第10章 串行通信.ppt

1、第10章 串行接口技术,10.1串行通信基础 10.2MCS-51单片机的串行接口 10.3串行口应用编程实例,10.1 串行通信基础,所谓通信，是指微型计算机系统内部部件之间、微型计算机与外部设备之间、微型计算机与微型计算机之间的数据传送（信息交换）。,串行通信和并行通信,并行通信，即数据的各位同时传送； 串行通信，即数据一位一位顺序传送。,10.1.1 串行通信的分类,1异步通信 数据通常是以字符（或字节）为单位组成字符帧传送的。 字符帧由发送端一帧一帧地发送，通过传输线为接收设备一帧一帧地接收。 发送端和接收端可以有各自的时钟来控制数据的发送和接收，这两个时钟源彼此独立，互不同步。,(1

2、)字符帧也叫数据帧，,1)起始位。位于字符帧开头，只占一位，始终为逻辑0低电平，用于向接收设备表示发送端开始发送一帧信息。 2)数据位。紧跟起始位之后，根据情况可取5位、6位、7位或8位，低位在前高位在后。若所传送数据为ASCII字符，则取7位。 3)奇偶校验位。位于数据后，仅占一位，用于表征串行通信中采用奇校验还是偶校验。 4)停止位。位于字符帧末尾，为逻辑“1”高电平，通常可取1位、1.5位或2位，用于向接收端表示一帧字符信息已发送完毕，也为发送下一帧字符作准备。,字符帧格式,第n-1字符帧,(2)数据传送速率,波特率（Baud rate）:每秒传送数据位的数目。单位是bit/s（bit

3、per second位/秒）。 波特率是串行通信的重要指标，用于表征数据传输的速度。 字符的实际传输速率是指每秒钟内所传字符的帧数，和字符帧格式有关。例如，假如数据传送的速率是120字符/秒，而每个字符如上述规定包含10数位（1个起始位，8个数据位和1个停止位组成一帧），则其传送波特率为： 10bit120/s1200波特。 每一位的传送时间td为波特率的倒数,2同步通信,数据块传递开始要用同步字符来指示，同时要求由时钟来实现发送端与接收端之间的同步，故硬件较复杂。,10.1.2 串行通信的传输方向,单工,半双工,双工,10.2 MCS-51单片机的串行接口,10.2.1 串行口的结构与工作原

4、理,1串行口的结构 MCS-51系列单片机内部有一个串行接口（Serial Port），是一个可编程的全双工（能同时进行发送和接收）通信接口，具有UART（Universal asynchronous receiver transmitter通用异步接收和发送器）的全部功能，可作UART用。 该串行接口电路主要由串行口控制寄存器SCON、发送和接收电路等三部分组成。,MCS-51串行接口的结构,去申请中断,发送SBUF（99H）,接收SBUF (99H),发送控制器 TI,接收控制器 RI,移位寄存器,波特率发生器T1,1,A累加器,输出控制门,RxD,TxD,引脚,引脚,CPU内部,串行控制

5、寄存器98H,2串行通信过程,发送过程： CPU执行MOVSBUF，A指令产生“写SBUF”脉冲，以便把累加器A中欲发送字符送入SBUF（发送）寄存器，同时启动数据由TXD（P3.1）引脚串行发送. 当一帧数据发送完即发送缓冲器空时，由硬件自动将发送中断标志位TI置位，向CPU发出中断请求。 CPU响应中断后，用软件将TI位清除，同时将下一帧送入SBUF中。 重复上述过程直至所有数据发送完毕。,接收过程：,执行MOV A,SBUF指令可以产生“读SBUF”脉冲,把SBUF(接收)中接收到的字符传送到累加器A中。 当RI=0时，置允许接收位REN（即SCON的D4）=1就启动一次接收过程，外界数

6、据通过引脚RXD (P3.0)串行输入，数据的最低位首先进入输入移位器，一帧接收完毕再并行送入缓冲器SBUF中，同时将接收位RI置位，向CPU发出中断请求。 CPU响应中断后，用软件将RI位清除同时读走输入的数据。接着又开始下一帧的输入过程。重复直至所有数据接收完毕。,10.2.2 串行口的控制寄存器,SBUF串行口数据缓冲器 共两个：一个发送寄存器SBUF，一个接收SBUF，二者共用一个地址99H。 SCON串行口控制寄存器。 PCON电源及波特率选择寄存器,2.控制寄存器SCON,在方式2和方式3中，若SM2=1，则多机通信控制位，当接收到的第9位数据RB80时不启动接收中断标志RI（即R

