1=0,SM0=0)同步通信方式一、特点：1、一帧8位，无起始位和停止位。2、RXD：数据输入/输出端。TXD：同步脉冲输出端，每个脉冲对应一个数据位。,3、波特率：Baud=fosc/12，波特率固定。例如：fosc=12MHz，Baud=1MHz，每位数据占1s。,同步移位寄存器,1、发送过程：执行指令：MOVSBUF,A后，立即启动发送；RXD引脚-输出串行数据；TXD引脚-输出同步移位脉冲；发送完一帧数据后，发送中断标志TI由硬件置位。,如要发送数据，如下所示：MOVSCON,#00H;串行口方式0SPINT:CLRTI;进入串行中断JBSP_B，SPINT1;判断是否继续送数MOVSBUF,A;将数据送出DJNZXX,SPINT1SETBSP_BSPINT1:RETI,二、发送和接收过程,2、接收过程当REN=1并且RI=0时，开始接收数据。RXD引脚-输入串行数据；TXD引脚-输出同步移位脉冲；当接收到第8位数据时，将数据移入接收寄存器，并由硬件置位RI。,如要接收数据，如下所示：MOVSCON,#10H;串行口方式0，允许接受SPINT:CLRRI;进入串行中断JBSP_B,SPINT1;判断是否继续送数MOVA,SBUF;接收数据DJNZXX,SPINT1SETBSP_BSPINT1:RETI,波特率B=fosc/12，,一帧8位，无起始位和停止位,(a)方式0发送电路(b)方式0接收电路方式0应用电路,利用串行口扩展并行输入口,9.3.2方式1(SM0=0,SM1=1)异步通信方式,一、特点1、一帧10位：8位数据位，1个起始位(0)，1个停止位(1)。2、RXD：接收数据端。TXD：发送数据端。3、波特率：用T1作波特率发生器，波特率可变，Baud=(2SMOD/32)T1溢出率。,停止位,字符,1、发送数据在设置好工作模式后，当CPU执行指令：MOVSBUF，A时，就启动发送。串行数据从TXD引脚输出，发送完一帧数据(10位)后，由硬件置位TI。,二、发送和接收过程,停止位,字符,2、接收数据：REN=1，允许接收、设置工作模式为01，并置REN=1，RI=0，SM2=0；、串行口以波特率16倍频的速率采样RXD引脚，当采样到1至0的跳变时，并连续8次采样到0时，就开始接收一帧数据。、当采样到停止位时，8位数据进入接收寄存器SBUF，并由硬件置接收中断标志RI=1。如不满足REN=1和SM2=0，则不置位RI,丢弃接收数据。,串行方式1发送和接收时序图,停止位,停止位,9.3.3方式2和方式3异步通信方式,1、一帧为11位：9位数据位，1个起始位(0)，1个停止位。第9位数据位在TB8/RB8中，常用作校验位或多机通讯标识位。2、RXD：接收数据端，TXD：发送数据端。3、波特率：方式2：B=(2SMOD/64)fosc方式3：B=(2SMOD/32)T1溢出率,起始位,D0,D1,D4,D3,D2,D5,D6,D7,停止位,C,字符,校验位,一、特点：,二、发送和接收过程,1、发送数据、在设置好工作模式2或3后，当CPU执行指令MOVSBUF，A时，就启动发送。串行数据从TXD引脚输出，送完一帧数据(11位)后，由硬件置位TI。、第9位数据来自SCON寄存器的TB8位，用软件置1或置0。它可作为数据的奇偶校验位，也可作为多机通讯中地址/数据信息的标志位。,2、接收数据：REN=1，允许接收、设置工作模式为2和3，并置REN=1，RI=0。、串行口以波特率16倍频的速率采样RXD引脚，当采样到1至0的跳变时，并连续8次采样到0时，就开始接收一帧数据。,、在接收到第9(D8)位数据时：当SM2=0时，接收数据，8位数据送入SBUF，D8送给RB8，并由硬件将接收中断标志RI置1；当SM2=1时：若D8=0，不置RI=1，丢弃接收到的数据；若D8=1，接收数据，8位数据送入SBUF，并将D8送入RB8，并由硬件置RI=1，,串行方式2、3发送和接收时序图,停止位,9.3.4波特率的计算,在串行口的四种工作方式中，方式0和2的波特率是固定的；方式1和3的波特率是可变的，取决于定时器T1的溢出率。方式0为固定波特率：B=fosc/12方式2可选两种波特率：B=(2SMOD/64)fosc方式1、3为可变波特率：B=(2SMOD/32)T1（溢出率）,T1为方式2时的重装载值：初值：X=28t/T(T为工作周期)溢出时间：t=(28-X)T=(28-X)12/fosc,每秒钟溢出的次数：T1（溢出率）=1/t=fosc/12(28-X)波特率B=(2SMOD/32)fosc/12(28-X)因此，对于串行口方式1和3，T1选方式2的重装载值为:TH1=X=28-(2SMOD/32)fosc/(12B),下表列出了用定时器1工作于方式2常用波特率及初值,例:8051单片机时钟振荡频率为11.0592MHz，选用定时器T1工作模式2作为波特率发生器，波特率为B=2400b/s，求初值。