MCS-51单片机串行通信.ppt

MCS-51单片机串行通信,单片微机原理与接口技术,9.1串行通信概述,9.1.1数据通信设备之间进行的数据交换，如CPU与外设之间进行的数据交换，计算机之间进行的数据交换等，称为数据通信。通信方式有两种：并行通信和串行通信。并行通信是多位数据同时通过多根数据线传送，每一根数据线传送一位二进制代码。其优点是传送速度快，效率高；缺点是硬件设备复杂，数据有多少位，就需要多少根数据线。因此，并行通信适用于近距离通信，如在计算机内部，数据传送都是并行通信。串行通信是数据通过一根数据线，一位一位地传送。其优点是硬件设备简单，只需一对传输线，在远距离通信时就大大降低了成本；其缺点是传输速度慢，效率低。,9.1串行通信概述,9.1.2串行通信方式串行通信有单工通信、半双工通信和全双工通信3种方式。单工通信是指数据只能单方向地从一端向另一端传送。如目前的有线电视节目，只能单向传送；半双工通信是指数据可以双向传送，但任一时刻只能向一个方向传送。即分时双向传送数据；全双工通信是指数据可同时向两个方向传送，全双工通信效率最高，适用于计算机之间的通信。,9.1串行通信概述,9.1.3异步通信和同步通信通信双方要正确地进行数据传输，需要解决何时开始传输，何时结束传输，以及数据传输速率等问题，即解决数据同步问题。实现数据同步，通常有两种方式，一种是异步通信，另一种是同步通信。,9.1串行通信概述,1异步通信在异步通信中，每个数据都是以特定的帧形式传送，数据在通信线上一位一位地串行传送，每帧按先后顺序由以下几部分组成：起始位表示传送一个数据的开始，用低电平表示，占1位。数据位要传送的数据的具体内容，可以是5位、6位或更多，数据从低位开始传送。奇偶校验位为了保证数据传输的正确性，在数据位之后紧跟一位奇偶校验位，用于有限差错检测。当数据不需进行奇偶校验时，此位可省略。,9.1串行通信概述,停止位表示发送一个数据的结束，用高电平表示，占1位、1.5位或2位。线路空闲时，线路处于逻辑“1”等待状态，即空闲位为1。空闲位是异步通信特征之一。异步通信中数据传送格式如图9.1所示。图9.1异步通信数据帧格式,图9.1异步通信数据帧格式,9.1串行通信概述,2同步通信在异步通信中，每一个数据都包含起始位和停止位，占用了传送的时间，当数据量较大时，这一问题更为突出，因此在大量数据传输时采用同步通信方式来实现。同步通信中，通常先发送12个字符作为数据传送的开始，称为同步字符SYNC，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，紧接着按顺序传送数据，中间不能有空闲位，也不需要停止位和开始位，仅在数据块开始时用同步字符SYNC来指示，其数据格式如图9.2所示。,9.1串行通信概述,图9.2同步传送的数据格式,9.1串行通信概述,同步字符的多少可以由用户自己规定，当然也可以采用ASCII码中规定的SYNC代码，即16H。接收端收到同步字符后，开始准备接收数据。不过，在同步通信中，为了准确无误地接收数据，发送端和接收端的时钟频率必须一致。在实际中，可通过硬件从发送的信息中提取时钟。当然，发送端的数据编码要包含时钟信息。同步通信传送速度快，传输速率可达56kb/s或更高，但硬件结构比较复杂；异步通信硬件结构比较简单，但传送速度较慢。MCS51单片机采用异步通信方式。,9.1串行通信概述,3波特率波特率是数据传递的速率，指每秒传送二进制数据的位数，单位为位/秒（bit/s）。例9.1假设微型打印机最快的传送速率为30字符/秒，每个字符为10位，计算波特率。解：波特率10b/字符30字符/s300b/s每一位代码的传送时间Td为波特率的倒数：Td1/3003.3ms异步通信的波特率一般在5019200b/s之间，常用于计算机到终端机和打印机之间的通信、直通电报以及无线电通信的数据发送等。,9.2串行口结构与工作原理,9.2.1串行口结构在8051中有一个可编程的全双工串行通信接口，此串行接口既可用作UATR(通用异步接收和发送器)，也可用作同步移位寄存器，其帧格式有8位、10位或11位，并能设置各种波特率，很容易地构成双机、多机串行通信接口。该接口的结构简图如图9.3所示。8051的串行口主要由两个物理上独立的串行数据缓冲器SBUF、接收发送控制器、输入输出移位寄存器及其他一些逻辑电路组成。