单片机串行数据通信技术研讨(ppt 61页).ppt

1、单片机串行数据通信技术,第八章,教学内容,8.1 串行通信基础知识 8.2 MCS-51的串行口及控制寄存器 8.3 MCS-51串行通信工作方式及其应用 8.4 单片机多机通信 8.5 PC机与8051间的通信,一、数据通信的概念 在实际工作种，计算机的CPU与外部设备之间常常要进行信息交换，一台计算机与其他计算机也往往要交换信息，所有这些信息交换均可称为通信。通信实际上也是计算机的数据的传送。 数据通信方式有两种：并行数据通信和串行数据通信，如下图所示。 串行数据通信是指数据按位顺序进行传送的通信方式。其特点是：数据传送是一位一位进行传送的，最少只需一根传输线即可完成，成本低但速度慢。计算

2、机与外界的数据传送大多数是串行的，其传送的距离可以从几m到几千km。下图 两种通信方式连接 并行数据传送是指数据的各位同时进行传送的通信方式。其特点是：各数据位同时传送，传送速度快、效率高。但并行数据传送有多少数据位就需多少根数据线，因此传送成本高。并行数据传送的距离通常小于30m，在计算机内部的数据传送都是并行的。,8.1 串行通信基础知识,图8-1 两种通信方式连接,8.1 串行通信基础知识,一、异步串行通信的字符格式,异步串行通信以字符为单位，即一个字符一个字符的传送。,8.1 串行通信基础知识, 奇偶效验位用于对字符的传送作正确性检查，因此奇偶效验位是可选择的，共有3种可能，即奇效验、

3、偶效验和无效验，由用户根据需要选定。, 起始位开始一个字符的传送的标志位。起始位使数据线处于“0”状态。, 数据位起始位之后传送的数据信号位。在数据位中，低位在前（左）高位在后（右）。由于字符编码方式的不同，数据位可以是5、6、7或8位。, 停止位用以标志一个字符的结束，它对应于“1”状态。停止位在一帧的最后，它可能是1、1.5或2位，在实际中根据需要确定。,8.1 串行通信基础知识, 位时间一个格式位的时间宽度。, 帧（frame）从起始位开始到停止位结束的全部内容称之为一帧。帧是一个字符的完整通信格式，因此也就把串行通信的字符格式称之为帧格式。,8.1 串行通信基础知识,同步通信下图 同步

4、通信的数据格式 同步通信中，在数据开始传送前用同步字符来指示（常约定12个），并由时钟来实现发送端和接收端同步，即检测到规定的同步字符后，下面就连续按顺序传送数据，直到通信告一段落。同步传送时，字符与字符之间没有间隙，也不用起始位和停止位，仅在数据块开始时用同步字符SYNC来指示，其数据格式如图8-3所示。 同步字符的插入可以是单同步字符方式或双同步字符方式，如图8-3所示，然后是连续的数据块。同步字符可以由用户约定，当然也可以采用ASCII码中规定的SYN代码，即16H。按同步方式通信时，先发送同步字符，接收方检测到同步字符后，即准备接收数据。,二、同步串行通信,8.1 串行通信基础知识,图

5、8-3 同步通信的数据格式,在同步传送时，要求用时钟来实现发送端与接收端之间的同步。为了保证接收正确无误，发送方除了传送数据外，还要把时钟信号同时传送。 同步传送的优点是可以提高传送速率（达56kbps或更高），但硬件比较复杂。,8.1 串行通信基础知识,三、串行通信的数据通路形式,1、单工（Simplex）形式 单工形式的数据传送是单向的，通信双方中一方固定为接收端。单工形式的串行通信，只需要一条数据线，如图所示,8.1 串行通信基础知识,2、半双工（Half-duplex）形式 半双工形式的数据传送也是双向的，但任何时刻只能由其中的一方发送数据，另一方接收数据。因此半双工形式既可以使用一条

6、数据线，也可以使用两条数据线，如上图所示。,3、全双工（Full-duplex）形式 全双工形式的数据传送是双向的，且可以同时发送和接收数据，因此全双工形式的串行通信需要两条数据线，如上图所示。,8.1 串行通信基础知识,四、异步串行通信的信号形式,1、近程通信,近程通信又称本地通信。,近程通信采用数字信号直接传送形式，即在传送过程中不改变原数据代码的波形和频率。这种数据传送方式称之为基带传送方式。,计算机内部的数据信号是TTL电平标准，而通信线上的数据信号却是RS232C电平标准。然而，尽管电平标准不同，但数据信号的波形和频率并没有改变。近程串行通信只需用传输线把两端的接口电路直接连起来即可

