第7章MCS-51系列单片机的串行接口

1、第第7章章 MCS-51系列单片机的串行接口系列单片机的串行接口v概概 述述 单片机应用于数据采集或工业控制时，往往作单片机应用于数据采集或工业控制时，往往作为前端机安装在工业现场，远离主机，现场数据采为前端机安装在工业现场，远离主机，现场数据采用串行通信方式发往主机进行处理，以降低通信成用串行通信方式发往主机进行处理，以降低通信成本，提高通信可靠性。本，提高通信可靠性。7.1 7.1 串行通信的基本知识串行通信的基本知识v1通信的概念通信的概念单片机与外界进行信息交换统称为通信。单片机与外界进行信息交换统称为通信。通信的基本方式有两种：通信的基本方式有两种：并行通信和串行通信。并行通信和串行

2、通信。 并行通信并行通信：将数据字节的各位用多条数据线同时：将数据字节的各位用多条数据线同时发送或接收。其特点是发送或接收。其特点是传送速度快，效率高，但成传送速度快，效率高，但成本高本高，适用于，适用于短距离传送短距离传送数据。计算机内部的数据数据。计算机内部的数据传送一般均采用并行方式。传送一般均采用并行方式。v串行通信串行通信：将数据字节分成一位一位的形式在一条：将数据字节分成一位一位的形式在一条传输线上逐个地传送。其特点是传输线上逐个地传送。其特点是传送速度慢，但成传送速度慢，但成本低本低，适用于，适用于较长距离较长距离传送数据，但数据的传送控传送数据，但数据的传送控制比并行通信复杂。

3、计算机与外界的数据传送一般制比并行通信复杂。计算机与外界的数据传送一般均采用串行方式。均采用串行方式。v2数据通信的制式数据通信的制式 常用于数据通信的传输方式有常用于数据通信的传输方式有单工、半双工、单工、半双工、全双工。全双工。1）.单工方式单工方式: 一端固定为发送端，另外一端固定为一端固定为发送端，另外一端固定为接收端。数据传送是接收端。数据传送是单向单向的，因此，只需要一条数的，因此，只需要一条数据线。这种传输方式的用途有限，常用于串行口的据线。这种传输方式的用途有限，常用于串行口的打印数据传输与简单系统间的数据采集。打印数据传输与简单系统间的数据采集。 2).半双工方式半双工方式

4、数据可实现双向传送，但不能同时进行，实际数据可实现双向传送，但不能同时进行，实际的应用采用某种协议实现收的应用采用某种协议实现收/发开关转换。数据传送发开关转换。数据传送是双向的，但任一时刻数据只能是一端发送另一端是双向的，但任一时刻数据只能是一端发送另一端接收。接收。3).全双工方式全双工方式 允许双方同时进行数据双向传送，两端都可以允许双方同时进行数据双向传送，两端都可以同时发送和接收数据。同时发送和接收数据。3. 串行通信的分类串行通信的分类 串行通信的分类：串行通信的分类：同步串行同步串行通信和通信和异步串行异步串行通信通信1). 同步通信同步通信(Synchronous Commun

5、ication) 所谓同步通信是指在约定的通信速率下，发送所谓同步通信是指在约定的通信速率下，发送端和接收端的时钟信号频率和端和接收端的时钟信号频率和相位相位始终保持一致始终保持一致（同步），这就保证了通信双方在发送和接收数据（同步），这就保证了通信双方在发送和接收数据时具有完全一致的定时关系。时具有完全一致的定时关系。 同步通信把许多字符组成一个信息组，或称为同步通信把许多字符组成一个信息组，或称为信息帧信息帧，每帧的开始用，每帧的开始用同步字符同步字符来指示。来指示。 v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。其

6、传送一帧信息。其信息帧信息帧的格式为：的格式为：v同步通信传送信息的位数几乎不受限制，通常一次同步通信传送信息的位数几乎不受限制，通常一次通信传的数据有几十到几千个字节，通信传的数据有几十到几千个字节，且字符间不留且字符间不留间隙，间隙，通信效率较高通信效率较高。但它要求在通信中保持精确。但它要求在通信中保持精确的同步时钟，所以其发送器和接收器比较复杂，成的同步时钟，所以其发送器和接收器比较复杂，成本也较高，一般用于本也较高，一般用于传送速率要求较高传送速率要求较高的场合。的场合。 2).异步通信异步通信(Asynchronous Communication) 异步通信方式不需要固定的同步字符

