《单片机系统设计仿真与应用》课件第5章

5.1串行口工作原理

5.2串行口协议设计

5.3串行口应用设计

5.4小结

习题

5.1.1串行口的专用寄存器

1．串行口控制寄存器SCON

串行口控制寄存器是串行口控制和状态寄存器。SCON包含：串行口工作方式选择位、接收发送控制位以及串行口状态标志位，其位格式如下：5.1串行口工作原理

SM0、SM1(SCON.7、SCON.6)：串行口的工作方式选择位，其编码见表5-1，其中fosc为振荡频率。

SM2(SCON.5)：多机通信控制位，主要用于方式2和方式3。

REN(SCON.4)：串行口接收允许位，由软件置位以允许接收，由软件清0来禁止接收。

TB8(SCON.3)：在方式2和方式3中为发送的第9位数据。

RB8(SCON.2)：在方式2和方式3中为接收到的第9位数据。

TI(SCON.1)：发送中断标志。

RI(SCON.0)：接收中断标志。表5-1串行口的工作方式

2．串行口数据缓冲器SBUF

MCS-51单片机内的串行接口部分，具有两个物理上独立的缓冲器：发送缓冲器和接收缓冲器，以便能以全双工的方式进行通信。

3．电源控制寄存器PCON

电源控制寄存器PCON的第7位是与串行口的波特率设置有关的选择位。其位格式如下：

 SMOD(PCON.7)：串行口波特率倍增位。

GF1(PCON.3)、GF0(PCON.2)：两个通用标志位，由程序使用。

PD(PCON.1)、IDL(PCON.0)：CHMOS器件的低功耗控制位。5.1.2串行口的工作方式

1．方式0

方式0为同步移位寄存器输入输出方式。

图5-1(a)为串行口外接一片串入并出移位寄存器74LS164的输出接口电路，该电路用于扩展并行输出口；图5-1(b)为串行口外接一片并入串出移位寄存器74LS165的输入接口电路，该电路用于扩展并行输入口。图5-1方式0发送、接收电路

2．方式1

串行接口工作于方式1时，被定义为10位的异步通信接口，即传送一帧信息需要10位。

串行接口以方式1发送时，数据由TXD端输出。

3．方式2和方式3

串行接口工作于方式2和方式3时，被定义为11位的异步通信接口，即传送一帧信息需要11位。5.1.3波特率的设置

MCS-51单片机串行口通信的波特率取决于串行口的工作方式。四种工作方式的波特率计算公式分别如下：

1．T/C1溢出率的计算

在串行通信方式1和方式3下，使用定时器T/C1作为波特率发生器。

前面我们介绍过定时器定时时间的计算方法，同样，我们设X为时间常数即定时器的初值；fosc为晶振频率，当定时器T/C1工作于方式2时，则有：

溢出周期 =T/C1溢出率

==

2．波特率的设置

由上述可得，当串行口工作于方式1或方式3、定时器T/C1工作于方式2时有波特率 ==由上式可以看出，当X=255时，波特率为最高。如fosc=12 MHz、SMOD=0，则波特率为31.25 kb/s；若SMOD=1，则波特率为62.5 kb/s，这是fosc=12 MHz时波特率的上限。若要求更高的波特率，则需要提高主振频率fosc。在实际应用中，一般是先按照所要求的通信波特率设定SMOD，然后再算出T/C1的时间常数。即X =

我们设SMOD=1，则T/C1的时间常数X的值为X ==

256-=

208=D0H表5-2列出了常用波特率与其他参数的关系。系统振荡频率fosc选为11.0592 MHz是为了使定时器初值为整数，从而产生精确的波特率。表5-2常用波特率与其他参数的关系注：方式0时，BAUD=fosc/12；方式2时，BAUD=2SMOD×fosc/64。5.2.1串行通信接口的基本任务

串行通信接口的基本任务包括：

(1)实现数据格式化。

(2)进行串并转换。

(3)控制数据传输速率。

(4)进行错误检测。

(5)进行TTL与EIA电平转换。

5.2串行口协议设计5.2.2串行通信协议

单片机串口称为“通用异步收发器”(UART，UniversalAsynchronousReceiverandTransmitter)。

1．特点与格式

串行通信异步协议的特点是一个字符一个字符地传输，并且传送一个字符总是以起始位开始，以停止位结束的，字符之间没有固定的时间间隔要求。其格式如图5-2所示。

图5-3表示了传送一个字符E的ASCAII码的波形，当把它的最低有效位写到右边时，就是E的ASCII码1000101=45H。图5-2传送的字符格式图5-3传送字符E的ASCII码的波形

