单片机学习第六章

1、1本章主要内容本章主要内容第6章 MCS-51单片机的串口通信串口通信的基本知识MCS-51单片机的串口及控制寄存器串口的工作方式串口的应用26.1 串口通信的基本知识第6章 MCS-51单片机的串口通信6.1.1 通信的基本概念计算机通信是将计算机技术和通信技术的相结合，完成计算机与外部设备或计算机与计算机之间的信息交换。计算机通信可以分为两大类：并行通信与串行通信。并行通信即数据的各位同时传送；串行通信即数据一位一位地顺序传送。图6-1为这两种通信方式的示意图。 计算机 2 或外设 GND GND GND GND 计算机 1 计算机 1 计算机 2 或外设 发送 接收 图6-1 两种通信方

2、式的示意图并行通信的特点是控制简单、传输速度快，但由于传输线较多，长距离传送时成本高且接收方的各位同时接收存在困难；串行通信的特点是传输线少，长距离传送时成本低，且可以利用电话网等现成的设备，但数据的传送控制比并行通信复杂。 36.1 串口通信的基本知识串口通信的基本知识 第6章 MCS-51单片机的串口通信6.1.2 串行通信的分类 按照串行数据的时钟控制方式，串行通信可分为同步通信和异步通信两类。1. 异步通信(Asynchronous Communication)异步通信是指通信的发送与接收设备使用各自的时钟控制数据的发送和接收过程。为使双方的收发协调，要求发送和接收设备的时钟尽可能一致

3、。异步通信的示意图如图6-2所示。 接收设备 发送设备 0 10100101 1 0 11100110 1 00100 1 11100 0 间隙任意 间隙任意 图6-2 异步通信示意图4 6.1 串口通信的基本知识串口通信的基本知识 第6章 MCS-51单片机的串口通信异步通信是以字符(构成的帧)为单位进行传输，字符与字符之间的间隙(时间间隔)是任意的，但每个字符中的各位是以固定的时间传送的，即字符之间是异步的(字符之间不一定有“位间隔”的整数倍的关系)，但同一字符内的各位是同步的(各位之间的距离均为“位间隔”的整数倍)。异步通信的特点是不要求收发双方时钟的严格一致，实现容易，设备开销较小，但

4、每个字符要附加23位用于起止位，各帧之间还有间隔，因此高。2. 同步通信(Synchronous Communication)同步通信是一种连续串行传送数据的通信方式，一次通信只传输一帧信息。这里的信息帧和异步通信的字符帧不同，通常有若干个数据字符，如图6-3所示。图6-3(a)为单同步字符帧结构，图6-3(b)为双同步字符帧结构，但它们均由同步字符、数据字符和校验字符CRC三部分组成。在同步通信中，同步字符可以采用统一的标准格式，也可以由用户约定。 5 6.1 串口通信的基本知识串口通信的基本知识 第6章 MCS-51单片机的串口通信 同步 字符 1 同步 字符 1 同步 字符 2 数据 字

5、符 1 数据 字符 2 数据 字符 3 数据 字符 1 数据 字符 2 数据 字符 n 数据 字符 n CRC1 CRC2 CRC1 CRC2 (a) 单同步字符帧格式 (b) 双同步字符帧格式 图6-3 同步通信的字符帧格式 6 6.1 串口通信的基本知识串口通信的基本知识 第6章 MCS-51单片机的串口通信6.1.3 串行通信的制式在串行通信中，数据是在两个站之间进行传送的，按照数据传送方向，串行通信可分为单工(Simplex)、半双工(Half Duplex)和全双工(Full Duplex)三图。在单工制式下，通信线的一端接发送器，一端接接收器，数据只能按照一个固定的方向传送，如图6

