串行接口与通信基础课件

電腦與週邊設備所進行的資訊交換經常被人們稱為數據通信（有時也簡稱通信）。通信的基本方式又可以分為並行通信與串行通信兩種。並行通信是指一次就可以同時傳送一個數據字節的傳輸方式（其中包含8位、16位，甚至更多位的數據，在MCS-51裏是8位數據），其結構如圖6-1（a）所示。串行通信是指把一個數據按位元組逐位順序分時進行的傳輸方式，其結構如圖6-2（b）所示。

數據通信的基本概念（a）

（b）圖6-1通信結構

比較圖6-1（a）、（b）我們不難發現：並行通信的優點是傳輸速度快，串行通信則速度慢。並行通信的缺點是同時需要連接的線數多，在通信距離較長時，傳輸線的成本會增加，同時佔用晶片的外部引腳多，使引腳資源更加緊張。相反，這些卻正好是串行通信的優點，即佔用引腳少，線路成本低。本章主要介紹串行通信。

串行通信按照數據傳送的方向（也稱為模式）可以分為單工、半雙工和全雙工三種方式。單工方式是數據只向一個方向傳輸，對於某個設備，要麼只能發送，要麼只能接收，這種通信模式用於發送方和接收方固定的情況下，如圖6-2（a）所示，實際應用不是很多；半雙工方式是通信雙方都可以發送和接收數據，但在某一個時刻只能工作在發送或者接收狀態，即不能同時處於發送和接收狀態，如圖6-2（b）所示；全雙工方式是通信雙方可以同時處於發送和接收狀態，如圖6-2（c）所示。MCS-51單片機在硬體上具有全雙工的結構（均有發送器和接收器），但由於指令是一步一步執行的，所以在任意時刻，不能同時處於發送和接收狀態。6.1.2串行通信的方向圖6-2串行通信方式（a）（b）

（c）

為使通信雙方正常地進行數據傳輸，必須規定一種雙方都認可的同步方式。串行通信有非同步和同步兩種方式。（1）非同步通信在非同步通信中，數據通常是以字元為單位組成字元幀傳送的，字元幀也叫數據幀，由起始位、數據位、奇偶校驗位和停止位等4部分組成，如圖6-3所示。字元幀由發送端一幀一幀地發送，每一幀數據均是低位在前、高位在後，通過傳輸線被接收端一幀一幀地接收。6.1.3串行通信的同步方式圖6-3非同步通信的字元幀

在非同步通信中，接收端是依靠字元幀格式來判斷發送端是何時開始發送、何時結束發送的，字元幀格式是非同步通信的一個重要指標。非同步通信的優點是不需要傳送同步時鐘，字元幀長度不受限制，故設備簡單；缺點是字元幀中因包含起始位和停止位而降低了有效數據的傳輸速率。（2）同步通信同步方式是將一大批數據分成幾個數據塊，數據塊之間用同步字元予以隔開，而傳輸的各位二進位碼之間都沒有間隔。其基本特徵是發送與接收時鐘始終保持嚴格同步，如圖6-4所示。圖6-4同步通信的數據塊（3）串列傳輸速率串列傳輸速率是衡量數據傳輸速度的一個指標，定義為每秒鐘傳輸的二進位的位數，單位是bit/s（位/秒）。例如：一秒鐘傳輸120個字元，每個字元的格式包含10個位（其中1個起始位、8個數據位和1個停止位），這時的串列傳輸速率為：120字元/秒×10位/字元=1200位/秒在通信過程中，雙方必須有相同的串列傳輸速率，否則數據將出錯。單片機通信中常用的串列傳輸速率有1200bit/s、2400bit/s、4800bit/s等。MSC-51片內有一個可編程的全雙工串行通信電路，如圖6-5所示，通過TXD（P3.1，發送線）和RXD（P3.0，接收線）完成單片機與外部設備的通信。6.2串行通信硬體電路圖6-5MSC-51內可編程的全雙工串行通信電路