7、I=0），并且将接收到的前8位数据丢弃；当RB81时，才将接收到的前8位数据送入SBUF，并置位RI产生中断请求。当SM2=0时，则不论第9位数据为0或1，都将前8位数据装入SBUF中，并产生中断请求。,串行方式的定义,例：设串行口工作在方式1，允许接收，则指令为： MOV SCON,#01010000B,只有该位有用，为1时，波特率2；为0时不变。,电源控制寄存器PCON,87H,10.2.3 串行口的工作方式与波特率设置,方式1和方式3波特率的计算,T1溢出率 = T1计数率/产生溢出所需的周期数，指在1秒钟内溢出的次数。产生溢出所需周期与定时器T1的工作方式、T1的预置值有关。设T1的初

8、值为X（TH1TL1X），则 T1工作于方式0：溢出所需周期数=8192X T1工作于方式1：溢出所需周期数=65536X T1工作于方式2：溢出所需周期数=256X,对定时/计数器来说，T1作为波特率发生器最典型的用法是使用T1工作在定时方式2状态，则其波特率为：,则初值计算公式为：,例：设（PCON）00H，fosc=6MHz，要波特率为1200bps，试计算T1定时初值。,解：由（PCON）00H可知SMOD0初值,1方式0 同步移位寄存器方式。,在方式0下，串行口作同步移位寄存器用，其波特率固定为fosc/12，即每个机器周期移位一次。 串行数据从RXD(P3.0)端输入或输出，同步移

9、位脉冲由TXD(P3.1)送出。移位数据的发送和接收以8位为一帧，不设起始位和停止位，低位在前，高位在后。 这种方式常用于扩展I/O口，也可外接同频输入/输出设备。 此方式是半双工的，并非是一种同步通信方式。,(1)发送操作,SBUF中的串行数据由RxD逐位移出；TxD输出移位时钟，频率=fosc/12； 每送出8位数据，TI就自动置1； 必须用软件清零 TI。,A,CLK,6,5,4,3,14,13,12,11,数据输入,移位脉冲,RXD,TXD,8051,74LS165,D7,D6,D5,D4,D3,D2,D1,D0,(2)接收操作,串行数据由RxD逐位移入SBUF中；TxD输出移位时钟，

10、频率=fosc/12； 每接收8位数据RI就自动置1； 必须用软件清零 RI。,例：写出串行口工作方式0接收时的串行口控制字,方式0时：SM0，SM100 方式0时SM2必须为0：SM20 REN1时允许接收：REN1 方式0为8位数据，TB8、RB800 接收前，发送中断标志TI0 接收中断标志RI0 故控制字（SCON）00010000B10H,2方式1,方式1、2、3均为全双工方式，串行数据经TXD（P3.1）端发送给外设，而外设发出的串行数据由RXD（P3.0）端接收，发送和接收可同时进行。 串行口工作方式1，为10位异步通信方式。 数据帧包括：一位起始位（0），8位数据位，1位停止位

11、（1） 方式1多用于两个单片机（双机）之间或单片机与外设电路间的通信。 方式1波特率可调,（1）发送过程,发送操作在TI0时进行，任何一条“写SBUF”指令MOVSBUF，A都可以启动一次发送，使一个字节经总线送入发送缓冲器SBUF，随后在串行口由硬件自动加入起始位和停止位，构成一帧完整的10位字符格式。在移位脉冲的控制下，由TXD端串行输出。当一帧字符发送完后，使TXD输出线维持在1状态，并使TI置1以通知CPU再发送下一个字符。,（2）接收过程,接收操作在RI0和REN1条件下进行。 方式1是靠检测RXD来判断的，当采样到1到0的负跳变时，说明起始位有效，则启动一次接收。 在移位脉冲控制下