6、-4(a)所示。 在半双工制式下，系统的每个通信设备都由一个发送器和一个接收器组成，它允许两个方向的数据传递，但不能同时传输，只能交替进行，如图6-4(b)所示。在全双工制式下，它允许两个方向同时进行数据传输，如图6-4(c)所示。 A 站 发送器 B 站 接收器 单工通信 A 站 发 收 发 收 B 站 发 收 A 站 (a) 单工制式 (b) 半双工制式 (c) 全双工制式 A 站 发 收 图6-4 单工、半双工和全双工三种制式示意图7 6.1 串口通信的基本知识串口通信的基本知识 第6章 MCS-51单片机的串口通信6.1.4 串行通信接口标准 1. RS-232C接口 RS-232C是

7、使用最早、应用最多的一种异步串行通信总线标准。它是美国电子工业协会(EIA)1962年公布，1969年最后修订而成的。其中，RS表示Recommended Standard，232是该标准的标识号，C表示最后一订。RS-232C主要用来定义计算机系统的一些数据终端设备(DTE)和数据电路终接设备(DCE)之间的电气性能。 (1)机械特性RS-232C接口规定使用25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。然而RS-232C标准在连接器方面没有严格规定，在一般应用中并不一定用到全部RS-232C标准的全部信号，所以，在实际应用中常常使用9针连接器代替25针连接器。连接器的引脚定

8、义如图6-5所示。图6-5 DB-25(阳头)和DB-9(阳头)连接器定义8 6.1 串口通信的基本知识串口通信的基本知识 第6章 MCS-51单片机的串口通信(2)功能特性RS-232C标准接口的主要引脚定义如表6-1所示。插针序号信号名称功 能信号方向1PGND保护接地2(3)TXD发送数据(串行输出)DTE DCE3(2)RXD接收数据(串行输入)DTE DCE4(7)RTS请求发送DTE DCE5(8)CTS允许发送DTE DCE6(6)DSRDCE就绪(数据建立就绪)DTE DCE7(5)SGND信号接地8(1)DCD载波检测DTE DCE20(4)DTRDTE就绪(数据终端准备就绪

9、) DTE DCE22(9)RI振铃指示DTE DCE9 6.1 串口通信的基本知识串口通信的基本知识 第6章 MCS-51单片机的串口通信(3)电气特性RS-232C采用负逻辑电平，规定DC(-3-15V)为逻辑1，DC(+3+15V)为逻辑0，-3+3V为过渡区，不作定义。RS-232C的逻辑电平与通常的TTL和CMOS电平不兼容，为实现与TTL或CMOS电路的连接，要外加电平转换路。(4)过程特性过程特性规定了信号之间的时序关系，以便正确地接收和发送数据RS232示。 M O D E M 计 算 机 计 算 机 M O D E M TXD RXD RTS DSR TXD RXD RTS

10、DSR 电话线 图6-6 远程通信的RS-232C总线连接近程通信时(通信距离15m)，可以不用调制解调器，其连接如图6-7所示 10 6.1 串口通信的基本知识串口通信的基本知识 第6章 MCS-51单片机的串口通信 计 算 机 甲 TXD RXD TXD RXD 计 算 机 乙 计 算 机 甲 TXD RXD 4 5 6 20 计 算 机 乙 TXD RXD 4 5 6 20 图6-7 近程通信的RS-232C总线连接(5)RS-232C电平与TTL电平转换驱动电路MCS-51单片机串行接口与RS-232C接口不能直接对接，必须进行电平转换。常用的电平转换集成电路是传输线驱动器MC1488

11、和传输线接收器MC1489，MC1488芯片输入的是TTL信号，输出的是RS232信号；MC1489芯片输入的是RS232信号，输出的为TTL信号。(6) 采用RS-232C接口存在的问题 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，使用时传输距离一般不要超过15米(线路条件好时也不超过几十米)。最高传送速率为20kbps。11 6.1 串口通信的基本知识串口通信的基本知识 第6章 MCS-51单片机的串口通信有电平偏移。RS-232C总线标准要求收发双方共地。通信距离较大时，收发双方的地电位差别较大，在信号地上将有比较大的地电流并降。抗干扰能力差。 2. RS-422A