當單片與單片機通信（即TTL電平之間通信）時，只要將通信雙方的TXD、RXD交叉相連（即甲機的TXD接到乙機的RXD，甲機的RXD接到乙機的TXD），同時將雙方的地線連上，在程式的指引下，可以實現相互的通信。當單片機與PC機通信時，常常採用PC機的RS-232介面進行，由於雙方對邏輯“1”、“0”的定義不一致（單片機是正邏輯，RS-232採用負邏輯，而且電平也不一致），因此必須經過轉換電路進行邏輯轉換（好比我們與外國人溝通時，常常需要翻譯）。圖6-6MAX232管腳圖RS-232C是使用最早、應用最多的一種非同步串行通信匯流排標準。它是美國電子工業協會（EIA）1962年公佈，1969年最後修訂而成的。其中，RS表示RecommendedStandard，232是該標準的標識號，C表示最後一次修訂。

實現RS-232電平轉換的常用晶片是MAX232，其管腳如圖6-6所示，MAX232內部實際有兩套獨立的電平轉換電路，7、8、9、10為一路，11、12、13、14為另一路。圖6-7為一個實際的應用電路例子，其中CN1為9針插座，通過專用的RS-232通信線與PC機相連。CN2是與單片機的介面，標有TXD的與MCS-51的P3.1（TXD）相連，標有RXD的與P3.0（RXD）相連。圖6-6MAX232管腳圖

從管腳圖不難發現，MAX232中7腳與14腳的功能一致，8腳與13腳的功能一致，其餘類推。在這裏，要提醒讀者的是，通過RS-232通信介面進行數據通信時，其實際的通信距離一般在15m左右，而且串列傳輸速率越高，其有效的距離越短，否則很難保證通信的可靠性。如要實現長距離的通信，可以採用RS-485介面或者20mA電流環等技術，相關內容可以參考其他資料。圖6-7RS-232介面實例通信的編程，關鍵是對相關寄存器進行合理的設置，下麵將詳細介紹這些寄存器的功能及設置方法。（1）數據緩衝寄存器SBUF（99H）在單片機內部有兩個物理上獨立的緩衝器，一個為發送緩衝器，一個為接收緩衝器，二者共用一個地址（99H），由於硬體上的特殊設計，發送緩衝器只能寫入，不能讀出，接收緩衝器只能讀出，不能寫入。數據緩衝器承擔了通信過程數據的“進”與“出”任務，當需要發送一個數據時，只要把數據放到（寫入）SBUF寄存器就可；當接收數據時，直接從SBUF取出（讀出）就可，具體指令如下：MOV SBUF,A ；將A中的數據放到SBUF準備發送MOV A,SBUF ；從SBUF中取出送來數據6.3串行通信主要寄存器與設置由此可以發現，在發送時，SBUF相當於郵電局的郵箱（你只管把信放進去），接收時則相當於用戶的郵箱（你只管取回信），具體的信（數據）是如何出去、如何來的可以不去關心，這樣使用起來就很方便。這裏要提醒讀者的是，在連續數據發送時，必須等前面數據發送完成後才能再送新的數據，否則前面的數據被破壞。（2）通信方式控制寄存器SCON（98H）SCON是通信方式設置的關鍵寄存器，主要決定了通信的方式（同步、非同步）和相關的通信速度（串列傳輸速率）。SCON的格式及具體意義如下。D7D6D5D4D3D2D1D0SM0SM1SM2RENTB8RB8TIRISM0、SM1：串行工作方式控制位，定義如表6-1所示。SM0SM1工作方式功能波特率00方式08位同步移位寄存器fosc/1201方式110位UART可變10方式111位UARTfosc/64或fosc/321