12、，把接收的数据移入接收缓冲器SBUF中，直到接收到数据第9位（即停止位）时。 接收电路必须同时满足以下两个条件：RI0，且SM20或接收到的停止位为1，才能把接收到的8位数据存入“SBUF（接收）”。 把停止位送入RB8中，并使RI置1，发出串行口中断请求（需开放中断），通知CPU执行“读SBUF”指令，从SBUF中取出接收到的一个数据。 上述条件不满足，则这次收到的数据就被舍去，不送入“SBUF（接收）”中，这就意味着丢失了一组接收数据，是不能允许的。,课本例10-4：MCS-51串行口按双工方式收发ASCII字符，最高位用作奇偶校验位，采用奇校验方式，要求传送波特率为1200baud/s（

13、设单片机振荡频率为11.0592MHz） 参考程序,3方式2,方式2是11位为一帧的UART方式。 帧格式：1个起始位，9个数据位和一个停止位。 第9位数据位既可作奇偶校验位也可作控制位，其功能由用户选定，发送之前应先在SCON的TB8位中准备好。,（1）发送过程,发送过程是由执行任何一条SBUF为目的寄存器（即“写入SBUF”指令）的指令来启动的。由“写入SBUF”信号把8位数据装入SBUF，同时还把TB8装入发送移位寄存器的第9位。 发送开始，把一个起始位（0）送到TXD端。移位后，数据由移位寄存器送到TXD端。 当一帧数据发送完毕，置TI=1，请求申请中断。 第9位数据（TB8）由软件置

14、位或清零，可以作为数据的奇偶校验位，也可以作为多机通信中的地址、数据标志位。,（2）接收过程,与方式1类似，方式2和方式3接收过程始于在RXD端检测到负跳变时。 若起始位有效（为0）则起始位移入移位寄存器，并开始接收这一帧的其余位。当起始位0移到最左面时，通知接收控制器进行最后一次移位。 把8位数据装入接收缓冲器SBUF，第9位数据装入SCON中的RB8，并置中断标志RI=1。,装入 SBUF和RB8以及置位 RI的信号只有在产生最后一个移位脉冲且同满足下列两个条件, 才会产生： RI=0; SM2 =0 或接收到的第 9 位数据为“1”。 上述两个条件中任一个不满足, 所接收的数据帧就会丢失

15、, 不再恢复。 两者都满足时, 第9位数据装入RB8, 前8位数据装入 SBUF。,方式2的波特率是固定的,当SMOD=1时，波特率为1/32fosc； 当SMOD=0时，波特率为1/64fosc。,4方式3,方式3和方式2除波特率规定不同之外，其它的性能完全一样，都是以11位为一帧的UART方式，其通信过程与方式2完全相同。 方式2的波特率只有fosc/32和fosc/64两种，而方式3的波特率是可变的，由用户根据需要在程序中设定，这一点与方式1相同。通过对定时/计数器T1置初值来设定波特率，波特率随初值而改变。,表 常用波特率与定时器1的参数关系,用第9位数据作奇偶校验位,方式2和方式3可

16、以像方式1一样用于点对点的异步通信。在数据通信中由于传输距离较远，数据信号在传送过程中会产生畸变，从而引起误码。为了保证通信质量，除了改进硬件之外，通常要在通信软件上采取纠错的措施。常用的一种简单方法就是用“校验和”，作为第9位数据称奇偶校验位，将其置入TB8位一同发送。在接收端可以用第9位数据来核对接收的数据是否正确。,例：发送端发送一个数据字节及其奇偶校验位的程序段(以偶校验为例）,TT： MOVSCON，#80H ；串口方式2 MOVA，#DATA ；取待发送的数据A MOVC，PSW.0；奇偶标志位置入TB8中 MOVTB8，C MOVSBUF，A；启动一次发送，数据连同奇偶 LOOP

17、：JBCT1，NEXT ；校验位一块被发送 SJMPLOOP NEXT：,RR： MOVSCON，90H；方式2允许接收 LOOP：JBCRI，RECN ；等待接收 SJMPLOOP RECN：MOVA，SBUF；读入接收的一帧数据 JBPSW.0，ONE；若P=1，则看RB8是否等于1 JBRB8，ERR；若P=0，则RB8=1，则出错 SJMPREXT ONE： JNBRB8，ERR ；若P=1，则RB8=0，则出错 REXT：；接收正确处理 ERR： ；接收有错处理,接收端接收一个数据字节及其奇偶校验位的程序段(以偶校验为例）,10.2.4.多机通信,(1)多机通信的连接方式 主从式多机