7、，在发送异步通信方式不需要固定的同步字符，在发送多个数据时也不要求保持数据流的连续性，收发双多个数据时也不要求保持数据流的连续性，收发双方在传送每个数据时都进行一次同步。方在传送每个数据时都进行一次同步。 在异步通信方式中，接收器和发送器都有各自在异步通信方式中，接收器和发送器都有各自的时钟。不发送数据时，数据信号线总是呈现高电的时钟。不发送数据时，数据信号线总是呈现高电平，称其为平，称其为空闲态空闲态。v异步通信异步通信用一帧来表示一个字符，以字符帧用一帧来表示一个字符，以字符帧为单位为单位进行传输。字符与字符之间的间隔（时间间隔）是进行传输。字符与字符之间的间隔（时间间隔）是任意的，但每个

8、字符中的各位是以固定的时间传送任意的，但每个字符中的各位是以固定的时间传送的。的。v每一字符帧都是由每一字符帧都是由起始位、数据位、校验位和停止起始位、数据位、校验位和停止位位构成的。帧与帧之间可以连续发送，也可以用高构成的。帧与帧之间可以连续发送，也可以用高电平间隔。电平间隔。v其其字符帧字符帧的数据格式为：的数据格式为：在一帧格式中，先是一个在一帧格式中，先是一个起始位起始位“0”(0”(低电平低电平) )，然后是，然后是5 58 8个数据位，规个数据位，规定低位在前，高位在后，接下来是定低位在前，高位在后，接下来是1 1位奇偶校验位位奇偶校验位( (可以省略可以省略) )，最后是，最后是

9、1 12 2位的停止位位的停止位“1”(1”(高电高电平平) )。v起始位：当发送方需要发送一帧数据时，先要发送起始位：当发送方需要发送一帧数据时，先要发送一位一位低电平低电平信号。其作用就是控制收发双方的同步，信号。其作用就是控制收发双方的同步，表示一帧数据传输的开始。表示一帧数据传输的开始。v数据位：就是串行输出的待传送数据的各个二进制数据位：就是串行输出的待传送数据的各个二进制位。串行数据在传送时从最低位开始。位。串行数据在传送时从最低位开始。v校验位：紧跟数据位之后的一位可选位。其作用是校验位：紧跟数据位之后的一位可选位。其作用是对发送的数据进行校验。多采用奇偶校验位方式。对发送的数据

10、进行校验。多采用奇偶校验位方式。v停止位：串行帧必须通过停止位来表示一帧的结束。停止位：串行帧必须通过停止位来表示一帧的结束。停止位可以是停止位可以是1位、位、1.5位或位或2位，用固定的位，用固定的高电平高电平表示。表示。v在异步通信中，收发双方有两项设定必须保在异步通信中，收发双方有两项设定必须保持一致持一致：帧格式的设定必须一致帧格式的设定必须一致。即一帧数据中的数据长。即一帧数据中的数据长度、校验方式及停止位个数的设定都必须一致；度、校验方式及停止位个数的设定都必须一致；波特率的设定必须一致波特率的设定必须一致。波特率波特率：表示信息的传输速率，即：表示信息的传输速率，即每秒传送的二每

11、秒传送的二进制位数进制位数，其单位是波特率，其单位是波特率，1 1波特率波特率=1=1位位/ /秒秒 (b/s(b/s) )v收发双方必须按设定的帧格式和波特率进行通信，收发双方必须按设定的帧格式和波特率进行通信，才能保证数据传输的成功。才能保证数据传输的成功。v优点：不要求收发双方的时钟严格一致，可靠性高，优点：不要求收发双方的时钟严格一致，可靠性高，硬件结硬件结 构简单构简单v缺点：每个字符要附加缺点：每个字符要附加2-3位用于起止位，各帧之位用于起止位，各帧之间还有间隔，因此传输效率不高。间还有间隔，因此传输效率不高。v在单片机中，主要使用异步通信方式在单片机中，主要使用异步通信方式4.

12、串行数据通信的差错检测串行数据通信的差错检测1) 奇偶校验奇偶校验 奇偶校验的方法是，发送时在每一个字符的最奇偶校验的方法是，发送时在每一个字符的最高位之后都附加一个奇偶校验位。这个校验位可为高位之后都附加一个奇偶校验位。这个校验位可为“1”或或“0”，以保证整个字符，以保证整个字符(包括校验位包括校验位)为为“1”的位数为偶数的位数为偶数(偶校验偶校验)或为奇数或为奇数(奇校验奇校验)。接收时，。接收时，按照发送方所规定的同样的奇偶性，对接收到的每按照发送方所规定的同样的奇偶性，对接收到的每一个字符进行校验，若二者不一致，便说明出现了一个字符进行校验，若二者不一致，便说明出现了差错。差错。2