12、接口RS-422A输出驱动器为双端平衡驱动器。如果其中一条线为逻辑“1”状态，另一条线就为逻辑“0”，比采用单端不平衡驱动对电压的放大倍数大一倍。差分电路能从地线干扰中拾取有效信号，差分接收器可以分辨200mV以上电位差。若传输过程中混入了干扰和噪声，由于差分放大器的作用，可使干扰和噪声相互抵消。因此可以避免或大大减弱地线干扰和电磁干扰的响。RS-422A传输速率(90kbps)时，传输距离可达1200米。 3. RS-485接口RS-485是RS-422A的变型：RS-422A用于全双工，而RS-485则用于半双工。RS-485是一种多发送器标准，在通信线路上最多可以使用32 对差分驱动器/

13、接收器。如果在一个网络中连接的设备超过32个，还可以使用中器。 RS-485的信号传输采用两线间的电压来表示逻辑1和逻辑0。由于发送方需要两根传输线，接收方也需要两根传输线。传输线采用差动信道，所以它的干扰抑制性极好，又因为它的阻抗低，无接地问题，所以传输距离可达1200米，传输速率可达1Mbps。12 6.2 MCS-51单片机的串口及控制寄存器第6章 MCS-51单片机的串口通信6.2.1 MCS-51串行口结构 MCS-51内部有两个独立的接收、发送缓冲器SBUF。SBUF属于特殊功能寄存器。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，二者共用一个字节地址(99H)。串行口的

14、结构如图6-8所示。 波特率发生器 TXD 引脚 RXD 引脚 1 发送 SBUF (99H) SBUF (99H) 接收 控制门 发送控制器 接收控制器 输入移位寄存器 串行口中断 串行控制寄存器 1 TI RI (98H) TI RI 8 8 8 图6-8 串行口结构示意图13 6.2 MCS-51单片机的串口及控制寄存器第6章 MCS-51单片机的串口通信6.2.2 MCS-51串行控制寄存器与MCS-51串行口有关的特殊功能寄存器有SBUF、SCON、PCON。 1. 串行口数据缓冲器SBUFSBUF是两个在物理上独立的接收、发送寄存器，一个用于存放接收到的数据，另一个用于存放欲发送的

15、数据，可同时发送和接收数据。两个缓冲器共用一个地址99H，通过对SBUF的读、写指令来区别是对接收缓冲器还是发送缓冲器进行操作。CPU在写SBUF时，就是修改发送缓冲器；读SBUF，就是接收缓冲器的内容。接收或发送数据，是通过串行口对外的两条独立收发信号线RXD(P3.0)、TXD(P3.1)来实现的，因此可以同时发送、接收数据，其工作方式为全双工制式。 2. 串行口控制寄存器SCONSCON是一个特殊功能寄存器，用以设定串行口的工作方式、接收/发送控制以及设置状态标志，可以位寻址，字节地址为98H。单片机复位时，为0。 位号 76543210字节地址：98H SM0SM1SM2RENTB8R

16、B8T1R1SCON14 6.2 MCS-51单片机的串口及控制寄存器第6章 MCS-51单片机的串口通信对各位的说明如下。SM0、SM1：串行方式选择位，其定义如表6-2所示。SM2：多机通信控制位，用于方式2和方式3中。在方式2和方式3处于接收方式时，若SM2=1，且接收到的第9位数据RB8为0时，不激活RI；若SM2=1，且RB8=1时，则置RI=1。在方式2、3处于接收或发送方式时，若SM2=0，不论接收到的第9位RB8为0还是为1，TI、RI都以正常方式被激活。在方式1处于接收时，若SM2=1，则只有收到有效的停止位后，RI置1SM0。表6-2 串行方式定义 SM0 SM1工作方式功

17、 能波 特 率0 0方式08位同步移位寄存器fosc/120 1方式110位异步收发器可变1 0方式211位异步收发器fosc/64或fosc/321 1方式311位异步收发器可变15 6.2 MCS-51单片机的串口及控制寄存器第6章 MCS-51单片机的串口通信REN：允许串行接收位。它由软件置位或清零。REN=1时，允许接REN时收。TB8：发送数据的第9位。在方式2和方式3中，由软件置位或复位，可做奇偶校验位。在多机通信中，可作为区别地址帧或数据帧的标识位，一般约定地址帧时，TB8为1，数据帧时，TB8为0。RB8：接收数据的第9位。功能同TB8。TI：发送中断标志位。在方式0中，发送