并编写初始化程序。解：设置波特率控制位(SMOD)0X=28-(2SMOD/32)fosc/(12B)=256-12=244所以：X=(TH1)=(TL1)=244=F4H,初始化程序为：ORG0000HLJMPMAINORG0023HLJMPSPSUBORG0050HMAIN：MOVTMOD，#20H;T1定时方式，模式2MOVPCON，#00H;SMOD=0MOVTH1，#0F4HMOVTL1，#0F4HMOVIE,#90HMOVSCON，#50H;串行口方式1，允许接收SETBTR1,9.4串行口的应用9.4.1串行通讯编程的基本方法,一、串行通信的初始化1、串行口的初始化包括:对SCON选工作方式对PCON设波特率加倍位“SMOD”(缺省值=0)如果是接收数据，仍要先置REN=“1”,2.T1作波特率发生器时初始化包括:选定时器工作方式2(TMOD选8位自动重装)；将计算(或查表)出的初值X赋给TH1,TL1；启动T1，指令：SETBTR1。对T1不要开中断!,串行口初始化编程格式：SIO：MOVSCON，#50H;写方式字且TI=RI=0MOVPCON，#80H;波特率加倍MOVTMOD，#20H;T1作波特率发生器MOVTH1，#XXH;选定波特率MOVTL1，#XXHSETBTR1;启动定时T1ORLIE,#90H;开串行口中断,(1)、查询方式：MOVR2,#LTH;LTH=数据长度TRAN：MOVA，R0；取数据MOVSBUF，A；发送一个字符WAIT：JBCTI，NEXT；等待发送结束SJMPWAITNEXT：INCR0；准备下一次发送DJNZR2,TRAN;判断是否发送结束,1、发送程序：先发送一个字符，等待TI=1后，再发送下一个字符,二、发送和接收编程举例,(2)、中断方式ORG0000HLJMPMAINORG0023H;串行口中断入口AJMPSINTMAIN：;初始化编程MOVA，R0;取数据MOVSBUF，A;发送第一个字符MOVR2,#LTH;LTH=数据长度H：;其它工作SINT：CLRTI;中断服务程序INCR0MOVA，R0;取数据DJNZR2,SINT1;SJMPSINTZSINT1:MOVSBUF，A;发送下一个字符SINTZ:RETI,2、接收程序：REN=1、RI=0时，等待接收；当RI=1时，从SBUF读取数据。,(1)、查询方式MOVR2,#LTH;LTH=数据长度WAIT：JBCRI，NEXT；查询等待SJMPWAITNEXT：MOVA，SBUF；读取接收数据MOVR0，A；保存数据INCR0；准备下一次接收DJNZR2,WAIT;是否最后一个？,(2)、中断方式ORG0000HLJMPMIANORG0023HAJMPRINTMAIN：；初始化编程H：SJMP；其它任务;RINT：CLRRI；清中断标志MOVA，SBUF；读取接收数据MOVR0，A；保存数据INCR0；地址加一DJNZR2,RINTN;是否最后一个？MOVR2,#LTH；初始化RINTN:RETI,用奇偶校验方式发送TXDSUB:PUSHPSW;保护现场PUSHACCMOVPSW,#08HCLRTI;清发送中断标志以备下次发送MOVA，R0;取由R0所指向的单元中的数据MOVC,P;将奇偶标志位通过C放进TB8MOVTB8,C;一起发送出去MOVSBUF,A;启动发送INCR0;指针指向下一个数据单元POPACC;恢复现场POPPSWRETI;中断返回,用奇偶校验方式接收：RXDSUB:PUSHPSW;保护现场PUSHACCMOVPSW,#08HCLRRI;清发送中断标志以备下次发送MOVA，SBUF;读取收到的数据MOVC,P;奇偶标志位C=JNBP，L1JNCL1;C=0时转到L1P=0时转到L1JNBRB8,ERR;P=1时转到L2，若RB8=0“出错”SJMPL2;RB8=1则表明接收正确，转L2L1:JBRB8,ERR;P=0且RB8=1表明“出错”L2:MOVR0,A;P=0且RB8=0表明接收正确INCR0;指针指向下一个数据单元SJMPSPENDERR:出错处理SPEND：POPACC;恢复现场POPPSWRETI;中断返回,9.4.2通过串行口扩展I/O口,一、用并入串出移位寄存器扩展并行输入口74LS165是8位并行输入串行输出移位寄存器。