模块八 串行通信及实验 - 串行通信的方式

8.2

串行通信总线标准及其接口在单片机应用系统中，数据通信主要采用异步串行通信。在设计通信接口时，必须根据需要选择标准接口，并考虑传输介质、电平转换等问题。采用标准接口后，能够方便地把单片机和外设、测量仪器等有机地连接起来，从而构成一个测控系统。例如当需要单片机和PC机通信时，通常采用RS-232接口进行电平转换。异步串行通信接口主要有三类异步串行通信接口主要有三类：RS-232接口；RS-449、RS-422和RS-485接口以及20mA电流环。下面介绍较常用的RS-232接口标准。

8.2.1RS-232C接口RS-232C是使用最早、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RecommendedStandard，232是该标准的标识号，C表示最后一次修订。RS-232CRS-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。例如CRT、打印机与CPU的通信大都采用RS-232C接口，MCS-51单片机与PC机的通信也是采用该种类型的接口。由于MCS-51系列单片机本身有一个全双工的串行接口，因此该系列单片机用RS-232C串行接口总线非常方便。RS-232CRS-232C串行接口总线适用于：设备之间的通信距离不大于15米，传输速率最大为20kB/s。8.2.2RS-232C信息格式标准RS-232C采用串行格式，如图8.5所示。该标准规定:信息的开始为起始位,信息的结束为停止位;信息本身可以是5、6、7、8位再加一位奇偶位。如果两个信息之间无信息，则写“1”，表示空。图8.5RS-232C信息格式8.2.3RS-232C电平转换器RS-232C规定了自己的电气标准，由于它是在TTL电路之前研制的，所以它的电平不是+5V和地，而是采用负逻辑，即：逻辑“0”：+5V～+15V逻辑“1”：-5V～-15VRS-232C不能和TTL电平直接相连因此，RS-232C不能和TTL电平直接相连，使用时必须进行电平转换，否则将使TTL电路烧坏，实际应用时必须注意！常用的电平转换集成电路是传输线驱动器MC1488和传输线接收器MC1489。

MC1488内部有三个与非门和一个反相器，供电电压为±12V，输入为TTL电平，输出为RS-232C电平，MC1489内部有四个反相器，供电电压为±5V，输入为RS-232C电平，输出为TTL电平。另一种常用的电平转换电路是MAX232，图8.6为MAX232的引脚图。图8.6MAX232引脚图8.2.4RS-232C总线规定RS-232C标准总线为25根，采用标准的D型25芯插头座。各引脚的排列如图8.7所示。简单的全双工系统在最简单的全双工系统中，仅用发送数据、接收数据和信号地三根线即可，对于MCS-51单片机，利用其RXD（串行数据接收端）线、TXD（串行数据发送端）线和一根地线，就可以构成符合RS-232C接口标准的全双工通信口。

图8.7RS-232C引脚图

8.3MCS-51单片机的串行接口MCS-51单片机的内部有一个可编程全双工串行通信接口，它具有UART的全部功能，该接口不仅可以同时进行数据的接收和发送，也可做同步移位寄存器使用。该串行口有4种工作方式，帧格式有8位、10位和11位，并能设置各种波特率。本节将对其结构、工作方式和波特率进行介绍。8.3.1MCS-51单片机的串行口结构MCS-51单片机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）。串行口的结构如图8.8所示。特殊功能寄存器与MCS-51串行口有关的特殊功能寄存器有SBUF，SCON，PCON，下面对它们分别详细介绍。图8.8MCS-51单片机串行口结构示意图

8.3.2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，就是读接收缓冲器的内容。接收或发送数据接收或发送数据，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，为全双工制式。

8.3.3串行口控制寄存器SCONSCON用来控制串行口的工作方式和状态，可以位寻址，字节地址为98H。其格式如图8.9所示。SCON9FH9EH9DH9CH9BH9AH99H98H