,9.2串行口结构与工作原理,图9.38051串行口组成框图,9.2串行口结构与工作原理,1串行数据缓冲器SBUF（99H）MCS51系列单片机串行口有两个串行数据缓冲器，一个用于发送数据，另一个用于接收数据，可以同时用来发送和接收数据。发送缓冲器只能写入，不能读出。接收缓冲器只能读出，不能写入。两个缓冲器使用同一符号SBUF，共用一个地址99H，根据读、写指令确定访问其中的哪一个。发送数据时，执行一条数据写入SBUF的传送指令（执行“MOVSBUF，A”指令），即是向发送缓冲器SBUF装载并开始有TXD引脚向外发送一帧数据，发送完便使发送中断标志位TI1。在满足串行口接收中断标志位RI（SCON.0）=0的条件下，置允许接收位REN（SCON.4）=1就会接收一帧数据进入移位寄存器，并装载到接收SBUF中，同时使得RI1。当发读SBUF命令时（执行“MOVA，SBUF”指令），便由接收缓冲器（SBUF）取出信息通过8051内部总线送CPU。,9.2串行口结构与工作原理,从结构图中，可以看出接收器是双缓冲器结构，在前一个字节被从接收缓冲器SBUF读出之前，第二个字节即开始接收（串行输入至移位寄存器），但是，在第二个字节接收完毕而前一个字节CPU未读取时，会丢失前一个字节。对于发送缓冲器，因为发送时CPU是主动的，不会产生重叠的错误，一般不需要双缓冲器结构来保持最大的传送速率。,9.2串行口结构与工作原理,2串行口控制寄存器SCON（98H）特殊功能寄存器SCON字节地址为98H，可以进行位寻址。8051串行通信的方式选择、接收和发送控制以及串行口的状态标志等均由该寄存器控制或标示，控制字的格式如下：,9.2串行口结构与工作原理,SM0、SM1：串口工作方式选择位。可选择4种工作方式，详细用法如表9.1所示。其中fosc是振荡频率，n为因子，10和11为一帧的总位数，对应的数据位为8和9。,9.2串行口结构与工作原理,9.2串行口结构与工作原理,SM2：多机通信控制位。a用于方式2和方式3。若SM21，则允许多机通信。多机通信协议规定，若第9位数据(RB8)为1，则表明本帧数据为地址帧。否则，若第9位数据(RB8)为0，则表明本帧数据为数据帧。当一个8051(主机)与多个8051(从机)进行通信时，令所有从机的SM2都置1。主机要与某个从机通信，首先发送一个与该从机相一致的地址帧(每个从机的地址必须惟一)，且第9位为1，所有从机接收到数据后，将第9位送入RB8中。若RB81，说明是地址帧，将数据装入SBUF，且置RI1，即中断所有从机，若从机判断出该地址帧数据与本机号(地址)一致，则置SM20，准备接收主机发来的数据。其他从机仍然保持SM21。,9.2串行口结构与工作原理,若RB80，说明是数据帧。当从机SM21时，置接收中断标志位RI0，不予理睬该数据帧。当从机SM20时，则不属于多机通信方式，此时不论第9位是0还是1，都置RI1，并将接收到的数据装入SBUF中。b用于方式0和方式1。在方式0时，必须SM10；在方式1时，当SM21，则只有收到有效停止位时，RI才置1，以准备接收下一帧数据。REN：允许串行接收控制位。由软件置1或置0，若REN1时允许接收，REN0时禁止接收。TB8：保存发送数据的第9位。在方式2或方式3中，可由软件置1或置0。既可用于多机通信中作为发送地址帧和数据帧的标志位，也可用于许多通信协议中的奇偶校验位。在方式0或方式1中，该位未用。,9.2串行口结构与工作原理,RB8：保存接收数据的第9位。在方式2或方式3中，保存接收的第9位数据。用于多机通信中作为地址、数据的标志位，RB81表示接收的数据是地址帧，RB80为数据帧；或用作其他通信协议中的奇偶校验位。在方式1中，若SM20，RB8中保存的是已接收到的停止位。在方式0中，该位未用。TI：发送中断标志。在方式0时，发送完第8位数据时，硬件自动置1。在其他方式中，则在刚发送停止位时，硬件自动置1。TI1相当于发送缓冲器SBUF为空，通知CPU可以发送下一帧数据。在任何方式中，TI不会自动清0，必须由软件清0。否则，一个数据可能发送多次。,9.2串行口结构与工作原理,RI：接收中断标志。在方式0时，接收完第8位数据时，硬件自动置1。在其他方式中，则在接收停止位的中间点，硬件自动置1。