7、实现，既方便又经济。,8.1 串行通信基础知识,8.1 串行通信基础知识,2、远程通信,在远程串行通信中，应使用专用的通信电缆，但出于经济上的考虑也可以使用电话线作为传输线。,远距离直接传送数字信号，信号会发生畸变，因此要把数字信号变为模拟信号再进行传送。信号形式的转变通常使用频率调制法，即以不同频率的载波信号代表数字信号的两种不同电平状态。这种数据传送方式就称为频带传送方式。,8.1 串行通信基础知识,五、波特率和接收/发送时钟,（一）波特率 波特率，即数据传送速率，表示每秒钟传送二进制代码的位数，它的单位是位/秒（bps）。波特率对于CPU与外界的通信是很重要的。假设数据传送速率是120b

8、ps，而每个字符格式包含10个代码位（1个起始位、1个终止位、8个数据位），这时传送的波特率为： l0l20bps=1 200bps 每一位代码的传送时间td为波特率的倒数。 波特率是衡量传输通道频宽的指标，它和传送数据的速率并不一致。如上例中，因为除掉起始位和终止位，每一个数据实际只占8位，所以数位的传送速率为： 8120bps =960bps 异步通信的传送速度在509 200bps之间，常用于计算机到终端机和打印机之间的通信、直通电报以及无线电通信的数据发送等。,8.1 串行通信基础知识,（二）接收/发送时钟 在串行通信过程中二进制数字系列以数字信号波形的形式出现，不论接收还是发送，都必

9、须有时钟信号对传送的数据进行定位。接收/发送时钟就是用来控制通信设备接收/发送字符数据速度的，该时钟信号通常由微机内部时钟电路产生。 在接收数据时，接收器在接收时钟的上升沿对接收数据采样，进行数据位检测；在发送数据时，发送器在发送时钟的下降沿将移位寄存器的数据串行移位输出。如下图所示。 接收/发送时钟频率与波特率有如下关系： 收/发时钟频率 = n收/发波特率 收/发波特率 其中频率系数n=1, 16, 64。 对于同步传送方式，必须取n=l，即接收/发送时钟的频率等于收/发波特率。对于异步传送方式, n=1，16，64，即可以选择的接收/发送时钟频率是波特率的1，16或64倍。因此，可由要求

10、的传送波特率及所选择的倍数n来确定接收/发送时钟的频率。,8.1 串行通信基础知识,（a）接收时钟 （b）发送时钟 图8-7 接收/发送时钟,8.1 串行通信基础知识,（三）允许的波特率误差,六、串行通信的过程及通信协议 （一）串-并转换与设备同步,发送时的串-并转换,8.1 串行通信基础知识,接收时的串-并转换,8.1 串行通信基础知识,（二）串行通信协议,1起始位 当通信线上没有数据被传送时处于逻辑“1”状态。当发送设备要发送一个字符数据时，首先发出一个逻辑“0”信号，这个逻辑低电平就是起始位。起始位通过通信线传向接收设备，接收设备检测到这个逻辑低电平后，就开始准备接收数据位信号。起始位所

11、起的作用就是使设备同步，通信双方必须在传送数据位前协调同步。 2数据位 当接收设备收到起始位后，紧接着就会收到数据位。数据位的个数可以是5、6、7或8，PC机中经常采用7位或8位数据传送，8051串行口采用8位或9位数据传送。这些数据位被接收到移位寄存器中，构成传送数据字符。在字符数据传送过程中，数据位从最低有效位开始发送，依次在接收设备中被转换为并行数据。,8.1 串行通信基础知识,3奇偶校验位 数据位发送完之后，便可以发送奇偶校验位。奇偶校验用于有限差错检测，通信双方应约定一致的奇偶校验方式。如果选择偶校验，那么组成数据位和奇偶位的逻辑“1”的个数必须是偶数；如果选择奇校验，那么逻辑“1”