18、完8位数据后，由硬件置位；在其他方式中，在发送停止位之初由硬件置位。因此，TI是发送完一帧数据的标志，可以用指令JBC TI, rel来查询是否发送结束。当TI=1时，也可向CP后TI。RI：接收中断标志位。在方式0中，接收完8位数据后，由硬件置位；在其他方式中，在接收停止位的中间由硬件置位。同TI一样，也可以通过JBC RI, rel来查询是否接收完一帧数据。当RI=1时，也可申请中断，响应中断后，必须由软件清除RI。3. 电源控制寄存器PCONPCON主要是为单片机的电源控制设置的专用寄存器，不可位寻址，字节地址为87H。位号 76543210字节地址:87H SMODFCON16 6.2

19、 MCS-51单片机的串口及控制寄存器第6章 MCS-51单片机的串口通信PCON中只有一位SMOD与串行口工作有关，SMOD(PCON.7)为波特率倍增位，在串行口方式1、方式2、方式3时，波特率与SMOD有关，当SMOD=1时，波特率提高一倍。复位时，SMOD=0。17 6.3 串口的工作方式 第6章 MCS-51单片机的串口通信6.3.1 方式0方式0时，串行口为同步移位寄存器的输入输出方式。主要用于扩展并行输入或输出口。数据由RXD(P3.0)引脚输入或输出，同步移位脉冲由TXD(P3.1)引脚输出。发送和接收均为8位数据，低位在先，高位在后。波特率固定为fosc/12。 1. 方式0

20、输出当一个数据写入串行口发送缓冲器SBUF时，串行口将8位数据以fosc/12的波特率从RXD引脚输出(低位在前)，发送完置中断标志TI为1，请求中断。方式0的输出时序如图6-9所示。图6-9 方式0的输出时序18 6.3 串口的工作方式 第6章 MCS-51单片机的串口通信2. 方式0输入在满足REN=1和RI=0的条件下，串行口即开始从RXD端以fosc/12的波特率输入数据(低位在前)，当接收完8位数据后，置中断标志RI为1，请求中断。在再次接收数据之前，必须由软件清RI为0。方式0的输入时序如图6-10所示。图6-10 方式0输入时序串行控制寄存器SCON中的TB8和RB8在方式0中未

21、用。值得注意的是，每当发送或接收完8位数据后，硬件会自动置TI或RI为1，CPU响应TI或RI中断后，必须由用户用软件清0。方式0时，SM2必须为0。19 6.3 串口的工作方式 第6章 MCS-51单片机的串口通信方式1是10位数据的异步通信口。TXD为数据发送引脚，RXD为数据接收引脚，传送一帧数据的格式如图6-11所示，其中1位起始位，8位数据位，1位停止位。6.3.2 方式1 D1 D0 第 n 字符帧 8 位字符帧 起始位 D7 1 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 1 0 D7 0 第 n+1 字符帧 停止位 图6-11 方式1的10位数据格式 1. 方式1输出发送时，数据

22、从TXD端输出，当数据写入发送缓冲器SBUF后，启动发送器发送。当发送完一帧数据后，置中断标志TI为1。方式1所传送的波特率取决于定时器1的溢出率和PCON中的SMOD位，方式1的输出时序如图6-12所示。 20 6.3 串口的工作方式 第6章 MCS-51单片机的串口通信图6-12 方式1输出时序2. 方式1输入接收时，由REN置1，允许接收，串行口采样RXD，当采样由1到0跳变时，确认是起始位“0”，开始接收一帧数据。当RI=0，且停止位为1或SM2=0时，停止位进入RB8位，同时置中断标志RI；否则信息将丢失。所以，方式1接收时，应先用软件清除RI或SM2标志。方式1的输入时序如图6-1