18、通信是多机系统中最简单的一种。在主从式多机系统中，只有一台主机，但从机可以有多台。 主机发送的信息可以传送到各个从机或指定从机，从机发送的信息只能为主机所接收，各从机之间不能直接通信。 串行口的方式2和方式3具有多机通信功能，可实现一台主单片机和若干台从单片机构成总线式的多机分布式系统 。,主从式多机通信连线示意图,(2)多机通信的原理,主机：主机先发送与之通信的某从机的地址信息，此时应置TB8为1(地址帧的标志)，收到从机应答后，对TB8清0后再发送数据(TB80作为数据帧标志)。 主机控制字：方式2时（SCON）10011000B98H 方式3时（SCON）11011000BD8H 从机：

19、从机在通信开始时处于“监听状态”，以接收主机发出的地址信息，SM2位应置1，当确认是呼叫本机时使SM2清0再向主机应答。然后等待接收主机发送数据，可根据RB8的状态判断，RB80则是接收的数据，否则为地址。重又转入监听状态，同时要置SM2位为1。 从机控制字：方式2时（SCON）10110000BB0H； 方式3时（SCON）11110000BF0H,(2)多机通信的原理,方法： 1)主机的SM20；所有从机的SM21，都处于只接收地址帧的状态，以便接收主机发来的地址。 2)主机给从发送一帧地址信息时，其中的8位是地址，第9位为1表示是地址帧。 3)所有从机在SM21、RB81且RI0时，接收

20、到主机发来的从机地址帧后，进行中断处理，进入相应的中断服务程序，并和本机地址进行比较以确认是否为被寻址从机。,(2)多机通信的原理,4)被寻址的从机通过指令清除SM2，使SM20进入接收状态，可以接受主机随后发送的信息，并向主机发回接收到的从机地址，供主机核对，实现主机与被寻址从机的双机通信。未被寻址从机保持SM21，并退出各自中断服务程序。 5)完成主机和被寻址的从机之间的数据通信，被寻址从机在通信完成后重新使SM21，并退出中断服务程序，恢复多机系统原有状态，等待下次通信。,注 意：,多机通信是一个复杂的通信过程，必须有通信协议来保证多机通信的可操作性和操作秩序，实现收/发双方的响应与协调

21、。这些通信协议，至少应包括从机的地址、主机的控制命令、从机的状态字格式和数据通信格式等的约定。 在多机通信中，从机地址被主机作为8位数据（第9位固定为1）发送。因此，利用MCS-51构成的多机系统最多允许255台从机（地址为00HFEH），FFH作为一条控制命令由主机发送给从机，以便使被寻址从机的SM21。,例：设从机的地址分别为01H、 02H、 03H，则主机向从机发送数据的控制程序及从机接收串行数据的控制程序如下：,主机初始化程序： ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0023H LJMP INTES1 MAIN:MOV SP,#30H MOV SCON,#0C0H;串行口工

22、作方式,SETB ES SETB EA SETB TB8;发送地址信息 MOV DPTR,#Saddress ;指向传送数据地址 MOV R7,#Snumber;传送数据个数到R7 MOV A,#SN;从机地址送SBUF MOV SBUF,A SJMP $,主机串行口中断服务程序： INTSE1：CLR TI;清除中断标志 CLR TB8 MOVX A,DPTR MOV SBUF,A INC DPTR DJNZ R7,IEND ;数据未发送完继续发送 CLR ES ;发送完,禁止串行中断,从机初始化程序： ORG 0000H LJMP MAIN1 ORG 0023H LJMP INTES2 M

23、AIN1:MOV SP,#30H MOV SCON,#0D0H;串行口工作方式3，;REN=1允许接收 SETB ES SETB EA SETB SM2;从机接收到地址信息后;允许接收数据,从机串行口中断服务程序： INTSE2：CLR RI;清除中断标志 JNB SM2，INSDATA ;SM2=0转数据接收 MOV A,SBUF;SM2=1判断从机地址#SN ;与接收到的地址是否一致 CJNE A,#SN,INSEND;地址不一致, ;禁止接受数据中断 CLR SM2 SJMP INSEND INSDATA: MOV A,SBUF ;接收数据 MOVX DPTR, A INC DPTR ;