图示是利用两片74LS165扩展2个8位并行输入口的电路。,当扩展多个8位输入口时，相邻两芯片的首尾(串行输出端Q7与串行输入端SER)相连。用P1.0与74LS165的移位/置位端相连，来控制其移位/置位。当/MR为低电平时，并行数据置入74LS165的寄存器；当/MR为高电平时，开始串行移位。,下面程序为读入16位数据并存入8031的片内RAM30H和31H两个端单元中：MOVR0,#30H；建立指针MOVR7,#02H；字节计数初值CLRP1.0；=0，并置入数据SETBP1.0；=1，允许串行移位LOOP:MOVSCON,#10H；置串行口方式0，REN=1,RI=0JNBRI,$；等待一帧数据接受完CLRRI；清接收标志MOVA,SBUF；读接受数据MOVR0,A；存入RAM缓冲区INCR0；调整指针DJNZR7,LOOP；数据未接受完，继续,二、采用串入并出移位寄存器扩展并行输出口74LS164是8位串入并出移位寄存器。图示是利用两片74LS164扩展2个2位输出口的接口电路。,当扩展多个8位输入口时，相邻两芯片的首尾(串行输出端Q7与串行输入端A、B)相连。用P1.0控制74LS164的/MR清除端(9)。当/MR为低电平时，清除74LS164中的数据；当/MR为高电平时，开始串行移位。,MOVR0,#30H；建立指针MOVR7,#02H；字节计数初值SETBP1.0；=1，清零端无效LOOP:MOVSCON,#10H；置串行口方式0，REN=1,TI=0MOVA,R0；取RAM缓冲区内容MOVSBUF,A；发送JNBTI,$；等待一帧数据发送完CLRTI；清发送标志INCR0；调整指针DJNZR7,LOOP；数据未发送完，继续,下面程序为利用74LS164扩展一个16位并行输出口，将8031的片内RAM30H和31H两个单元中的数据通过两片74LS164输出：,9.4.3串行通讯总线标准及其接口,异步串行通信常用接口：1.TTL电平;2.RS-232C3.RS-422，RS-4854.20mA电流环RS-232C、RS-422、RS-485最初都是由电子工业协会（EIA）制订并发布的。,一、RS-232C接口,1、RS-232的电气特性：工作方式：单端驱动器输出信号电平：+/-5V+/-15V接收器输入电压范围：+/-15V接收器输入门限：+/-3V驱动器负载阻抗：3K7K接收器输入电阻()：3K7K最大传输电缆长度：50英尺最大传输速率：20Kb/S,逻辑1：-5-15V逻辑0：+5+15V,MAX202MAX232A,2、RS-232C电平与TTL电平转换驱动电路,RS-2329针接口,3、RS-232接口标准,串口通信基本接线方法,23178465,231其它7设备8465,单片机系统,9针串口,信号地,RS-23225针接口,二、RS-422接口,1、RS-422的电气特性：工作方式：差分驱动器输出信号电平：+/-2V+/-6V最大驱动输出电压：-0.25V+6V接收器输入电压范围：-10V+10V接收器输入门限：+/-200mV驱动器负载阻抗：100接收器输入电阻：4K最大传输电缆长度：400英尺最大传输速率：10Mb/s驱动器共模电压：-3V+3V接收器共模电压：-7V+7V,2、RS-422电平与TTL电平转换驱动电路,G,R,R,G,G-发送器R-接收器,信号地,电源地,100欧姆,RS-422结构框图,TTL电平,RS-422电平,三、RS-485电平与TTL电平转换驱动电路,1、RS-485的电气特性：工作方式：差分(具有三态输出)驱动器输出信号电平：+/-1.5V+/-6V最大驱动输出电压：-7V+12V接收器输入电压范围：-7V+12V接收器输入门限：+/-200mV驱动器负载阻抗：54接收器输入电阻：12K最大传输电缆长度：400英尺最大传输速率：10Mb/s驱动器共模电压：-1V+3V接收器共模电压：-7V+12V,Z,Z,Z三态控制,芯片:MAX485,2、RS-485电平与TTL电平转换驱动电路,G,R,R,G,G-发送器R-接收器,信号地,电源地,100欧姆,三态控制,RS-485结构框图,RS-485电平,TTL电平,三态控制,9.4.4单片机与单片机的通信,近程通讯采用数字信号直接传送方式：单片机内部的数据信号是TTL电平标准，而通信线上的数据信号是RS-232电平标准。尽管电平标准不同，但数据信号的波形和频率并没有改变，近程串行通讯只需用传输线把两端接口电路直接连接起来即可实现。