2．起始/停止位的作用

起始位实际上是作为联络信号附加进来的，当它变为低电平时，则告诉收方传送开始。它的到来，表示数据位将接着出现，要准备接收。5.2.3协议的设计

使用串口进行通信，通常包括单片机与主机间的通信、单片机间的通信以及多单片机间的通信三种。5.3.1原理图设计与说明

本章使用的电路原理图如图5-4～图5-7所示。5.3串行口应用设计图5-4单片机与微机通信原理图图5-5多单片机间通信顶层电路图图5-6图5-5中的SUB2子电路原理图图5-7图5-5中的SUB3子电路原理图关于图5-4～图5-7原理图的说明如下：

(1)图5-4是单片机与微机通信原理图；图5-5和图5-6组合在一起是双机通信原理图；图5-5、图5-6和图5-7组合在一起是多机通信原理图。

(2)图5-4中使用了四台虚拟终端。

(3)串口模型器件应选用COMPIM。在ProteusISIS元件库的“Connectors”类的“D-Type”子类中，也有一个串口模型器件CONN-D9F，因该器件在使用时没有仿真模型，将会导致仿真失败，所以要避免选用。

(4) COMPIM器件使用前要进行设置，本章使用的设置结果如图5-8所示。图5-8COMPIM器件使用前的设置

(5)四个虚拟终端也要进行相应的设置。PC_TX代表计算机发送数据，PC_RX用来监视PC接收到的数据，它们的属性设置完全一样，如图5-9所示。MCS_TX和MCS_RX分别是单片机的数据发送和接收终端，用来监视单片机发送和接收的数据，它们的属性设置完全一样，如图5-10所示。图5-9MCS_TX和MCS_RX的设置结果图图5-10PC_TX和PC_RX的设置结果

(6)使用时，原理图中的电阻R1不能少，否则虚拟终端PC_RX将收不到信息。

(7)图5-5、图5-6和图5-7是单片机间通信原理图。

(8)图5-6和图5-7中均有一个按键和一个LED灯，可用于机间通信控制，例如，用SUB2中的按键控制SUB3中的LED灯的亮灭等。

(9)使用器件列表如图5-11所示，在Proteus中输入器件名称即可找到该器件。图5-11元器件列表清单

2．设计说明

根据单片机与微机通信的设计要求。可以看出，单片机与微机采用了以下握手协议：

(1)单片机向微机发送信息，以“-”作为结束符；

(2)当微机接收到结束符“-”后，即向单片机回送信息，并以“-”作为结束符；

(3)当单片机接收到结束符“-”后，将信息显示于液晶屏上。

程序设计流程图如图5-12所示。图5-12单片机与微机通信时的单片机程序流程图

3．设计源码

单片机与微机通信的源程序见例5-1。

【例5-1】

单片机与微机通信的源程序。

#include<reg51.h>

#defineucharunsignedchar

//定义一个长度为16的空串,用于存放接收字符显示

ucharrecdata[16]="";

uchartrdata[16]="FromA:master!";

voidLcd_initialize(void);

voidLcd_display(ucharaddr,uchar*str);

voiddelay(ucharx);//*************串口通信函数——单机通信*****************//

//本单片机(机A)发送一字符串:"FromA:master!";

//微机(用虚拟终端模拟)接收并显示"FromA:master!",然后回送"abc-"

//当接收到微机传送过来的"abc"后在液晶屏中显示出来。

//然后,间隔200 ms后再循环以上过程

voidmain(void)

{ uchari;

Lcd_initialize();

Lcd_display(0x00,“MCS51<---->PC:”);

//第1行显示值

TMOD=TMOD|0x20;

//设置波特率为9600的定时器1方式和初值

TL1=0xfd;TH1=0xfd; //此值对应单片机晶振频率为11.0592 MHz

SCON=0x50;PCON=0x00;

//设置串行口方式

TR1=1;

while(1)

{ i=0;

while(trdata[i]!='\0') //发送字符串

{

SBUF=trdata[i];

while(TI==0);

TI=0;

i++;

}

SBUF='-';//发送结束字符

while(TI==0);

TI=0; i=0;

//i清0,为接收作准备

while(RI==0); //接收应答

RI=0;

recdata[i]=SBUF;

while(recdata[i]!=‘-’)