24、发送完,禁止串行中断 INSEND: RET,10.2.5单片机与PC机的通信,PC配置的RS-232标准接口与单片机的TTL电平接口不匹配，需电平转换电路。MAX232是常用电平转换芯片。,图 PC机与单片机串行通信原理图,10.2.5单片机与PC机的通信,TTL正逻辑： “0”：02.4V “1”：3.6V+5V RS232负逻辑： “0”：+3V+25V “1”：-3V-25V,10.3 串行口应用编程实例,10.3.1 串行口的编程 串行口需初始化后，才能完成数据的输入、输出。其初始化过程如下： （1）按选定串行口的工作方式设定SCON的SM0、SM1两位二进制编码。 （2）对于工作方

25、式2或3，应根据需要在TB8中写入待发送的第9位数据（地址为1,数据为0)。 （3）若选定的工作方式不是方式0，还需设定接收/发送的波特率。 （4）设定SMOD的状态，以控制波特率是否加倍。 （5）若选定工作方式1或3，则应对定时器 T1进行初始化以设定其溢出率。,1用串行口扩展并行I/O口,串行口在方式0下有两种不同用途：一种是把串行口设置成并入串出的输出口，另一种是把串行口设置成串入并出的输入口。 串行口设置成并入串出的输出口时，需要外接一片8位串行输入和并行输出的同步移位寄存器74LS164或CD4094，串行口设置成串入并出的输入口时需要外接一片8位并行输入和串行输出的同步移位寄存器7

26、4LS165或CD4014。,例10-3：用8051串行口外接CD4094扩展8位并行输出口，8位并行口的各位都接一个发光二极管，要求发光二极管自左向右以一定速度依次显示，呈流水灯状态。,P1.0 RXD 8051 TXD,DATA STB CD4094 CLK,CD4094是一种8位串行输入（DATA端）并行输出的同步移位寄存器，采用CMOS工艺制成。CLK为同步脉冲输入端，STB为控制端：若STB0，则8位并行数据输出端关闭，但允许串行数据从DATA输入；若STB1，则DATA输入端关闭，但允许8位数据并行输出。,ORG 2000H MOV SCON，#00H；串行口初始化为方式0 MOV

27、 A，#80H ；最左位先亮的起始显示码送A CLR P1.0 ；关闭并行输出（避免LED产生“暗红”现象） START：MOV SBUF，A ；开始串行输出 LOOP：JNB TI，LOOP ；输出完否 CLR TI ；完了，清TI标志，以备下次发送 SETB P1.0 ；打开并行口输出 ACALL DELAY；延时一段时间 RR A ；循环右移 CLR P1.0 ；关闭并行输出 SJMP START ；循环 END,主程序： ORG 2000H MOV SCON，#00H CLR P1.0 MOV A，#80H MOV SBUF，A LOOP：SJMPLOOP,中断服务程序： ORG002

28、3H AJMPSBV ；转SBV ORG0100H SBV： SETBP1.0 ；点亮发光管 ACALLDELAY；点亮一段时间 CLRTI ；清发送中断标志 RRA ；准备点亮下一位 CLRP1.0；灭显示 MOVSBUF，A ；串行口输出 RETI DELAY： ；延时程序 END,2用串行口作异步通信接口,例10-4编程从片内RAM 20H3FH取出ASCII码数据，在最高位上添加奇偶校验位后由串行口发送，采用位数据异步通信，串行口采用方式1发送，用T1作波特率发生器，设波特率为1200bps，fosc=11.059MHz。,主程序为： MOVTMOD，#20H ；T1工作方式2 MOV