RS-232和TTL电平标准的逻辑值规定为：RS-232标准TTL标准逻辑1:-5-15V3.35V(高电平额定值3.3V)逻辑0:+5+15V00.7V(低电平额定值0.2V),硬件连接,RS-232电平,9.4.5多机通信单片机构成的多机系统常采用总线型主从式结构。所谓主从式，即在数个单片机中，有一个是主机，其余的是从机，从机要服从主机的调度、支配。80C31单片机的串行口方式2和方式3适于这种主从式的通信结构。当然采用不同的通信标准时，还需进行相应的电平转换，有时还要对信号进行光电隔离。在实际的多机应用系统中，常采用RS-485串行标准总线进行数据传输。,硬件连接(用485接口),通信协议示意图,地址字节,数据字节,数据字节,校验字节,结束字节,从机回应,从机回应,0E,TB8=0,TB8=1,二、通信协议(1)1、所有从机设置SM2=1，处于接收地址帧状态；2、主机发送地址帧，其中TB8=1，D0D7位是地址；3、所有从机收到地址帧后，都将接收的地址与本机的地址比较。若地址相等的从机，置SM2=0，准备接收主机随后发来的数据帧，并回应主机收到地址；对于地址不等的从机，仍保持SM2=1；4、主机收到从机应答地址后，确认地址是否相符，若不符，重发地址信号（数据帧中TB8=1）；如果地址相符，则置TB8=0，开始发送数据。,5、从机接收到通信结束字符后，比较校验和，若正确则回送正确信号00H给主机，并置SM2=1(即重新等待地址帧)；若校验和出错，则发送0FFH，要求主机重发数据。6、主机收到回送的是正确信号(00H)，则准备下一次送数；若是错误信号(0FFH)，则重新发送。,多机发送程序清单如下：ORG0000HLJMPSTARTORG0023HLJMPSENDORG0050HSTART:MOVIE,#90HMOVTMOD,#20H;定时器1置为方式2MOVTH1,#0F4H;装载定时器初值，波特率2400MOVTL1,#0F4HMOVPCON,#00HSETBTR1;启动定时器MOVSCON,#0D8H;串口方式3，REN=1,SM2=0，TB8=1MOVA,R2;从机X的地址。MOVSBUF,A;发送从机X地址。,SEND：PUSHACC;保护现场PUSHPSWMOVPSW,#10HJBTI,SEND2;判断接收还是发送。CLRRIMOVA,SBUFXRLA，R2;判断是否从机1应答JZSEND1MOVA,R2;不是从机1，继续联络MOVSBUF,A;发送从机X地址。SJMPSENDZSEND1:CLRTB8;从机1准备好，TB8=0，准备送数据。SEND2：CLRTIJBTB8,SENDZ;判断是否接收数据。;发送、处理数据。DJNZR7,SENDZ;判断数据是否发送完。SETBTB8;数据发送完后清楚数据标志。SENDZ:POPPSWPOPACCRETI,多机接收程序清单如下：ORG0000HLJMPSTARTORG0023HLJMPRECIADDR6EQU06HORG0050HSTART:MOVIE,#90HMOVTMOD,#20HMOVTH1,#0F4HMOVTL1,#0F4HMOVPCON,#00HSETBTR1MOVSCON,#0F0H;串口方式3，REN=1,SM2=1MOVR7,#XX;设置接收数据长度LOOP:SJMPLOOP,RECI：PUSHACC;保护现场PUSHPSWMOVPSW,#10H;改变寄存器组CLRRIMOVA,SBUF;取接收到的数据。JNBSM2,RECI1XRLA,#ADDR6;判断是否为联络本机信号。JNZRECIZ;不是联络本机信号，退出并继续等待。MOVA,#ADDR6;是联络本机信号，发应答信号MOVSBUF,ACLRSM2SJMPRECIZRECI1:DJNZR7,RECIZMOVR7，#XXSETBSM2RECIZ:POPPSWPOPACCRETI,串行总线接口,单总线，I2C总线,一、单总线（1Wire）,只有一根数据输入/输出线。如：数字温度计D18S20范围：55125oC;精度：0.5oC,GND,I/O,Vcc,D18S20,二、I2C(InterIntegratedCircuit)总线,由PHILIPS公司开发的两线式串行总线。特点:简单性和有效性；同步串行数据总线；两根信号线：串行数据线SDA(I/O)和时钟线SCL;,DS1302,23178465,231其它7设备8465,单片机系统,9针串口,信号地,（a）,（b）,图7-22终端/计算机与终端/计算机简化连接形式,RS-232RS-