//传完后,应答A机并显示收到的字符串

{

i++;

while(RI==0);//接收应答

RI=0;

recdata[i]=SBUF;

} recdata[i]=‘\0’;

Lcd_display(0x40,recdata);

//第2行显示

delay(200);delay(200);

//延时200 ms后,继续以上A机和B机的握手过程

}

}

4．仿真结果

运行仿真，结果如图5-13所示。图5-13单片机与主机的发送/接收监视情况

从图5-13中可看出，默认情况下，在PC_T中输入字符后并不会显示出来，为了让输入的字符显示出来，则需要在PC_T界面中单击鼠标右键选中“EchoTypedCharacters”，如图5-14所示。图5-14虚拟终端回显字符的设置5.3.3双机通信设计

1．设计要求

用两个MCS-51单片机进行双机通信设计。具体要求如下：

(1) A机向B机发送字符串。

(2) B机接收到字符串后，向A机发送另一个字符串，循环进行。

(3) B机接收完成点亮LED灯，B机发送完成熄灭LED灯。

2．设计说明

双机通信类似于单片机与主机间的通信。根据设计要求，可得出如图5-15所示的双机程序流程图。图5-15双机通信程序流程图

3．设计源码

双机通信源程序包括主机A的源程序和从机B的源程序，分别如例5-2和例5-3所示。

【例5-2】

主机A的源程序。

#include<reg51.h>

#defineucharunsignedchar

//定义一个长度为16的空串,用于存放接收字符显示

ucharrecdata[16]="";

uchartrdata[16]="FromA:master!";

voidLcd_display(ucharaddr,uchar*str);//LCD显示函数,该LCD与单片机在同一图中voidLcd_initialize(void);

voiddelay(ucharx);

//*************串口通信函数——双机通信*****************//

//本单片机(A机)发送一字符串:"FromA:hjk!";

//另一单片机(B机)接收,接收完成后回送"FromB:slave_1",并在液晶屏中显示"FromA:hjk!"

//当接收到B机传送过来的"FromB:slave_1"后在液晶屏中显示出来。

//然后,间隔200 ms后再循环以上过程

voidserial(void)

{ uchari;

TMOD=0x20;

TL1=0xfd;TH1=0xfd;

SCON=0xd8;PCON=0x00; //设置串行口方式

TR1=1;

while(1)

{

i=0;

while(trdata[i]!='\0') //发送字符串

{ SBUF=trdata[i];

while(TI==0);

TI=0;

i++;

}

SBUF='-'; //发送结束字符

while(TI==0);

TI=0; i=0; //i清0,为接收作准备

while(RI==0);//接收应答

RI=0;

recdata[i]=SBUF;

while(recdata[i]!=‘-’)

//传完后,应答A机并显示收到的字符串

{

i++;

while(RI==0);//接收应答

RI=0;

recdata[i]=SBUF;

} recdata[i]=‘\0’;

Lcd_display(0x40,recdata); //第2行显示

delay(200);

//延时200 ms后,继续以上A机和B机的握手过程

}

}

//*************主函数*****************//voidmain(void)

{

Lcd_initialize();

Lcd_display(0x00,“Awelcomeyou!”);

//第1行显示欢迎字符

serial();

}【例5-3】从机B的源程序。

#include<reg51.h>

#defineucharunsignedchar

sbitled=P2^3; //定义LED引脚,用于串口通讯指示

ucharrecdata[16]=“”;

//定义一个长度为16的空串,用于存放接收字符显示

uchartrdata[16]="FromB:slave_1!";

voidLcd_initialize(void);

voidLcd_display(ucharaddr,uchar*str); //LCD显示函数//*************串口通信函数*****************//

//单片机(A机)发送一字符串:"FromA:hjk!";

//本单片机(B机)接收,接收完成后在液晶屏中显示"FromA:hjk!",并回送"FromB:slave_1!",

//同时用LED灯来掼示传送时间(灭灯时间即回送时间)

//当接收到B机传送过来的"slave_1!"后在液晶屏中显示出来。

//然后,间隔200 ms后再循环以上过程

voidserial(void)

{ uchari=0;

TMOD=0x20;

//设置波特率为9600的定时器1方式和初值

TL1=0xfd;TH1=0xfd;

SCON=0xd8;PCON=0x00;

//设置串行口方式3,允许接收,TB8置1

TR1=1;

while(1)

{

while(RI==0);