1方式111位UART可變表6-1串行口工作方式注：UART是UniversalAsynchronousReceiver/Transmitter（通用非同步接收/發送器）的縮寫。SM2：多機通信控制位，用於方式2和方式3中。在方式2和方式3處於接收方式時，若SM2=1，且接收到的第9位數據RB8為1時，置RI=1並產生中斷請求；在方式2、3處於接收或發送方式時，若SM2=0，則不論接收到的第9位RB8為0還是為1，TI、RI都以正常方式被啟動。在方式1處於接收時，若SM2=1，則只有收到有效的停止位後，RI才置1。在方式0中，SM2應為0。REN：允許串行接收位。它由軟體置位或清零。REN=1時，允許接收；REN=0時，禁止接收。對於發送機來說，該位設為“0”，對於接收機來說，該位必須置“1”（可以用MOV指令，向SCON送數時使該位置“1”，或者用SETB指令使該位置“1”）。TB8：發送數據的第9位。在方式2和方式3中，由軟體置位或複位，可作奇偶校驗位。在多機通信中，可作為區別地址幀或數據幀的標識位，一般約定地址幀時，TB8為1，約定數據幀時，TB8為0。RB8：接收數據的第9位，功能同TB8類似（TB8、RB8在方式0、1中未用，設置時可以寫“0”）。TI：發送中斷標誌位。在方式0中，發送完8位數據後，由硬體置位；在其他方式中，處於停止位時，由硬體置“1”，因此，TI是發送完一幀數據的標誌，可以用指令“JBCTI,rel”來查詢是否發送結束，TI=1時，也可向CPU申請中斷，回應中斷後，必須由軟體清除TI。RI：接收中斷標誌位。在方式0中，接收完8位數據後，由硬體置位；在其他方式中，當接收到停止位時，該位由硬體置“1”，同TI一樣，也可以通過“JBCRI,rel”來查詢是否接收完一幀數據。RI=1時，也可申請中斷，回應中斷後，必須由軟體清除RI。【例6-1】甲乙兩機通信，甲機處於接收狀態，乙機處於發送狀態，通信方式約定為8位UART，請問如何設置各自的SCON？根據SCON各位的定義可知：兩機的SM0、SM1、SM2都設為“010”，TB8、RB8、TI、RI都設為“0000”，甲機的REN設為“1”，乙機的REN設為“0”，因此對甲機用：MOVSCON,#01010000B ；（或#50H）對乙機用：MOVSCON,#01000000B ；（或#40H）（3）電源控制寄存器PCON（87H）PCON主要為CHMOS型單片機的電源控制而設置的專用寄存器，通信中只是“借用”了其中的最高位，其格式如下：D7D6D5D4D3D2D1D0SMODxxxGF1GF0PDIDL其中的SMOD是串行通信時的串列傳輸速率加倍位，當SMOD=1時，串列傳輸速率加倍（見串列傳輸速率的計算公式（6-1））。（4）其他寄存器在表6-1中，方式1、3的串列傳輸速率是可變的，確切地說是由定時器T1、晶振頻率fosc和SMOD共同決定的，其計算公式為：方式1、3的串列傳輸速率=（6-1）其中X是定時器T1的初值。這裏讀者不難發現SMOD的串列傳輸速率加倍的含義了。為提高定時精度，減少通信誤差，定時器T1的工作方式設置為方式2（時間常數自動裝入可減少裝入過程引入的誤差），因此在通信方式1、3時與通信相關的寄存器還有以下幾種。①定時器工作方式控制寄存器TMOD（89H）有關TMOD的各位的定義可以參考第5章的內容，根據上述要求，T1設置為方式2，軟體啟動，指令為：MOVTMOD,#0010xxxxB；或者#2xH，T0的設置與通信無關，這裏用x表示無關項②定時器T1計數單元TH1、TL1上述串列傳輸速率計算公式（6-1）中的X是定時器T1計數單元的初始值，根據定時器工作方式2的規定，(TH1)=(TL1)=X，因此可以用以下指令：MOVTL1，#X；MOVTH1，#X；③定時器控制寄存器TCON（88H）定時器T1的軟體啟動的命令位是TCON中的“TR1”，可以用以下指令啟動T1：SETBTR1另外，通信過程如採用中斷方式，還牽涉到中斷的相關寄存器，如：中斷允許控制寄存器IE，中斷優先順序寄存器IP，在此不再重複。【例6-2】在例6-1中甲、乙通信採用8位UART格式，設通信的串列傳輸速率為2400bit/s，問如何設置其他相關的寄存器（SCON在上面已經設置，這裏不再重設）？分析：由上可知，TMOD設置為#2xH，下麵關鍵討論如何設置PCON、TL1（=TH1）。PCON和TL1（=TH1）本來是互相獨立的（互不相關的寄存器），但從公式（6-1）可以看出，它們又是互相聯繫的，確切地說，它們共同決定著通信的串列傳輸速率。當公式（6-1）中SMOD=1時：串列傳輸速率=設fosc=11.0592MHz，已知串列傳輸速率為2400bit/s，解方程求出：X=232=E8H，因此設置PCON、TL1（=TH1）的指令為：MOVPCON,#80H；使SMOD=1MOVTL1,#0E8HMOVTH1,#0E0H又如：當公式（6-1）中SMOD

