09 串行通信(旧,比较全).ppt

1、1,PIC单片机技术,电子信息与电气工程系 通信教研室,2,第9章 串行通信及通用接收发送器模块,串行扩展通信接口是单片机与其它计算机之间进行数据交换的重要渠道，F877单片机主要配置有2种形式的串行通信模块： 主控同步串行通信MSSP （Master Synchronous Serial Port） 通用同步/异步收发器USART （Universal Synchronous/Asynchronous Receiver Transmitter ）。 MSSP模块主要应用于系统内部近距离的串行通信扩展，如SPI、I2C模式。USART模块主要应用于系统之间的远距离串行通信，在外围接口电路及计算

2、机通信中应用相当广泛。,3,9.1 SPI串行通信模块,SPI（Serial Peripheral Interface）是一种单片机外设芯片同步串行扩展接口，由摩托罗拉公司推出。采用SPI接口外围器件的特点是引脚性价比高等优点，因而在市场上得到了广泛的应用。,4,9.1 SPI串行通信模块,数据以字节为单位传送，每次传1个或多个字节。从高位MSB开始到低位LSB结束。 注：SDI、SDO、SS、SCK的引脚。,5,9.1.1 SPI模式下相关寄存器,在SPI模式下，有关的寄存器共有10个，其中无编址的只有一个SSPSR。这10个寄存器中有6个寄存器是与其它模块共用的。另外有4个寄存器与MSSP

3、模块相关，它们是与I2C模式共用的。,6,1SSPBUF（收/发数据缓冲器）13H,2SSPSTAT（同步串行状态寄存器）,7,Bit0/BF:缓冲器满标志位，被动参数。 SPI接收状态下： 0：缓冲器空； 1：缓冲器满。 Bit6/CKE：SPI时钟沿选择和I2C总线输入电平选择位。 在CKP = 0，空闲时钟电平为低时： 0：SCK的下降沿发送数据； 1：SCK的上升沿发送数据。 在CKP = 1, 空闲时钟电平为高时： 0：SCK的上升沿发送数据； 1：SCK的下降沿发送数据。 Bit7/SMP：SPI采样控制位兼I2C总线转换率控制位。 在SPI主控方式下： 0：在输出数据的中间采样输

4、入数据； 1：在输出数据的末尾采样输入数据。 注意：在SPI从动方式下，SMP位必须置位。,8,3SSPCON（同步串行控制寄存器）,Bit3-Bit0/SSPM3-SSPM0：同步串行口MSSP方式选择位。,9,Bit4/CPK：空闲时钟电平选择位。 0：表示空闲时时钟停留在低电平； 1：表示空闲时时钟停留在高电平。 Bit5/SSPEN：同步串口MSSP使能位。 在SPI模式下时，必须确保SCK、SDO设定为输出状态，而SDI、SS设定为输入状态。 0：关闭串行端口功能，且设定SCK、SOD、SDI和SS为普通数字I/O脚； 1：允许串行端口工作，且设定SCK、SOD、SDI和SS为SPI

5、接口专用。,10,Bit6/SSPOV：接收溢出标志位，被动参数。 0：未发生接收溢出； 1：发生接收溢出。 注意：所指的接收溢出是缓冲器SSPBUF中数据还未取出时，移位寄存器SSPSR中又收到新的数据，原SSPSR中的数据丢失。 Bit7/WCOL：写操作冲突检测位，被动参数。必须用软件予以清零。 在SPI从动方式下： 0：未发生冲突； 1：发生冲突。 注意：发生写操作冲突，是指移位寄存器SSPSR正在发送前一个数据字节时，又有新数据写入SSPBUF。,11,4SSPSR移位寄存器,直接从端口引脚接收或发送数据，将已经成功接收到的数据送到缓冲器SSPBUF中，或者从缓冲器SSPBUF读取将

6、发送的数据。,12,9.1.2 SPI模式工作原理,要发送的数据通过数据总线送入发送缓冲器，然后自动传送到移位寄存器中；移位寄存器接收到数据自动传送到接收缓冲器，然后由程序读取收到的数据；移位寄存器有移入和移出两个端口，分别与收和发两条通信线路连接，负责收发数据。,13,SPI模式电路的基本结构,14,SPI工作原理示意图,15,【例题9-1】如图9-5为8位数码显示电路，利用F877的SPI同步串行功能实现数码管数据串行传送，并通过8个74LS164组成的移位电路，达到数码数据的静态显示。 要求： 单片机数据存储器60H67H定义8个数码管的数据显示缓冲器。,16,17,ORG 0000H