RI=0;

recdata[i]=SBUF;

if(recdata[i]=='-') //传完后,应答A机并显示收到的字符串

{ led=0;//以LED指示A机传送完毕

recdata[i]=‘\0’;

Lcd_display(0x40,recdata); //第2行显示

i=0;

//此处i清0,为应答作准备

while(trdata[i]!='\0')

{

SBUF=trdata[i];

while(TI==0);

TI=0;

i++;

} SBUF=‘-’; //发送结束字符

while(TI==0);

TI=0;

led=1; //以LED指示B机应答完毕

i=0;

//此处i清0,为下一次接收作准备

}

else i++; }

}

voidmain()

{

Lcd_initialize();

Lcd_display(0x00,"Bwelcomeyou!"); //第1行显示欢迎字符

serial(); //串口接收并显示函数

}4．仿真结果

启动仿真，仿真结果如图5-16和图5-17所示。图5-16A机仿真结果图5-17B机仿真结果5.3.4多机通信设计

1．设计要求

用三个MCS-51单片机进行多机通信设计。具体要求如下：

(1)一个主机MasterA，两个从机：Slave_1B和Slave_2C。

(2)主机与从机的通信过程按以下四个步骤进行。这四个步骤间的延时设定为0.5 s。

(3)在多机通信前，主机和从机均显示欢迎信息。

2．设计说明

由主机控制的多机通信可按照以下协议进行：

(1)首先使所有从机的SM2位置1，即使所有从机处于只接收地址帧的状态。

(2)主机先发送一个地址帧，其中8位为地址，第9位为地址/数据帧的标志位，该位置为1表示该帧为地址帧。

(3)从机接收到地址帧后，各自将其接收到的地址与本从机的地址比较。

(4)主机发送完地址帧后，就可以发送数据帧，即将发送帧的第9位置为0。

(5)在第(3)步中与地址帧有相同地址的从机，由于其SM2=0，所以可以接收主机发送的数据帧，并根据数据帧的指示完成相应的操作。

(6)从机按照主机的指示，完成相应的操作后，则重新回到监听地址状态。

(7)主机在第(4)步发送完数据后，在从机的配合下，主机完成相应的功能操作。图5-18中仅列出了从机B的程序流程图，事实上，其他从机的程序流程图可与从机B的完全一致，各从机之间的区别是每个从机向主机发送的信息可能不同，接收到主机的信息后对数据的处理过程也可能不同。图5-18多机通信程序流程图

3．设计源码

主机A、两个从机B和C均单独编写程序文件，源程序分别见例5-4、例5-5和例5-6。

【例5-4】

主机A的源程序。

#include<reg51.h>

#defineucharunsignedchar

#defineuintunsignedint

#defineslave2

//定义一个长度为16的空串,用于存放接收字符显示

ucharrecdata[16]="";

uchartrdata[16]="FromA:master!";voidLcd_initialize(void);

voidLcd_display(ucharaddr,uchar*str);

voidmaster(ucharslave_addr,ucharcom);

voiddelay(ucharx);

//*************串口初始化函数*****************//

voidserial_init(void)

{ TMOD=0x20;

//T/C1定义为方式2

TL1=0xfd;TH1=0xfd;

//设置波特率为9600的定时器1方式和初值

PCON=0x00;

TR1=1;//T/C1运行,产生串口波特率

SCON=0xf8;

//设置串行口方式3,多机通讯方式,允许接收,TB8=1

}

//*************串口通信函数——多机通信*****************//

voidmaster(ucharslave_addr,ucharcom)

{ #defineBN16

uchari=0,p=0;

TB8=1;

SBUF=slave_addr;//发送从机地址

while(TI==0);TI=0;

TB8=0; //地址标志清0

SBUF=com;//发送命令：1为发送,2为接收

while(TI==0);TI=0;

if(com==0x01) //主机发送

{ p=0; //清校验和

for(i=0;i<BN;i++)

{

SBUF=trdata[i];//发送一数据

p+=trdata[i]; //求校验和

while(TI==0);TI=0;

}

SBUF=p; //发送校验和

while(TI==0);TI=0;

} else //主机接收

{

p=0;

for(i=0;i<BN;i++)

//接收数据并求校验和

{

while(RI==0);RI=0;

recdata[i]=SBUF;

p+=recdata[i];

} while(RI==0);RI=0; //接收校验字

if(p==SBUF)

//校验和正确时显示数据，否则显示接收错误

{

Lcd_display(0x40,recdata);