RI1相当于接收缓冲器SBUF为空，通知CPU可以取走数据。但在方式1中，当SM21时，若未收到有效的停止位，不会对RI置1。RI在任何方式中不会自动清位，必须由软件清0。串行发送中断标志TI和接收中断标志RI是同一个中断源，CPU事先不知道是由TI还是RI产生的中断，因此，在全双工通信中，必须由软件判别是谁引起的中断。另外，8051复位时，SCON的所有位都清0。,9.2串行口结构与工作原理,3电源控制寄存器PCON(87H)电源控制寄存器PCON只有SMOD位与串行接口工作有关，控制字的格式如下：,9.2串行口结构与工作原理,SMOD是波特率倍增位。当SMOD1时，波特率提高一倍。复位时，SMOD0。工作在方式0时，该位无效。,9.2串行口结构与工作原理,9.2.2串行接口的工作方式8051串行接口有4种工件方式，但在串行通信中，一般只用方式1、方式2或方式3，方式0常作为扩展I/O口之用。下面分别介绍。1方式0当SM00，SM10时，串行口工作于方式0。方式0是同步移位寄存器输入/输出方式。其传输的波特率是固定的，等于振荡频率的12分频，即fosc/12，只与振荡频率有关，不能用软件设置。通信的数据帧固定为8位，没有起始位和停止位，先发送或接收低位，后高位。串行接口数据通过RxD(P3.0)发送或接收，而TxD(P3.1)用于提供同步移位脉冲，作为外部器件的同步信号。,9.2串行口结构与工作原理,（1）发送。发送时，假定8051写入一个数据到发送缓冲器SBUF(99H)，即执行MOVSBUF，A命令，串行接口将SBUF中的8位数据按波特率为fosc/12从RxD脚输出，低位在前，高位在后。发送完8位数据后，由硬件将TI标志置1。再次发送数据之前，必须由软件将TI清0，方式0发送时序如图9.4(a)所示。（2）接收。接收时，先用软件写SCON(98H)，即同时置REN1，置RI0。满足这两个条件，就会启动一次接收过程。此时RXD为数据输入端，TXD为同步信号输出端。串行数据输入的波特率为fosc/12。当接收完8位数据后，由硬件将RI标志置1。当再次接收时，必须由软件将RI标志清0。方式0接收时序如图9.4(b)所示。,9.2串行口结构与工作原理,图9.4串行接口方式0的时序,(a),(b),9.2串行口结构与工作原理,2方式1当SM00，SM11时，串行口工作于方式1。串行接口方式1是10位异步通信接口。其中数据位为8位(低位在先，高位在后)，起始位和停止位各占1位。TXD用于发送，RXD用于接收。（1）发送。发送时，当CPU执行一条将数据写入到发送缓冲器SBUF，便启动发送。当发送完一帧数据时，发送中断标志位被置1。发送时序如图9.5（a）所示。（2）接收。当REN1，并同时RI0，接收器对RxD脚信号进行采样，采样频率是波特率的16倍。,9.2串行口结构与工作原理,一旦检测到RxD脚上的起始位，即RxD脚的电平由1变为0时，启动接收器接收数据。先接收起始位，然后接收一帧的其余信息。为了保证接收数据的正确，对每一位数据的检测采用“测三取二”的方法。即把一个位周期分为16个状态，在第7、8、9状态检测RXD引脚上的电平，即是每个电平采样3次，至少两次相同的值才被确认，称之为采3取2，若采样的值不是低电平0，则起始位无效，复位接收电路。在采样到起始位0后的下一个RX时钟周期开始，按照RX时钟频率，依次将RxD上的串行数据采样送到输入移位寄存器中(串行数据变成并行数据)。,9.2串行口结构与工作原理,方式1接收时，必须满足以下的两个条件：一是RI0，即没有中断请求或上一帧数据接收完成时发出的中断请求已被响应，SBUF中存放的上一帧数据已被取走；二是SM20或者接收到的停止位为1，则接收到的这一帧数据有效。将8位数据送入SBUF，停止位送RB8，RI置1。如果上述的条件不满足，则接收到的这一帧数据就会丢失，接收器重新开始检测RXD引脚上的负跳变。方式1接收时序如图9.5（b）所示。,9.2串行口结构与工作原理,图9.5串行接口方式1的时序,(a),(b),9.2串行口结构与工作原理,3方式2和方式3当SM01、SM10时，串行口工作于方式2，当SM01、SM11时，串行口工作于方式3。两种工作方式都是11位异步通信接口，适用于多机通信，它们区别仅仅是：方式2的通信波特率只有两种fosc/32或fosc/64；方式3的通信波特率是可变的。