23、3所示。图6-13 方式1输入时序21 6.3 串口的工作方式 第6章 MCS-51单片机的串口通信6.3.3 方式2和方式3方式2或方式3时为11位数据的异步通信口。TXD为数据发送引脚，RXD为数据接收引脚。发送或接收一帧数据包括1位起始位0，8位数据位，1位可编程位(用于奇偶校验)和1位停止位1。除了波特率以外，方式3和方式2完全相同，方式2的波特率固定为晶振频率的1/64或1/32，方式3的波特率由定时器T1的溢出率决定。传送一帧数据的格式如图6-14所示。 第 n 字符帧 第 n+1 字符帧 8 位数据 起始位 停止位 0/1 1 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 0/1 0

24、 D7 1 D1 D0 0 图6-14 方式2、3的11位数据格式22 6.3 串口的工作方式 第6章 MCS-51单片机的串口通信 1. 方式2、3输出发送时，先根据通信协议由软件设置TB8，然后用指令将要发送的数据写入SBUF，启动发送器。写SBUF的指令时，除了将8位数据送入SBUF外，同时还将TB8装入发送移位寄存器的第9位，并通知发送控制器进行一次发送。一帧信息即从TXD发送，在送完一帧信息后，TI被自动置1，在发送下一帧信息之前，TI必须由中断服务程序或查询程序清0。方式2、3的输出时序如图6-15所示。图6-15 方式2、3的输出时序2. 方式2、3输入当REN=1时，允许串行口

25、接收数据。数据由RXD端输入，接收11位的信息。当接收器采样到RXD端的负跳变，并判断起始位有效后，开始接收一帧信息。当接收器接收到第9位数据后，若同时满足以下条件：RI=0和SM2=0或接收到的第9位数据为1，则接收数据有效，8位数据送入SBUF，第9位送入RB8，并置RI=1。若不满足上述条件，则信息丢失。方式2、3的输入时序如图6-16所示。23 6.3 串口的工作方式 第6章 MCS-51单片机的串口通信图6-16 方式2、3的输入时序6.3.4 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0和方式2的波特率是固

26、定的，而方式1和方式3的波特率是可变的，由定时器T1的溢出率来决定。串行口的四种工作方式对应三种波特率。由于输入的移位时钟的来源不同，所以，各种方式的波特率计算公式也不相同。方式0的波特率 = fosc/12方式2的波特率 =(2SMOD/64)fosc 方式1的波特率 =(2SMOD/32)(T1溢出率)方式3的波特率 =(2SMOD/32)(T1溢出率)24 6.3 串口的工作方式 第6章 MCS-51单片机的串口通信当T1作为波特率发生器时，最典型的用法是使T1工作在自动再装入的8位定时器方式(即方式2，且TCON的TR1=1，以启动定时器)。这时溢出率取决于TH1中的计数值。 T1溢出

27、率 = fosc / 12256-(TH1)在单片机的应用中，常用的晶振频率为12MHz和11.0592MHz。所以，选用的波特率也相对固定。常用的串行口波特率以及各参数的关系如表6-3所示。表6-3 常用波特率与定时器1的参数关系T/C串口工作方式及波特率(b/s)fosc(MHz)SMOD定时器T1工作方式初值方式1、362.5k12102FFH19.2k11.0592102FDH960011.0592002FDH480011.0592002FAH240011.0592002F4H120011.0592002E8H25 6.3 串口的工作方式 第6章 MCS-51单片机的串口通信串行口工作

28、之前，应对其进行初始化，主要是设置产生波特率的定时器1、串行口控制和中断控制。具体步骤如下。(1)确定T1的工作方式(编程TMOD寄存器)。(2)计算T1的初值，装载TH1、TL1。(3)启动T1(编程TCON中的TR1位)。(4)确定串行口控制(编程SCON寄存器)。(5)串行口在中断方式工作时，要进行中断设置(编程IE、IP寄存器)。 26 6.4 串口的应用第6章 MCS-51单片机的串口通信6.4.1 双机通信如果两个MCS-51单片机系统距离较近，那么就可以将它们的串行口直接相连，实现双机通信。1. 硬件连接双机通信的硬件连接如图6-17所示。 RXD TXD TXD RXD 805