12、的个数必须是奇数。,4停止位约定 在奇偶位或数据位(当无奇偶校验时)之后发送的是停止位。停止位是一个字符数据的结束标志，可以是1位、1.5位或2位的低电平。接收设备收到停止位之后，通信线路上便又恢复逻辑“1”状态，直至下一个字符数据的起始位到来。,8.1 串行通信基础知识,5. 波特率设置 通信线上传送的所有位信号都保持一致的信号持续时间，每一位的宽度都由数据传送速率确定，而传送速率是以每秒多少个二进制位来度量的，这个速率叫波特率。如果数据以每秒300个二进制位在通信线上传送，那么这个传送速率为300bps。 6. 软件挂钩（握手）信号约定,8.1 串行通信基础知识,七、RS-232C总线标准

13、 标准异步串行通信接口有以下几类: RS-232C，RS-232E； RS-449（RS-422, RS-423和RS-485）； 20mA电流环； USB通用接口。 所谓标准接口，就是明确定义若干信号线，使接口电路标准化、通用化，借助串行通信标准接口，不同类型的数据通信设备可以很容易实现它们之间的串行通信连接。,8.1 串行通信基础知识,RS-232C标准中的许多信号是为通信业务联系或信息控制而定义的，在计算机串行通信中主要使用如下信号:下图 DB25连接器机械结构图 （1）数据传送信号 发送数据（TXD） 接收信号（RXD） （2）调制解调器控制信号 请求发送（RTS） 清除发送（CTS）

14、 数据通信设备准备就绪（DSR） 数据终端设备准备就绪（DTR） （3）定位信号 接收时钟（RXC） 发送时钟（TXC） （4）信号地和保护,8.1 串行通信基础知识, 除信号定义外，RS-232标准的其他规定还有： RS-232C是一种电压型总线标准，以不同极性的电压表示逻辑值： 325V表示逻辑l（mark） 3 +25V表示逻辑0（space） 标准数据传送速率有50、75、110、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200bps。表8-1 RS-232信号引脚定义 采用标准的25芯插头座（DB-25）进行连接，因此该插头座也称之为RS-232C连接器，D

15、B25连接器机械结构见下图。,8.1 串行通信基础知识,表8-1 RS-232信号引脚定义,8.1 串行通信基础知识,八、串行接口电路通用的异步接收/发送器(UART),8.1 串行通信基础知识,图8-11 URAT基本组成框图,8.1 串行通信基础知识,现把UART的主要功能综述如下,1数据的串行化/反串行化 所谓串行化处理就是把并行数据变换为串行数据。所谓反串行化就是把串行数变换为并行数据。在UART中，完成数据串行化的电路属发送器，而实现数据反串行化处理的电路则属接收器。 2格式信息的插入和滤除 格式信息是指异步通信格式中的启始位、奇偶位和停止位等。在串行化过程中，按格式要求把格式信息插

16、入，与数据位一起构成串行数据位串，然后进行串行数据传送。在反串行化过程中，则把格式信息滤除而保留数据位。 3错误检验 错误检验的目的在于检验数据通信过程是否正确。在串行通信中可能出现的错误包括奇偶错和帧错等。,8.1 串行通信基础知识,MCS-51串行口寄存器结构 串行口寄存器结构 MCS-51单片机串行口中寄存器的基本结构如下图所示。 图中SBUF是串行口的缓冲寄存器，它是一个可寻址的专用寄存器，其中包括发送寄存器和接收寄存器，以便能以全双工方式进行通信。这两个寄存器有同一地址（99H）。串行发送时，向SBUF写入数据；串行接收时，从SBUF读出数据。 此外，在接收寄存器之前还有移位寄存器，

17、从而构成了串行接收的双缓冲结构，以避免在数据接收过程中出现帧重叠错误。与接收数据情况不同，发送数据时，由于CPU是主动的，不会发生帧重叠错误，因此发送电路就不需双重缓冲结构。,8.2 MCS-51的串行口及控制寄存器,图8-12 MCS-51串行口寄存器结构,8.2 MCS-51的串行口及控制寄存器,一、串行口寄存器结构,8.2 MCS-51的串行口及控制寄存器,在接收方式下，串行数据通过引脚RXD（P3.0）进入。由于在接收寄存器之间还有移位寄存器，从而构成了串行接收的双缓冲结构，以避免在数据接收过程中出现帧重叠错误，即在下一帧数据来时，前一帧数据还没有读走。,在发送方式下，串行数据通过TX