//显示接收到的数据

}

elseLcd_display(0x40,"Error!");

}

}//**************调用函数，实现多机通信******************//

voidserial_M(void)

{

//下面几行可证明多机通信功能正常

master(1,0x01); delay(250);

master(2,0x01); delay(250);

master(1,0x02);

delay(250); delay(250);

master(2,0x02);

delay(250); delay(250);

}//**************主函数******************//

voidmain(void)

{

Lcd_initialize();

Lcd_display(0x00,"Awelcomeyou!"); //第1行显示欢迎信息

serial_init();

serial_M();

}【例5-5】

从机B实现多机通信的源程序。

#include<reg51.h>

#defineucharunsignedchar

#defineslave_addr1

#defineBN16

sbitled=P2^3;

//定义LED引脚,用于串口通信指示ucharrecdata[16]=""; //定义一个长度为16的空串，用于存放接收字符显示

uchartrdata[16]="FromB:slave_1!";

voidLcd_initialize(void);

voidLcd_display(ucharaddr,uchar*str); //LCD显示函数

voidserial_M(void);

//*************串口通信函数——多机通信*****************//

voidserial_M(void)

{ TMOD=0x20;//T/C1定义为方式2

TL1=0xfd;TH1=0xfd;

//设置波特率为9600的定时器1方式和初值

SCON=0xf8;PCON=0x00;

//设置串行口方式3,多机通信方式,允许接收,

//TB8置1(为发送作准备)

TR1=1; //T/C1运行,产生串口波特率

EA=1;ES=1;//开串口中断

while(1){}

}//**********中断处理函数*****************//

//仅用一次串口中断，然后使用查询方式完成串口通信

voidSerial_Int(void)interrupt4using1

{

staticucharp=0,i=0;

RI=0;ES=0; //关中断

if(RB8==1)

{ if(SBUF==slave_addr)

{

SM2=0;

}

Else

{ES=1;return;} //非本机地址继续监听

}

while(RI==0);RI=0; if(SBUF==0x01) //主机发送，从机接收

{

p=0;

for(i=0;i<BN;i++) //接收数据并求校验和

{

while(RI==0);RI=0;

recdata[i]=SBUF;

p+=recdata[i];

} while(RI==0);RI=0; //接收校验字

if(p==SBUF) //校验和正确时显示数据，否则显示接收错误

{

Lcd_display(0x40,recdata); //显示接收到的数据

}

elseLcd_display(0x40,"Error!");

}

else

{ p=0; //清校验和

for(i=0;i<BN;i++)

{

SBUF=trdata[i];//发送一个数据

p+=trdata[i];//求校验和

while(TI==0);TI=0;

}

SBUF=p; //发送校验和

while(TI==0);TI=0;

} SM2=1;ES=1; //开中断

}

voidmain(void)

{

Lcd_initialize();

Lcd_display(0x00,“Bwelcomeyou!”);

//第1行显示欢迎字符

serial_M(); //多机通信

}【例5-6】

从机C实现多机通信的源程序。

#include<reg51.h>

#defineucharunsignedchar

#defineslave_addr2

#defineBN16 sbitled=P2^3; //定义LED引脚，用于串口通信指示

ucharrecdata[16]=“

”;

//定义一个长度为16的空串，用于存放接收字符显示

uchartrdata[16]="FromC:slave_2!";

voidLcd_initialize(void);

voidLcd_display(ucharaddr,uchar*str); //LCD显示函数

voidserial_M(void);//*************串口通信函数——多机通信*****************//

voidserial_M(void)

{

TMOD=0x20; //T/C1定义为方式2

TL1=0xfd;TH1=0xfd;

//设置波特率为9600的定时器1方式和初值

// SCON=0xf0; PCON=0x00;

//设置串行口方式3,多机通信方式,允许接收

SCON=0xf8;PCON=0x00;

//设置串行口方式3,多机通信方式,允许接收, TR1=1; //T/C1运行,产生串口波特率

EA=1;ES=1;//开串口中断

while(1){}

}

//**********中断处理函数*****************//

//仅用一次串口中断，然后使用查询方式完成串口通信

voidSerial_Int(void)interrupt4using1

{ staticucharp=0,i=0;

RI=0;ES=0; //关中断

if(RB8==1)

{

if(SBUF==slave_addr)

{

SM2=0;

}

else

{ES=1;return;}

//非本机地址继续监听

} while(RI==0);RI=0;

if(SBUF==0x01) //主机发送,从机接收