29、1 应用系统 (乙机) 8051 应用系统 (甲机) 图6-17 双机通信接口电路27 6.4 串口的应用第6章 MCS-51单片机的串口通信2. 双机通信的软件编程对于双机通信的程序，通常采用两种方法：查询方式和中断方式。(1)查询方式甲机发送编程将甲单机片外1000H101FH单元的数据块从串行口输出。定义方式2发送，TB8为奇偶校验位。发送波特率375kb/s，晶振为12MHz，SMOD=1。参考发送子程序如下：乙机接收编程使乙机接收甲机发送过来的数据块，并存入片内50H6FH单元。接收过程要求判断RB8，若出错置F0标志为1，正确则置F0标志为0，然后返回。在进行双机通信时，两机应采用

30、相同的工作方式和波特率。参考接收子程序如下：28 6.4 串口的应用第6章 MCS-51单片机的串口通信在上述查询方式的双机通信中，因为发送双方单片机的串行口均按方式2工作，所以帧格式是11位的，收发双方均是采用奇偶位TB8来进行校验的。传送数据的波特率与定时器无关，所以程序中没有涉及定时器的编程。(2)中断方式在很多应用中，双机通信的接收方都采用中断的方式来接收数据，以提高CPU的工作效率；发送方仍然采用查询方式发送。甲机发送上面的通信程序，收发双方是采用奇偶位TB8来进行校验的，这里介绍一种用累加和进行校验的方法。编程将甲单机片内60H6FH单元的数据块从串行口发送，在发送之前将数据块长度

31、发送给乙机，当发送完16个字节后，再发送一个累加校验和。定义双机串行口按方式1工作，晶振为11.059MHz，波特率为2400b/s，定时器1按方式2工作。经计算或查表6-3得到定时器预置值为0F4H，SMOD=0。参考发送子程序如下：29 6.4 串口的应用第6章 MCS-51单片机的串口通信乙机接收乙机接收甲机发送的数据，并存入以2000H开始的片外数据存储器中。首先接收数据长度，接着接收数据，当接收完16个字节后，接收累加和校验码，进行校验。数据传送结束后，根据校验结果向甲机发送一个状态字，00H表示正确，0FFH表示出错，出错则甲机重发。接收采用中断方式。设置两个标志位(7FH，7EH

32、位)来判断接收到的信息是数据块长度、数据还是累加校验和。参考接收程序如下：6.4.2 多机通信1. 硬件连接MCS-51串行口的方式2和方式3有一个专门的应用领域，即多机通信。这一功能通常采用主从式多机通信方式，在这种方式中，要用一台主机和多台从机。主机发送的信息可以传送到各个从机或指定的从机，各从机发送的信息只能被主机接收，从机与从机之间不能进行通信。图6-18是多机通信的一种连接示意图。30 6.4 串口的应用第6章 MCS-51单片机的串口通信 TXD RXD TXD RXD 8051 0#从机 8051 1#从机 TXD RXD TXD RXD 8051 n#从机 8051 主机 图6

33、-18 多机通信连接示意图2. 通信协议多机通信的实现，主要是依靠主、从机之间正确地设置与判断SM2和发送或接收的第9位数据来(TB8或RB8)完成的。我们首先将上述二者的作用总结如下。在单片机串行口以方式2或方式3接收时，一方面，若SM2=1，表示置多机通信功能位。这时有两种情况： 接收到第9位数据为1，此时数据装入SBUF，并置RI=1，向CPU发中断请求。 接收到第9位数据为0，此时不产生中断，信息将被丢失，不能接收。另一方面，若SM2=0，则接收到的第9位信息无论是1还是0，都产生RI=1的中断标志，接收的数据装入SBUF。根据这个功能，就可以实现多机通信。31 6.4 串口的应用第6章 MCS-51单片机的串口通信在编程前，首先要为各从机定义地址编号，如分别为00H、01H、02H等。在主机想发送一个数据块给某个从机时，它必须先送出一个地址字节，以辨认从机。编程实现多机通信的过程如下。(1)主机发送一帧地址信息，与所需的从机联络。