=0時：串列傳輸速率=設fosc=11.0592MHz，已知串列傳輸速率為2400bit/s，解方程求出：X=244=F4H，因此設置PCON、TL1（=TH1）的指令為：MOVPCON,#00H；使SMOD=0MOVTL1,#0F4HMOVTH1,#0F4H

可能讀者會問，前面幾章中晶振頻率fosc常常取12MHz或6MHz，這裏為什麼用11.0592MHz？如果你親手算過上面兩個例子的話，是否發現在上面的方程中，每次除法後都正好是整數？也就是說，計算誤差為零？這意味著通信誤差理論上也為零，如果將上面兩個例子的fosc換成12MHz或6MHz，就沒這麼幸運還能得到一個整數了，換言之，你設計的通信本身理論上就會有差錯的可能。11.0592MHz似乎是為MCS-51“量身定制”的，在通信系統設計中，建議你用11.0592MHz晶振。在上面的計算中，你也許覺得計算太麻煩，這裏告訴你一個方法，我們可以利用豐富的網路資源下載一個串列傳輸速率計算的小工具，有了它，串列傳輸速率的計算就變得非常簡單了。圖6-8串列傳輸速率計算窗口

根據MCS-51單片機串行通信的4種方式，本節分別介紹它們的使用，重點介紹方式1的使用。1．串行工作方式0串行口的工作方式0與我們想像中的通信有一定的距離，它實際上是用串行線路實現並行輸出/輸入的擴展功能，如圖6-9（a）、（b）所示，串行數據從RXD（P3.0）端輸入或輸出，同步移位脈衝由TXD（P3.1）送出，數據傳送的速度（串列傳輸速率）固定為fosc/12，這種方式常用於擴展I/O口。發送過程：在圖6-9（a）中，當一個數據寫入串行口發送緩衝器SBUF時，串行口將8位數據以fosc/12的串列傳輸速率從RXD引腳輸出（低位在前），發送完置中斷標誌TI為1，請求中斷。在再次發送數據之前，必須由軟體清TI為0。其中，74LS164為串入並出移位寄存器。6.4串行通信的應用【例6-3】在圖6-9（a）中，將片內20H單片的數據通過串行口送到74LS164。（a）

（b）圖6-9方式0作I/O擴展圖ORG 0000HSJMP STARTORG 0050HSTART: MOV SCON,#00H ；設置串口方式0MOV A,20H ；取出要發送的數據

MOV SBUF,A ；發送數據

JNB TI,$ ；等待發送完成

CLR TI ；清除發送完成標誌，以備下次發送

……

；20H單元的數據送到了74LS164內部接收過程：如圖6-9（b）所示，在滿足REN=1和RI=0的條件下，串行口即開始從RXD端以fosc/12的串列傳輸速率輸入數據（低位在前），當接收完8位數據後，置中斷標誌RI為1，請求中斷。在再次接收數據之前，必須由軟體清RI為0。其中，74LS165為併入串出移位寄存器。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，每當發送或接收完8位數據後，硬體會自動置TI或RI為1，CPU回應TI或RI中斷後，必須由用戶用軟體清零。方式0時，SM2必須為0。【例6-4】在圖6-9（b）中，將74LS165中的數據通過串行口讀到片內20H單片。ORG 0000H SJMP START ORG 0050HSTART: MOV SCON,#00H ；設置串口方式0 SETB REN JNB RI,$ ；等待接收完成CLR REN CLR RI ；清除標誌，以備下次接收