在方式2或方式3下，数据由TXD发送，RXD接收。一帧数据为11位：1位起始位（低电平）、8位数据位（低位在前高位在后）、1位可编程位(第9位数据，用做奇偶校验或地址/数据选择)和1位停止位。与方式1相比，多了一位可编程位。发送时，第9位数据为TB8，接收时，第9位数据送入RB8。,9.2串行口结构与工作原理,图9.6串行接口方式2和方式3的时序,(a)发送,(b)接收,9.2串行口结构与工作原理,（1）发送。操作过程与方式1类似。当执行MOVSBUF，A命令时，便立即启动发送，从起始位开始依次向TxD脚发送发送缓冲器SBUF中的8位数据、附加的第9位数据（SCON中的TB8）和停止位。当一帧数据发送完毕，置TI1。方式2和方式3发送时序如图9.6(a)所示。（2）接收。当REN1，允许接收。接收器开始检测RXD引脚上的信号，检测和接收数据的方法与方式1相似。当接收器收到第9位数据后，若同时满足以下的两个条件：一是RI0，二是接收到第9位数据为1，则接收到数据有效，8位数据装入SBUF，第9位数据装入RB8，并由硬件将RI置位。若不满足这两个条件，则接收到的这一帧数据将丢失，重新开始检测起始位。方式2和方式3接收时序如图9.6(b)所示。方式2或方式3的发送与接收时序与方式1相似，仅仅是多了一位数据TB8或RB8。,9.2串行口结构与工作原理,9.2.3波特率设计设置1.方式0的波特率串行口工作在方式0时，发送和接收的波特率是固定的。波特率都等于振荡频率的1/12。即：波特率=fosc/122.方式2的波特率串行口工作在方式2时，发送和接收的波特率与电源控制寄存器PCON中的SMOD位有关。当SMOD0时，波特率等于振荡频率的1/64；当SMOD1时，波特率等于振荡频率的1/32。即：波特率=fosc2SMOD/64（91）由于PCON无位寻址功能，通常通过以下指令清零或者置1。ANLPCON，#7FH；使得SMOD0ORLPCON，#80H；使得SMOD1,9.2串行口结构与工作原理,3.方式1和方式3的波特率串行口工作在方式1和方式3时，发送和接收的波特率是可变的，它与定时器的溢出速率和SMOD位有关。其波特率由下式确定：波特率=2SMODT1溢出速率/32（92）其中：T1的溢出速率定义为定时时间的倒数，计算公式如下：,9.2串行口结构与工作原理,定时器T1溢出速率,波特率,（93）,（94）,9.2串行口结构与工作原理,式中：K为定时器T1位数，它和定时器T1的设定方式有关。即：若定时器T1为方式0，则K13；若定时器T1为方式1，则K16；若定时器T1为方式2，则K8；定时器T1作波特率发生器时，通常选用T1工作在方式2定时方式，此时，T1的计数速率为fosc/12（应禁止T1中断）。因为定时器T1在方式2下工作，TH1和TL1分别设定为两个8位重装计数器，这种方式不仅可使得操作方便，也可避免因重装初值而带来的定时误差。表9.2给出了工程设计中定时器T1产生的常用波特率与其他参数之间的关系。可根据表中规律，推算出其他串行口通信波特率。,9.2串行口结构与工作原理,9.38051双机串行异步通信,两台8051单片机可以很方便地通过串口实现异步通信。根据两台单片机的距离，应采用不同的电平标准才能实现正常通信。若两台单片机在1.5米以内，可以采用TTL/CMOS电平；若两台单片机更远，但在15米以内，则可以采用RS232C电平；若采用RS485总线标准，则通信距离可以达到1公里左右。TTL/CMOS电平采用2.4V表示逻辑“1”，采用0.5V表示逻辑“0”。RS232C总线电平标准则是用12V表示逻辑“1”，用12V表示逻辑“0”。因此，与TTL/CMOS电平相比，RS232C总线电平具有更强的抗干扰能力，传送数据的能力更强，通信距离更远。单片机串口采用的是TTL/CMOS电平。而PC机的串口（COM1、COM2）则采用的是RS232C总线电平。,9.38051双机串行异步通信,9.3.1硬件连接8051单片机的串口的输入与输出为TTL/CMOS电平，若通信距离不超过1.5米，可以将两台单片机的串口直接相连，如图9.7所示：,9.38051双机串行异步通信,9.38051双机串行异步通信,若通信距离超过1.5米，在15米以内，则要通过MAX232芯片将TTL/CMOS电平转化为RS232C电平。