13、) 校验和校验和校验和是针对数据块进行的校验方法。在数据校验和是针对数据块进行的校验方法。在数据发送时，发送方对块中数据简单求和，产生一单字发送时，发送方对块中数据简单求和，产生一单字节校验字符节校验字符(校验和校验和)附加到数据块结尾。接收方对附加到数据块结尾。接收方对接收到的数据算术求和后，所得的结果与接收到的接收到的数据算术求和后，所得的结果与接收到的校验和比较，如果两者不同，即表示接收有错。校验和比较，如果两者不同，即表示接收有错。3) 循环冗余码校验循环冗余码校验循环冗余码校验循环冗余码校验(Cyclic Redundancy Check，CRC)是一个数据块校验一次，同步串行通信中

14、几是一个数据块校验一次，同步串行通信中几乎都使用乎都使用CRC校验，例如对磁盘的读校验，例如对磁盘的读/写等。写等。5.传输速率与传输距离传输速率与传输距离1）传输速率）传输速率 比特率是每秒钟传输二进制代码的位数，单位是：比特率是每秒钟传输二进制代码的位数，单位是：位位/秒秒(bps)。如每秒钟传送。如每秒钟传送240个字符，而每个字符个字符，而每个字符格式包含格式包含10位（位（1个起始位、个起始位、1个停止位、个停止位、8个数据个数据位），这时的比特率为：位），这时的比特率为： 10位位*240个个/秒秒=2400bpsv 计算机之间进行数据通信，最简单、最常计算机之间进行数据通信，最简

15、单、最常用的是异步串行通信方式。用的是异步串行通信方式。v测控系统中，计算机通信主要采用异步串测控系统中，计算机通信主要采用异步串行通信方式，常用的异步总线标准有三种：行通信方式，常用的异步总线标准有三种：vRS-232（RS-232A RS-232B RS-232C）vRS-449 （RS422 RS423 RS485）v20mA电流环电流环7.2 串行通信总线标准串行通信总线标准v1. RS-232C接口接口v RS-232C是是EIA（美国电子工业协会）（美国电子工业协会）1969年制定的通信年制定的通信协议。协议。RS-232C定义了数据终端设备定义了数据终端设备(DTE)与数据通信设

16、与数据通信设备备(DCE)之间的物理接口标准之间的物理接口标准。v1） 机械特性机械特性v RS-232C接口规定使用接口规定使用25针连接器，连接器的尺寸及每针连接器，连接器的尺寸及每个插针的排列位置都有明确的定义。（阳头）个插针的排列位置都有明确的定义。（阳头）v2）采用）采用RS-232C接口存在的问题接口存在的问题v传输距离短。传输速率低传输距离短。传输速率低 RS-232C总线标准受电容允许值的约束，使用时传输距离一总线标准受电容允许值的约束，使用时传输距离一般不要超过般不要超过15米（线路条件好时也不超过几十米）。最高传米（线路条件好时也不超过几十米）。最高传输速率为输速率为20k

17、bps.v有电平偏移有电平偏移 RS-232C总线标准要求收发双方共地、通信距离较大时，总线标准要求收发双方共地、通信距离较大时，收发收发的地电位差别较大，在信号地上将有比较大的地电收发收发的地电位差别较大，在信号地上将有比较大的地电流并产生压降。流并产生压降。v抗干扰能力差抗干扰能力差 RS-232C在电平转换时采用单端输入输出。在传输过程中在电平转换时采用单端输入输出。在传输过程中易引入干扰和噪声。易引入干扰和噪声。7.3 MCS-51系列单片机的串行接口系列单片机的串行接口 MCS-51 MCS-51单片机内部有一个全双工的串行通信口，单片机内部有一个全双工的串行通信口，它可工作在异步通

18、信方式它可工作在异步通信方式(UART)(UART)下，与串行传送信下，与串行传送信息的外部设备相连接，或用于通过标准异步通信协息的外部设备相连接，或用于通过标准异步通信协议进行全双工通信的议进行全双工通信的80518051多机系统，也可以工作在多机系统，也可以工作在同步方式下。同步方式下。7.3.1 串行口寄存器结构串行口寄存器结构 MCS-51串行口内部结构如图所示。串行口内部结构如图所示。 MCS-51串行口内部结构示意图串行口内部结构示意图vMCS-51MCS-51单片机通过引脚单片机通过引脚RXD(P3.0RXD(P3.0，串行数据接收端，串行数据接收端) )和引脚和引脚TXD(P3