7、banksel TRISC movlw B11010111;定义RC3/SCK、RC5/SDO输出、RC4/SDI输入 movwf TRISC clrf SSPSTAT ；清除SMP、CKE位 banksel SSPCON movlw B00110010 movwf SSPCON - XSH movlw 67H;设置显示缓冲区的数据地址 movwf FSR; LOOP movf INDF,W;取出数据 call BMA;查码表 call OUTXSH;利用SPI方式输出编码数据 decf FSR btfss FSR,4 ;直到8位数码全部输出 goto LOOP goto end,18,OUT

8、XSH movwf SSPBUF ;送至SSPBUF后开始逐位发送 LOOP1 banksel SSPSTAT btfss SSPSTAT,BF ;是否发送完毕。注发送数据同时接收无效数据 goto LOOP1; 否，继续查询 banksel SSPBUF movf SSPBUF,W ;移空SSPBUF return - BMA 略 return end,19,9.2 I2C串行通信模式,1980年PHILIPS公司首创I2C（Inter Integrated Circuit Bus）总线规范，已成为一种串行总线事实上的工业标准。I2C总线是一种高性能芯片间串行同步传输总线，被大量的用作系统内

9、部的电路板级总线。 它定义了两根信号线，串行数据线SDA和串形时钟线SCL，可实现双工同步数据传输，能够极其方便的构成多机系统和外围器件扩展系统。,20,9.2.1 I2C串行通信模式,I2C总线的数据传输过程，在一次通信过程中，如主控器为发送器则称主控发送器，而被控器为接收器则称被控接收器；如主控器为接收器则称主控接收器，而被控器为发送器则被控发送器。,21,1I2C数据格式,I2C数据格式有五部分组成：启动信号（SCL=1，SDA从高到低）；被控器地址（可7位或10位）；R/ W信号；若干个数据字节；停止信号（SCL=1，SDA从低到高）。,22,主控器向被控器写数据,23,主控器向被控器

10、读数据,24,2I2C地址设定,在I2C总线系统中的器件，一般都有一个专用的7位从器件地址码。地址码分为两部分，A6、A5、A4、A3为器件类型码。如存贮器为：1010，LCD点阵显示器启动器为：0111等等，不可更改统一规定。A2、A1、A0可由器件改变，所以同一类器件在I2C总线系统中最多能接8个。,25,10位地址格式,其中A9、A8是10位地址的高2位。,26,3数据传递,主控器发送数据，被控器接收数据的通信过程如下： （1）主控器在检测到总线空闲的状况下，首先发送一个启动S信号，将数据线拉低； （2）接着发送一个地址字节（包含着7位地址码和一位读/写位。1为读，0为写（设为写）； （

11、3）挂在同一I2C专线上的所有从动器件将主动与自身的识别码进行比较，只有与之匹配的从动器件才会回送一个应答信号（ACK=0）。这时主、从动器件之间建立一条专向数据通道； （4）在主控器收到该应答位后开始发送第一个数据字节； （5）在被控器收到第一个数据字节后又回送一个应答位ACK = 0； （6）在主控器收到应答位后开始发送第二个数据字节； （7）被控器收到第二个数据字节后再返送一个（非）应答位（NACK=1）ACK=0； （8）在主控器将所需发送的全部数据（在此假设是两个字节）发送完毕后，就发送一个停止P信号时序，结束整个通信过程，并且释放总线，使总线返回空闲状态。,27,28,9.2.2

12、I2C总线模式下相关的寄存器,与I2C总线有关的寄存器共有12个。其中，有6个寄存器（INTCON、PIR1、PIE1、PRI2、PIE2、TRISC）是与单片机其他模块共用。 属于I2C总线专用的两个寄存器SSPCON2和SSPADD。,29,1SSPSTAT同步串口状态寄存器,SSPSTAT用来记录MSSP模块的各种工作状态：,30,Bit0/BF：缓冲器已满标志位，被动参数。 在I2C总线方式下接收时： 0：缓冲器SSPBUF还为空； 1：缓冲器SSPBUF已经满。 在I2C总线方式下发送时： 0：数据发送已完成（不含应答和停止位），缓冲器SSPBUF已经空； 1：数据正在发送（不含应答