18、D（P3.1）送出。与接收数据情况不同，发送数据时，由于CPU是主动的，不会发生帧重叠错误，因此发送电路就不需双重缓冲结构，这样可以提高数据发送速度。,8.2 MCS-51的串行口及控制寄存器,二、串行通信控制寄存器,1、串行控制寄存器SCON （99H）,8.2 MCS-51的串行口及控制寄存器,SM2是多机通信控制位。因多机通信是在方式2和方式3下进行，所以SM2位主要用于方式2和方式3。当串行口以方式2或方式3接收时，如SM2 = 1，则只有当接收到的第9位数据（RB8）为“1”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；否则，将接收到的前8位数据丢弃。而当SM2 =

19、 0时，不论第9位数据为“0”还是为“1”，都将前8位数据装入SBUF中，并产生中断请求。,在方式1时，若SM2 = 1，则只有接收到有效停止位时，RI才置1，以便接收下一帧数据。,在方式0时，SM2必须为0。,REN是允许接收位，当REN = 1时，允许接收数据，当REN = 0时，禁止接收数据。该位由软件置位或复位。,8.2 MCS-51的串行口及控制寄存器,TB8是发送数据的第9位。在方式2、3时，其值由用户通过软件设置。在双机通信时，TB8一般作为奇偶效验位使用；在多机通信中，常以TB8位的状态表示主机发送的是地址帧还是数据帧，且一般约定：TB8 = 0为数据帧，TB8 = 1为地址帧

20、。,RB8是接收数据第9位。在方式2、3时，RB8存放接收到的第9位数据，它代表接收到数据的特征：可能是奇偶效验位，也可能是地址/数据的标志位。,TI是发送中断标志位。在方式0时，发送完第8位后，该位由硬件置位。在其它方式下，于发送停止位之前，由硬件置位。,8.2 MCS-51的串行口及控制寄存器,TI = 1表示帧发送结束，其状态既可供软件查询使用，也可请求中断。发送中断被响应后，TI不会自动复位，必须由软件复位。,RI是接收中断标志位。在方式0时，接收完第8位数据后，该位由硬件置位。在其它方式下，当接收到停止位时，该位由硬件置位。因此，RI = 1表示帧接收结束。其状态既可供软件查询使用，

21、也可以请求中断。RI亦必须由软件清“0”。,2、电源控制寄存器PCON,电源控制寄存器是为CHMOS型单片机（如80C51）的电源控制而设置的专用寄存器。字节地址为87H。其格式如下：,8.2 MCS-51的串行口及控制寄存器,在HMOS的单片机中，该寄存器中除最高位之外，其它位都没有定义。最高位（SMOD）是串行口波特率的倍增位，当SMOD=1时，串行口波特率加倍。系统复位时，SMOD=0。,3、中断允许寄存器IE,ES=0 禁止串行中断 ES=1 允许串行中断,8.2 MCS-51的串行口及控制寄存器,8.2 MCS-51的串行口及控制寄存器,一、串行口工作方式0,在方式0下,是把串行口作

22、为同步移位寄存器使用,这时以RXD(P3.0)端作为数据移位的入口和出口,而由TXD(P3.1)端提供移位时钟脉冲.移位数据的发送和接收以8位为一组,低位在前高位在后。,1、数据的发送与接收,8.3 MCS-51串行通信工作方式及其应用,DATA CD4094 CLK STB,80C51 RXD TXD P1.0,串行移位输出电路,8.3 MCS-51串行通信工作方式及其应用,串行移位输出电路连接 使用CD4094的并行输出端接8只发光二极管，利用它的“串入并出”功能，把发光二极管从左向右依次点亮， 并反复循环。假定发光二极管为共阴极型，则电路连接如上图所示。 当串行口把8位状态码串行移位输出

23、后，TI置1。如把TI作为状态查询标志，则使用查询方法完成的参考程序如下：,8.3 MCS-51串行通信工作方式及其应用,8.3 MCS-51串行通信工作方式及其应用,二、串行口工作方式1,方式1是10位为一帧的异步串行通信方式。共包括1个起始位，8个数据位和1个停止位。其帧格式为：, 数据的发送与接收,方式1的数据发送是由一条写发送缓冲器（SBUF）的指令开始的，随后在串行口由硬件自动加入起始位和停止位，构成一个完整的帧格式，然后在移位脉冲的作用下，由TXD端串行输出。一个字符帧发送完后，使TXD输出线维持在“1”状态下，并将SCON寄存器的TI置“1”，通知CPU可以接着发送下一个字符。,