MOV A,SBUF ；讀取數據MOV 20H,A ；74LS165的數據送到了內部20H單元2．串行工作方式1串行口工作於方式1時為串列傳輸速率可變的8位非同步通信介面。數據位由P3.0（RXD）端接收，P3.1（TXD）端發送。傳送一幀資訊為10位：1位起始位（0）、8位數據位（低位在前）和1位停止位（1）。串列傳輸速率是可變的，它取決於定時器T1的溢出速率及SMOD的狀態。發送過程：用軟體清除TI後，CPU執行任何一條以SBUF為目標寄存器的指令，就啟動發送過程。數據由TXD引腳輸出，一幀信號發送完時，使置位發送中斷標誌TI=1，向CPU申請中斷，可以發送下一個數據。方式1發送編程要點（查詢方式）：（1）在SCON中設置通信方式1。（2）在TMOD中設置定時器T1為工作方式2，軟體啟動。（3）根據通信串列傳輸速率計算TL1（=TH1），並確定PCON中的“SMOD”位，用指令完成對PCON、TL1（=TH1）的設置。（4）啟動定時器T1作為串列傳輸速率發生器。（5）發送數據到SBUF。（6）等待發送結束。（7）清除發送結束標誌。（8）繼續將下個要發送的數據送到SUBF（即回到（5）“發送數據到SBUF”）。【例6-5】用查詢方式將片內20H單元開始的16個單元數據通過串行口發送出去，通信方式1，串列傳輸速率為4800bit/s，晶振頻率fosc用11.0592MHz，試編寫程式。根據上面編程要點，程式如下：ORG 0000H SJMP START ORG 0050HSTART: MOV SCON,#40H ；設置通信方式1 MOV TMOD,#20H ；設置定時器T1為工作方式2，軟體啟動

MOV PCON,#80H ；串列傳輸速率加倍

MOV TL1,#0F4H ；

MOV TH1,#0F4H ；與PCON中的SMOD確定串列傳輸速率，見公式6-1 SETB TR1 ；啟動T1

；+++++以上為通信的設置，下麵開始發送，用迴圈結構

MOV R7,#16 ；迴圈次數

MOV R0,#20H ；發送數據首地址LOOP: MOV A,@R0 MOV A,SBUF ；取數據發送

JNB TI,$ ；一幀數據未發完，等待

CLR TI ；清除發送完成標誌

INC R0 ；調整下個數據的單元地址

DJNZ R7,LOOP ；判斷16個數據是否發完，未完則繼續

SJMP $

程式是編好了，數據是否真的發出去了呢？發送的數據是否有錯？讓我們來驗證通信是否正確，可以採用以下方法。方法一：兩臺實驗板之間通過普通線（帶遮罩更好）按照6.2節所介紹的方法連起來。一臺機器上運行發送程式，另一臺上運行接收程式（先可以由教師編寫接收程式，最好能顯示接收的數據），構成雙機通信進行驗證。方法二：實驗板與PC機通過專用RS-232通信線（市場上購買）連起來（可以參考6.2節的介紹），同時從網上下載一個串口調試小工具，讓實驗板運行接收程式，PC機運行串口調試小工具，驗證起來會很方便。介面如圖6-10所示。接收過程：用軟體清除RI後，當允許接收位REN被置位1時，接收器採樣RXD引腳上的電平，當檢測到有從“1”到“0”的負跳變時，就認為已檢測到數據的起始位，啟動接收過程，在接收移位脈衝的控制下，接收完一幀資訊。當停止位到達後，置中斷標誌位RI，通知CPU一幀數據已經接收完畢並可以從SBUF中取數據。圖6-10通信驗證介面方式1接收編程要點（中斷方式）：在主程序中完成以下內容。（1）中斷設置。（2）在SCON中設置通信方式1。（3）在TMOD中設置定時器T1為工作方式2，軟體啟動。（4）根據通信串列傳輸速率計算TL1（=TH1），並確定PCON中的“SMOD”位，用指令完成PCON、TL1（=TH1）的設置。（5）啟動定時器T1作為串列傳輸速率發生器。……中斷服務程式包含以下內容。（1）中斷保護。（2）清除標誌RI。（3）從SBUF中讀取數據並進行存放或其他處理。（4）中斷恢復。（5）中斷返回。【例6-6】用中斷方式編寫接收程式：通信方式1，串列傳輸速率為4800bit/s，晶振頻率fosc用11.0592MHz，接收的16個數據依次放入片內20H開始的單元中。根據上面的編程要點，程式如下：ORG 0000H SJMP START ORG 0023H SIMP TX ；串口通信中斷入口地址 ；++++++++以下為主程式

ORG 0050HSTART: MOV IE,#10010000B ；允許串口中斷MOV SCON,#40H ；設置通信方式1 MOV TMOD,#20H ；設置定時器T1為工作方式2，軟體啟動