13、和停止位），缓冲器SSPBUF还是满的。 Bit1/UA：地址更新标志位（I2C总线10位寻址方式），由硬件自动设置。 0：不需要更新SSPADD寄存器中的地址； 1：需要更新SSPADD寄存器中的地址。,31,Bit2/R/W：读写信息位（仅用于I2C总线方式）。 该位记录最近一次地址匹配后，从地址字节中获取的读/写状态信息。它与SEN、RSEN、PEN、RCEN或ACKEN位一起，将用于显示MSSP是否处于空闲状态。该位仅仅从地址匹配到下一个启动位或停止位或非应答位被检测到的期间有效。 在I2C被控方式下： 0：写操作； 1：读操作。 在I2C主控方式下： 0：不在进行发送； 1：正在进行

14、发送。,32,Bit3/S：启动位，用于I2C总线方式，当SSPEN = 0, MSSP被关闭，该位被自动清零。 0：当前没有检测到启动位； 1：当前检测到了启动位（单片机复位时该位为0）。 Bit4/P：停止位，仅用于I2C总线方式，当SSPEN = 0，MSSP被关闭时，该位被自动清零。 0：表示当前没有检测到停止位； 1：表示当前检测到了停止位（单片机复位时该位为0）。 Bit5/D/A：数据/地址标志位（I2C总线规范有效）。 0：当前接收或发送的字节是地址； 1：当前接收或发送的字节是数据。,33,Bit6/CKE：I2C总线输入电平规范选择位或SPI时钟沿选择位。 在I2C主控和被

15、控方式下： 0：输入电平遵循I2C总线规范； 1：输入电平遵循SMBus总线规范。 Bit7/SMP：I2C总线传送率控制位或SPI采样控制位，主动参数。 在I2C主控和被控方式下： 0：传送率为快速速度模式（400kHz）； 1：传送率为标准速度模式（100kHz）。,34,2SSPCON同步串口控制寄存器,SSPCON用来对MSSP模块的多种功能和指标进行控制:,35,Bit3-Bit0/SSPM3-SSPM0：同步串口MSSP方式选择位,36,Bit4/CKP：时钟极性选择位（对于SPI模式而言）。主动参数 在I2C被控方式下，SCL时钟使能位（I2C主控下没有用）： 0：将时钟SCL线

16、拉低并保持，以延长时钟周期，来确保数据建立时间； 1：时钟正常工作。 Bit5/SSPEN：同步串口MSSP使能位。 主动参数 0：禁止串行通信功能，设定SDA和SCL为普通数字I/O引脚； 1：允许串行端口工作，设定SDA和SCL为I2C总线专用引脚。 Bit6/SSPOV：接收溢出标志位。被动参数 当接收溢出时，SSPBUF前一个数据还没被取走，又收到了新数据； 在发送方式下此位无效，必须用软件清零。 0：未发生接收溢出； 1：发生接收溢出。 Bit7/WCOL：写操作冲突检测位。 被动参数 当发生冲突时，I2C总线的状态还没有准备好时，试图向SSPBUF缓 冲器写入数据，WCOL = 1

17、，必须用软件清零。 0：未发生冲突； 1：发生冲突。,37,3SSPADD从动器件地址/波特率寄存器,在I2C主控工作方式下，该寄存器被用作波特率发生器的定时常数装载寄存器。,在I2C被控器工作方式下，用来存放从动器件的地址。在10位寻址方式下，程序需要写入高8位字节和低8位字节地址信息。注：分两次写入。,38,4 同步串口控制寄存器2-SSPCON2,主要是为增强MSSP模块I2C总线模式的主控器功能而新增加的。,39,Bit0/SEN：启动信号时序发送使能位。 0：在I2C传送线路上未出现启动信号时序； 1：在I2C传送线路上已出现启动信号（硬件自动清零）。 Bit1/RSEN：重启动信号