24、8.3 MCS-51串行通信工作方式及其应用,接收数据时，SCON的REN位应处于允许接收状态（REN = 1）。在此前提下，串行口采样RXD端，当采样到从“1”向“0”的状态跳变时，就认定是接收到起始位。随后在移位脉冲的控制下，把接收到的数据位移入接收缓冲器（SBUF）中。直到停止位到来之后把停止位送入RB8中，并置位中断标志位RI，通知CPU从SBUF取走接收到的一个字符。, 波特率的设定,方式0的波特率是固定的（fosc/12），但方式1的波特率则是可变的。若以定时器 1作波特率发生器，则 方式1的波特率=,当定时器1作波特率发生器使用时，选用定时方式2。之所以选择工作方式2，是因为方式

25、2具有自动加载功能，可以避免通过程序反复装入初值所引起的定时误差，使波特率更稳定。,8.3 MCS-51串行通信工作方式及其应用,假定计数初值为X，则定时器1溢出周期为：,溢出率为溢出周期的倒数。故波特率计算公式为：,实际使用时，总是先确定波特率，再计算定时器1的计数初值，然后进行定时器的初始化。根据上述波特率计算公式，得出计数初值的计算公式为：,8.3 MCS-51串行通信工作方式及其应用,三、 串行工作方式2和方式3,方式2,方式2是11位为一帧的串行通信方式。,在方式2下，字符还是8个数据位，只不过增加了一个第9数据位（D8），而且其功能由用户确定，是一个可编程位。,8.3 MCS-51

26、串行通信工作方式及其应用,在发送数据时，应预先在SCON的TB8位中把第9数据位的内容准备好。这可使用如下指令完成：,SETB TB8；TB8位置“1” CLR TB8；TB8位置“0”,发送数据（D0D7）由MOV指令向SBUF写入，而D8位的内容则由硬件电路从TB8中直接送到发送移位寄存器的第9位，并以此来启动串行发送。一个字符帧发送完毕后，将TI位置“1”，其它过程与方式1相同。,方式2的接收过程也与方式1基本相似，所不同的只在第9数据位上。,8.3 MCS-51串行通信工作方式及其应用,方式2，串行口把接收到的前8个数据位送入SBUF，把第9数据位送入RB8。,方式2的波特率是固定的，

27、且有两种。一种是晶振频率的三十二分之一；另一种是晶振频率的六十四分之一 。, 方式3,方式3同样是11位为一帧的串行通信方式，其通信过程与方式2完全相同，所不同的仅在于波特率。,方式3的波特率可由用户根据需要设定，其设定方法与方式1相同。,8.3 MCS-51串行通信工作方式及其应用,单片机的多机通信是指一台主机和多台从机之间的通信，其连接如 从主机发送的信息可传送到各个从机或指定的从机，而各从机发送的信息只能被主机接收。由于通信直接以TTL电子进行，因此主从机之间的连线以不超过1m为宜。此外，各从机要进行编址，以便主机能按地址寻找通信伙伴。多机通信时，主机向从机发送的信息分地址和数据两类。以

28、第9数据位作区分标志，为0时表示数据，为1时表示地址。,8.4 单片机多机通信,把多机通信的过程总结如下： 1）全部从机初始化为工作方式2或方式3，置位SM2 ，允许中断。 2）主机置位RB8 ，发送要寻址的从机地址。 3）所有从机均接收主机发送的地址，并各自进入中断服务程序，进行地址比较。 4）被寻址的从机确认后，把自身的SM2 清0，并向主机返回地址供主机核对。 5）核对无误后，主机向被寻址的从机发送命令，通知从机是进行数据接收还是进行数据发送。 6）主从机之间进行数据通信。,8.4 单片机多机通信,从机状态字格式为：,其中：ERR=1，从机接收到非法命令； TRDY=1，从机发送准备就绪； RRDY=1，从机接收准备就绪。,通信程序包括主机程序和从机程序两部分。,应用举例主从式多机通信,8.4 单片机多机通信,主机程序,N,接收数据块,N,Y,Y,主机子程序,命令从机复位,从机应答,发送命令字,从机应答,N,