29、TL1，#0E8H ；T1计数初值 MOVTH1，#0E8H SETBTR1 ；启动T1 MOVSCON，#40H ；串行口方式1 MOVPCON，#00H；SMOD0，波特率不增倍 MOVR0，#20H MOVR7，#32H LOOP：MOVA，R0；取发送的数据 ACALLSPOUT ；调发送子程序 MOV C，P JNC ERR ；传输出错处理 INCR0 DJNZR7，LOOP ；未发送完重复 ,SPOUT：MOVC，P；设置奇校验位，P1为奇校 CPLC ；设置成奇校验 MOVACC.7，C；数据最高位加上奇校验位。 MOVSBUF，A ；启动串行口发送过程 JNBTI，$ ；等待发

30、送结束 CLRTI ；清发送中断标志 RET,串行口发送子程序：,例：甲机发送数据，乙机接收数据，采用偶校验，当接收到数据正确时，乙机送#AAH给甲机，当发送数据错误时，乙机向甲机发送#55H，甲机重新发送，发送20个数据后结束。 解：甲乙机均采用工作方式2，波特率选择为fosc/32。 甲机发送数据程序 乙机接收控制程序,例:利用串行口进行双机通信实例,1)接口电路。根据两机通信距离的远近采取不同的接口电路。,2）双机通信协议,为确保通信成功，通信双方要遵守共同约定的协议。协议内容包括双方采取一致的通信方式，一致波特率的设定，确认哪台为接收机，哪台为发送机，设定通信开始发送机的呼叫信号、接收

31、机的应答信号，通信结束的标志信号等。,分 析：,设串行口工作在方式1，进行甲机发送，乙机接收的异步通信，通信双方波特率均采用2400波特，甲机的呼叫信号为“10H”，乙机同意接收的应答信号为“20H”，不同意接收的应答信号为“30H”，正确回发0FH。发送数据的格式为：,用定时器T1工作方式2作为波特率发生器，设甲机、乙机均选用6MHz振荡频率，SMOD1，则定时器初值X为,3)编写程序：,遵照约定的通信协议，采用中断或查询方式分别编写发送程序和接收程序，存入各自的单片机系统。在许多场合，双机通信的接收方采用中断方式接收数据，以提高工作效率；发送方采用查询方式发送数据。 甲机发送子程序。 初始

32、化设定：定时器T1工作在方式2，计数初值为F3H；串行口工作方式1，允许接收；数据块首地址存放在30H、31H中，数据块长度存放在2FH中，累加和存放寄存器R6中。,甲机发送程序清单（采用查询方式）：,FORMAT_T_S：MOVTMOD，#20H MOVTH1，#0F3H MOVTL1，#0F3H SETBTR1 MOV SCON，#50H ；串行口初始化，设置工作方式1 MOV PCON，#80H ；置SMOD=1，波特率加倍 RAM：MOV DPH，31H ；数据区地址指针（高位） MOVDPL，30H ；数据区地址指针（低位） MOV R7，2FH ；数据长度送R7 MOVR6，#00

33、H ；清累加和寄存器 TX-ACK：MOVA，#10H ；甲机发呼叫信号“10H” MOVSBUF，A,WAIT1： JBC TI，RX-YES ；等待发送完一字节 SJMP WAIT1 RX-YES：JBCRI，NEXT1 SJMPRX-YES NEXT1： MOVA，SBUF；把接收到的乙机回答送A CJNEA，#20H，TX-ACK； TX-BYTES：MOVA，R7 MOVSBUF，A ADDA，R6 MOVR6，A WAIT2： JBCTI，TX-NEWS SJMPWAIT2 TX-WEWS： MOVXA，DPTR MOVSBUF，A ADDA，R6 ；形成累加和送R6 MOVR6，

34、A； INCDPTR；指针加1,WAIT3： JBCTI，NEXT2 ； SJMPWAIT3 ； NEXT2： DJNZR7，TX-NEWS ； TX-SUM： MOVA，R6 ；发累加和给乙机 MOVSBUF，A ； WAIT4：JBCRI，RX-0FH； SJMPWAIT4 ； RX-0FH：JBCRI，IF-OFH；等待乙机回答 SJMPRX-OFH IF-0FH： MOVA，SBUF CJNEA，#0FH，RAM；判断传送正确否 RET；,乙机接收子程序（乙机接收采用中断方式）,ORG 0000H LJMPFORAMT-T-S ORG 0023H LJMPSERVER ORG 0050H FORMAT-T-S：MOVTMO