18、时序发送使能位。 0：在I2C传送线路上未出现重启动信号时序； 1：在I2C传送线路上已出现重启动信号（硬件自动清零）。 Bit2/PEN：停止信号时序发送使能位。 0：在I2C传送线路上未出现停止信号时序； 1：在I2C传送线路上已出现停止信号时序（硬件自动清零）。 Bit3/RCEN：接收使能位。主动参数 0：禁止I2C接收模式； 1：使能I2C接收模式。 Bit4/ACKEN：应答信号时序发送使能位，在I2C主控接收方式下： 0：表示不在SDA和SCL引脚上建立和发送应答信号时序； 1：表示在SDA和SCL上建立和发送一个带ACKDT的应答信号（硬件自动清零）。,40,Bit5/ACKD

19、T：应答信息位。 在I2C主控接收方式下，在一个字节收完之后，主控器软件应返送一个应答信号，该位就是用户软件写入的将被返送的值： 0：将发送有效应答位（ACK）； 1：将发送非应答位（NACK）。 Bit6/ACKSTAT：应答状态位。 在I2C主控方式下，硬件自动接收来自被控器的应答信号 0：收到来自被控接收器的有效应答位（或表示位）； 1：没有收到来自被控接收器的有效应答位（或表示为NACK）。 Bit7/GCEN：通用呼叫地址寻址使能位，主动参数。 0：禁止以通用呼叫地址寻址； 1：当SSPSTAT中收到通用呼叫地址（00H）时允许中断。,41,9.2.3 I2C主控模式,对SSPCON

20、寄存器中的相应SSPM置位和清零，对SSPEN置位即可使能主控工作方式，控制工作方式使能后，用户有以下六种选择 ： 送启动信号到SDA和SCL（将SEN置位）； 送重复启动信号到SDA和SCL（将RSEN置位）； 写SSPBUF寄存器启动数据或地址的传送； 送结束信号到SDA和SCL（将PEN置位）； 设置I2C端口以接收数据； 数据字节接收完成后，发出应答信号。,42,I2C在主控基本结构模块,43,9.2.4 I2C从动模式,当I2C工作在从动方式时，SDA和SCL引脚必须设置为输入，如果需要发送时，MSSP模块强行将输入状态改为输出状态。在地址匹配后，收到传送的数据后，将自动产生ACK,

21、并将SSPSR中的数据传入SSPBUF。,44,I2C从动方式电路模块结构,45,【例题9-5】图9-5 利用RC6和RC7引脚组成一个I2C同步串行功能，实现对24LC515EEPROM的串行数据传送。 RC6SCL、RC7SDA 编程要求：将64个数据00H-3FH存入24LC515的0000H-003FH单元中。 注：24LC515芯片本身支持I2C同步串行通信。地址为两个字节。,46,47,List P=16F877 Include “P16F877.INC” DEVICE EQU 2CH; 用于存放设备地址 TXBUF EQU 28H; 发送寄存器 ADDRH EQU 2AH; 24

22、LC515地址的高字节 ADDRL EQU 2BH; 24LC515地址的低字节 CNT EQU 27H; 存放一个字节的位数8 COUNTER EQU 26H; 用于存放循环变量 ORG 0000H START movlw 0A8H; 10101000 定义设备地址，最后一位为R/W movwf DEVICE movlw 00H ;定义24LC515地址的高字节 movwf ADDRH movlw 00H ;定义24LC515地址的低字节 movwf ADDRL - CALL WRBYTE ; 发送子程序 . . .,48,- ;向24LC515写入数据子程序 WRBYTE movf DEV

23、ICE,W movwf TXBUF ;设备地址送TXBUF call BSTART ;发送起始位 call TX ;发送一个字节（发送设备地址） - movf ADDRH,W ; movwf TXBUF call TX ;发送一个字节（发送芯片地址高8位） movf ADDRL,W ; movwf TXBUF call TX ;发送一个字节（发送芯片地址低8位） - movlw 00H movwf COUNTER,49,WRLOOP movf COUNTER,W movwf TXBUF call TX ; 发送一个字节 incf COUNTER ; btfss COUNTER,6; 是否已发送