19、.1TXD(P3.1，串行数据发送端，串行数据发送端) )与外界进行通与外界进行通信。信。vMCS-51MCS-51单片机串行口主要由两个物理上独立的串行单片机串行口主要由两个物理上独立的串行数据缓冲寄存器数据缓冲寄存器SBUFSBUF、发送控制器、接收控制器、发送控制器、接收控制器、输入移位寄存器和输出控制门组成。输入移位寄存器和输出控制门组成。vSBUFSBUF为串行口的收为串行口的收/ /发缓冲寄存器，它是可寻址的发缓冲寄存器，它是可寻址的专用寄存器，其中包含了发送寄存器专用寄存器，其中包含了发送寄存器SBUF(SBUF(发送发送) )和和接收寄存器接收寄存器SBUF(SBUF(接收接收

20、) )，可以实现全双工通信。，可以实现全双工通信。7.3.2 7.3.2 串行口通信控制串行口通信控制vMCS-51单片机由两个特殊功能寄存器单片机由两个特殊功能寄存器SCON和和PCON控制串行口的工作方式和波特率。波特率发控制串行口的工作方式和波特率。波特率发生器可由定时器生器可由定时器T1或或T2(8052)构成构成。1.串行通信控制寄存器串行通信控制寄存器SCONv SM0，SM1：串行口工作方式控制位v TI：发送中断标志位，用于指示一帧信息发送是：发送中断标志位，用于指示一帧信息发送是否完成，可寻址标志位。串行发送停止位的开始时，否完成，可寻址标志位。串行发送停止位的开始时，由内部

21、硬件使由内部硬件使TI置置1，向，向CPU发中断申请。在中断服发中断申请。在中断服务程序中，务程序中，必须用软件将必须用软件将TI清清0. v RI：接收中断标志位，用于指示一帧信息是否接：接收中断标志位，用于指示一帧信息是否接收完，可寻址标志位。收完，可寻址标志位。 当串行接收停止位的中间时，当串行接收停止位的中间时，由内部硬件使由内部硬件使RI置置1，向，向CPU发中断申请。发中断申请。在中断服在中断服务程序中，务程序中，必须用软件将必须用软件将RI清清0. v TB8：工作方式：工作方式2、3中要发送的第中要发送的第9位数据。可位数据。可根据需要由软件置根据需要由软件置1或清零。或清零。

22、v RB8：工作方式：工作方式2、3中，用于存放接收到的第中，用于存放接收到的第9位数据位数据。v REN：允许接收控制位，用于控制数据接收的允：允许接收控制位，用于控制数据接收的允许和禁止，许和禁止， REN =1，允许接收；，允许接收； REN =0，禁止，禁止接收。接收。v SM2：多机通信控制位，主要用于方式：多机通信控制位，主要用于方式2和方式和方式3。v2中断允许寄存器中断允许寄存器IE其中，对串行口有影响的位是其中，对串行口有影响的位是ESES。ESES为串行中断允许控为串行中断允许控制位，制位，ESES= =1 1，允许串行中断；，允许串行中断；ESES= =0 0，禁止串行中

23、断。，禁止串行中断。v3.电源管理寄存器电源管理寄存器PCON PCON主要是为了在主要是为了在CHMOS型单片机上实现型单片机上实现电源控制而设置的专用寄存器，单元地址是电源控制而设置的专用寄存器，单元地址是87H，不可位寻址。只有一位不可位寻址。只有一位SMOD与串行口工作有关。与串行口工作有关。SMOD是串行口波特率倍增位，在串行口方式是串行口波特率倍增位，在串行口方式1、方式方式2、方式、方式3时，波特率与时，波特率与SMOD有关。当有关。当SMOD=1时，串行口波特率加倍。系统复位时默时，串行口波特率加倍。系统复位时默认为认为SMOD=0。4中断优先级寄存器中断优先级寄存器IPPS是

24、串行口优先级设置位。是串行口优先级设置位。PS=1，设，设串行口中断为高级；串行口中断为高级；PS=0，则为低级。，则为低级。7.3.3 波特率的计算波特率的计算 在串行通信中，收发双方对发送或接收数据的在串行通信中，收发双方对发送或接收数据的速率要有约定。通过软件可对单片机串行口编程为速率要有约定。通过软件可对单片机串行口编程为四种工作方式，其中方式四种工作方式，其中方式0和方式和方式2的波特率是固定的波特率是固定的，而方式的，而方式1和方式和方式3的波特率是可变的，由定时器的波特率是可变的，由定时器T1的溢出率来决定的。的溢出率来决定的。 串行口的四种工作方式对应三种波特率。串行口的四种工作方式对应三种波特率。v方式方式0的波特率的波特率=fosc/12v方式方式2的波特率的波特率=(2SMOD/64)*fsocv方式方式1的波特率的波特率 =(2SMOD/32)*(T1溢出率溢出率)v方式方式3的波特率的