图8.9SCON的各位定义

SM0SM1SM2RENTB8RB8TIRISM0、SM1：串行工作方式选择位。定义如下表8.1所示。表8.1

串行工作方式选择位

SM0SM1工作方式功能波特率

00方式08位同步移位寄存器fosc/12

01方式110位UART可变

10方式211位UARTfosc/64或fosc/32

11方式311位UART可变多机通信控制位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。方式2、3处于接收或发送方式在方式2、3处于接收或发送方式，若SM2=0，不论接收到第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1。在方式0中，SM2应为0。允许串行接收位REN：允许串行接收位。由软件置位或清零。REN=1时，允许接收，REN=0时，禁止接收。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。发送数据的第9位发送中断标志位TI：发送中断标志位。在方式0中，发送完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，可以用指令来查询是否发送结束。TI=1时，也可向CPU申请中断，响应中断后都必须由软件清除TI。接收中断标志位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，也可以通过指令来查询是否接收完一帧数据。RI=1时，也可申请中断，响应中断后都必须由软件清除RI。SCON中的低2位与中断有关SCON中的低2位与中断有关，在中断的有关章节中有详细论述。8.3.4电源及波特率选择寄存器PCONPCON主要是为CHMOS型单片机的电源控制而设置的专用寄存器，不可以位寻址，字节地址为87H。在HMOS的8051单片机中，PCON除了最高位以外其它位都是虚设的。其格式如图8.10所示。图8.10PCON的各位定义SMOD为波特率选择位与串行通信有关的只有SMOD位。SMOD为波特率选择位。在方式1、2和3时，串行通信的波特率与SMOD有关。当SMOD=1时，串行通信波特率乘2，当SMOD=0时，串行通信波特率不变。其他各位用于电源管理，在此不再赘述。8.3.5MCS-51单片机串行口的工作方式MCS-51单片机串行口有4种工作方式，由SCON中的SM1、SM0位来决定，如表8.1所示。8.3.5.1方式0在工作方式0下，串行口作同步移位寄存器用，其波特率固定为fosc/12。串行数据从RXD（P3.0）端输入或输出,同步移位脉冲由TXD(P3.1)送出。这种方式常用于扩展I/O口。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。在再次发送数据之前，必须由软件清TI为0。具体接线图如图8.11所示。其中74LS164为串入并出移位寄存器。

发送图8.11方式0用于扩展I/O口输出接收在满足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。具体接线图如图8.12所示。其中74LS165为并入串出移位寄存器。图8.12方式0用于扩展I/O口输入串行控制寄存器SCON串行控制寄存器SCON中的TB8和RB8在方式0中未用。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。

在工作方式1下，串行口为波特率可调的10位通用异步接口UART，发送或接收一帧信息，包括1位起始位，8位数据位和1位停止位。其帧格式如图8.13所示：

8.3.5.2方式1图8.1310位的帧格式发送时，数据从TXD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T1的溢出率和PCON中的SMOD位。发送接收

接收时，由REN置1允许接收，串行口采样RXD，当采样到1到0的跳变时，确认是起始位“0”，就开始接收一帧数据。当RI=0且停止位为1或SM2=0时，停止位进入RB8位，同时置位中断标志RI；否则信息将丢失。所以，在工作方式1接收时，应先用软件清除RI或SM2标志。

在工作方式2下，串行口为11位UART，传送波特率与SMOD有关。发送或接收一帧数据包括1位起始位，8位数据位，1位可编程位(用于奇偶校验)和1位停止位。其帧格式如图8.14所示。8.3.5.3方式2图8.1411位的帧格式

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，则启动发送器。写SBUF的指令，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。发送接收当REN=1时，允许串行口接收数据。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，若同时满足以下两个条件：RI=0；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。若不能同时满足上述两个条件，则丢弃信息。8.3.5.4方式3工作方式3为波特率可变的11位UART通信方式，除了波特率设定方式不同之外，工作方式3和工作方式2完全相同。

8.3.6MCS-51单片机串行口

的波特率设定

在串行通信中，收发双方对传送的数据速率即波特率要有一定的约定。通过上一小节的论述，我们已经知道，MCS-51单片机的串行口通过编程可以有4种工作方式。其中工作方式0和工作方式2的波特率是固定的，工作方式1和工作方式3的波特率可变，由定时器T1的溢出速率决定。

8.3.6.1工作方式0和工作方式2

在工作方式0中，波特率为时钟频率的1/12，即fosc/12，固定不变。