MOV PCON,#80H ；串列傳輸速率加倍

MOV TL1,#0F4H ；

MOV TH1,#0F4H ；與PCON中的SMOD確定串列傳輸速率，見公式（6-1）

MOV R7,#16 ；迴圈次數，共16個數據

MOV R0,#20H ；設置片記憶體放數據首地址

SETB TR1 ；啟動T1 SJMP $

；+++++以下為中斷服務程式，接收16個數據TX: CLR RI MOV A,SBUF ；從串口讀取數據

MOV @R0,A ；存放數據

INC R0 ；存放地址加1 DJNZ R7,BACK ；16個數據沒結束，轉中斷返回

CLR ES ；16個數據接收結束，關掉串口中斷BACK: RETI上述程式因為沒有涉及其他內容，所以省略了中斷保護和恢復，接收程式的調試、驗證可以繼續利用串口調試小工具，讓PC機發送數據，非常直觀。3．串行工作方式2、3串行口工作於方式2和3時，被定義為9位非同步通信（9UART）介面。它們的每幀數據結構是11位的：最低位是起始位（0），其後是8位數據位（低位在先），第10位是用戶定義位（SCON中的TB8或RB8），最後一位是停止位1。方式2和方式3工作原理相似，唯一的差別是方式2的串列傳輸速率是固定的，即為fosc/32或fosc/64，而方式3的串列傳輸速率是可變的，與定時器T1的溢出率有關（見公式（6-1））。下麵僅以方式2為例進行編程舉例。方式2發送編程要點（查詢方式）：（1）在SCON中設置通信方式2。（2）在PCON中設定串列傳輸速率，SMOD=1時為fosc/32；SMOD=0時為fosc/64。（3）給SCON的TB8位準備相應的資訊（直接寫0、寫1或用奇偶資訊）。（4）數據送到SBUF。（5）等待發送結束。（6）清除發送結束標誌。（7）繼續將下一個要發送的數據送到SBUF（即回到（4）“數據送到SBUF”）。【例6-7】用查詢方式將片內30H單元開始的16個單元數據通過串行口發送出去，通信方式2，第9個數據位作為奇偶校驗位，試編寫程式。根據上面編程要點，程式如下：ORG 0000HSJMP STARTORG 0050HSTART: MOV SCON,#80H ；設定通信方式2MOV PCON,#80H ；取串列傳輸速率為fosc/32 MOV R0,#30H ；發送數據首地址30H MOV R7,#10H ；數據長度16LOOP: MOV A,@R0 ；取數據，同時產生數據的奇偶資訊

MOV C,PSW.0 ；奇偶標誌P送TB8 MOV TB8,C MOV SBUF,A ；數據發送WAIT: JBC TI,NEXT ；等待一次發送完成

SJMP WAITNEXT: INC R0 ；地址調整，準備下一個數據

DJNZ R7,LOOP ；16個數據是否發完判斷

SJMP $方式2接收編程要點（中斷方式）：主程序中完成以下內容。（1）中斷設置。（2）在SCON中設置通信方式2。（3）在PCON中設定串列傳輸速率，SMOD=1時為fosc/32；SMOD=0時為fosc/64。……中斷服務程式包含以下內容。（1）中斷保護。（2）清除標誌RI。（3）從SBUF中讀取數據。（4）根據第9位的約定進行數據校驗，如正確，繼續下一步，如錯誤，則給出資訊或停止下次的接收。（5）中斷恢復。（6）中斷返回。

對方式1、方式2的例子進行比較後發現，方式2（包括3）多了一個位，可以對每幀的數據進行檢驗，對提高數據的可靠性是有好處的，但在數據串通信時，逐幀校驗會影響速度，方式1儘管不能進行每幀檢驗，但速度快，同時可以利用數據串整體校驗（對傳輸的數據進行求和稱為“和校驗”，對傳送的數據進行求異或叫“異或校驗”），也是非常有效的。通過這些發送、接收程式的操練，讀者不難掌握利用串口進行通信的編程要點，不過真正進行通信應用系統設計時，還必須對數據進行鑒別。所謂鑒別是通過在數據串前面添加一個特殊的數據作為引導或標識，以排除干擾，避免程式對無用的數據做無謂的處理。有關鑒別和數據串整體校驗請參考第8章的相關內容。4．多機通信MCS-51串行口的方式2和方式