其电路连接如图9.8所示：,图9.8MAX232芯片将TTL/CMOS电平转化为RS232C电平,9.38051双机串行异步通信,图中，MAX232芯片的11引脚和12引脚分别以TTL/CMOS电平输入输出，其13引脚和14引脚分别以RS232C总线电平输入输出，因此，起到电平转换的作用。,9.38051双机串行异步通信,9.3.2查询方式双机通信设计设有两个8051组成的应用系统通过串口实现互相通信，两台单片机的通信软件都采用查询方式，其设计过程如下：1.具体编程前的准备(1)双机约定：甲机发送信息，乙机接收信息，串行口工作在方式1，波特率为9600b/s。双机通信时，甲机先发一个联络信号“06”以示呼叫，当乙机收到后，回发一个应答信号“66”，表示可以接收信息；回发一个应答信号“99”，表示暂不能接收信息。甲机未收到有效的应答信号，则不停地呼叫；收到乙机的“66”，则将RAM中的数据发送给乙机。发送数据的格式为：,9.38051双机串行异步通信,字节数n：甲机向乙机发送的数据字节数。数据1数据n：甲机向乙机发送的n个字节数据。累加校验和：字节数n，数据1数据n共n+1个字节的算术累加和(向大于“0FFH”的高位进位丢弃)。乙机根据收到的“校验和”判断收到的数据是否都正确。若n个字节都正确，向甲机回发“0B”信号，否则回发“A0”信号。甲机收到“0B”，表明此次任务完成，返回主程序，否则重发所有数据。,9.38051双机串行异步通信,(2)初始化：选用通用的晶体振荡器件，频率为fOSC11.0592MHz；取SMOD0，定时器T1设置模式2工作。根据波特率和定时器T1的初值计算公式或查表9.2，确定计数初值为(TH1)(TL1)0FDH。(3)片内RAM和工作寄存器分配：30H和31H存放发送的数据块首地址，32H存放数据块长度n，R6存放数据累加校验和。,9.38051双机串行异步通信,2.编写程序根据程序框图，写出甲机查询方式发送子程序清单如下：ORG0000HLJMPSTARTORG0050HSTART:MOVSP，#30H；设置堆栈MOVA，#0FFHACALLTXSUB；调用发送子程序；执行其他程序END,9.38051双机串行异步通信,TXSUB:MOVETMOD，#20H；波特率设置MOVETH1，#0FDHMOVETL1，#0FDHSETBTR1MOVSCON，#50H；串行口初始化，方式1并启动接收MOVPCON，#00H；置SMOD0TXINI:MOVDPH，31H；设置DPTR指针MOVDPL，30HMOVR7，32H；送字节数到R7MOVR6，#00H；清累加和寄存器TX06:MOVA，06H；发呼叫信号“06”MOVSUBF，A,9.38051双机串行异步通信,WAIT1:JBCTI，RXANS1；等待发送完一个字节SJMPWAIT1RXANS1:JBCRI，NEXT1；等待接收乙机回答SJMPRXANSNEXT1:MOVA，SBUF；取乙机回答信息CJNEA，#66H，TX06；未收到有效的应答信号，继续呼叫MOVA，R7；发送要传送的字节数MOVSBUF，AADDA，R6；求累加和MOVR6，A；保存累加和WAIT2:JBCTI，TXDATASJMPWAIT2,9.38051双机串行异步通信,TXDATA:MOVXA，DPTR；发送数据MOVSBUF，AADDA，R6；求累加和MOVR6，A；保存累加和INCDPTR；指针指向下一数据WAIT3:JBCTI，NEXT2SJMPWAIT3,9.38051双机串行异步通信,NEXT2:DJNZR7，TXDATA；数据发送未完，继续发送MOVA，R6；数据发送完，则发送累加和MOVSBUF，AWAIT4:JBCTI，RXANS2；等待发送完一个字节SJMPWAIT4RXANS2:JBCRI，NEXT3；等待乙机回答SJMPRXANS2NEXT3:MOVA，SBUF；取回答信息CJNEA，#OBH，TXINI；发送数据有错误，则重发RET；发送正确，则返回主程序,9.38051双机串行异步通信,4.乙机查询方式接收子程序乙机查询方式发送子程序清单如下，其中：30H，31H为存放接收数据缓冲区首地址；R6为累加和寄存器；R7为数据块长度寄存器。ORG0000H