24、64个数 goto WRLOOP call BSTOP ;调用发送停止位 call W_END ;调用发送结束 retlw 00H; -,50,- ;发送起始位子程序 BSTART bsf PORTC,SCL ; SCL置高电平 bsf PORTC,SDA ; SDA置高电平 banksel TRISC movlw B00111111; 设置SCL、SDA为输出 banksel PORTC NOP 延时5us bcf PORTC,SDA ;SDA从高到低（启动信号） NOP 延时5us bcf PORTC,SCL ;SCL置低电平 retlw 00H -,51,- ;字节发送子程序 TX mo

25、vlw 08H movwf CNT ;一个字节8个位，循环8次 TXLP banksel TRISC mowlw B00111111 ;设置SCL、SDA全为输出 movwf TRISC - banksel PORTC btfss TXBUF,7 ;判断发送TXBUF第7位（最高位先发送） goto BIT0 bsf PORTC,SDA ;发送1，SDA置高电平 goto CLKOUT BIT0 bcf PORTC,SDA ;发送0，SDA置低电平 - CLKOUT bsf PORTC,SCL ;SCL置高电平 nop 延时5us bcf PORTC,SCL ;SCL置低电平 rlf TXBU

26、F,f ;发送缓冲器左移一位 decfz CNT,f ;是否完成一个字节8个位的发送? goto TXLP ;否，继续,52,;-接下来准备接收ACK banksel TRISC movlw B10111111 ; SCL为输出,SDA为输入 movwf TRISC banksel PORTC ACK nop nop bcf PORTC,SCL ; SCL置低电平 nop nop nop bsf PORTC,SCL ; SCL置高电平 nop nop btfsc PORTC,SDA ;判断SDA为0或1 （ACK） goto ACK ;没有收到24LC515的反馈信号 bcf PORTC,SC

27、L ; SCL置低电平 retlw 00H -,53,- ;发送停止位子程序 BSTOP bcf PORTC,SDA ; SDA置低电平 banksel TRISC movlw B00111111 ; SCL、SDA为输出 movwf TRISC - banksel PORTC bcf PORTC,SCL ;SCL置低电平 nop nop nop ;延时3us，等待电平拉低 bsf PORTC,SCL ;SCL置高电平 nop nop nop ;延时3us，等待电平拉高 bsf PORTC ,SDA ;SDA置高电平 nop retlw 00H,54,9.3 USART串行通信模块,PIC系列

28、芯片中，片内除了含有同步串行口SSP（SPI，I2C）外，还有一个串行通信接口SCI。这是一个通用同步异步收发器，简称USART，它是计算机最常用的通信接口之一。 USART可工作于如下三种方式：全双工异步方式；半双工同步主控方式；半双工同步从动方式。,55,9.3.1与USART模块相关的寄存器,1发送状态兼控制寄存器：TXSTA 2接收状态兼控制寄存器：RCSTA 3USART发送缓冲寄存器： TXREG 4USART接收缓冲寄存器 ：RCREG 5PIE寄存器 6PIR寄存器,56,1发送状态兼控制寄存器TXSTA,57,Bit0/TX9D：发送数据的第9位（9位数据帧结构）。 0：不发

29、送9位数据； 1：发送9位数据帧。 Bit1/TRMT：发送移位寄存器（TSR）“空”标志位。 0：发送移位寄存器满； 1：发送移位寄存器空。 Bit2/BRGH：高波特率选择位。 异步模式下： 0：低速； 1：高速。 同步方式下，未用。 Bit4/SYNC：USART同步/异步模式选择位。 0：选择异步模式（USAT）； 1：选择同步模式（USRT）。,58,Bit5/TXEN：发送使能位。 0：关闭发送功能； 1：使能发送功能。 Bit6/TX9：发送数据长度选择位。8位数据加1位校验或标识位。 0：8位数据位发送； 1：9位数据发送。 Bit7/CSRC：时钟源选择位。 同步模式下： 0

30、：选择被控（从属）模式（时钟来自外部输入信号）； 1：选择主控模式（时钟来自内部波特率发生器）。 异步模式下，未用。,59,2. 接收状态兼控制寄存器RCSTA,Bit0/RX9D：所接收数据的第9位，可作校验位或标识位等。 Bit1/OERR：溢出标志位（overruan error bit ）。 0：未发生溢出错误； 1：发生了溢出错误。 Bit2/FERR：帧格式错误标志位，被动参数。 0：无帧格式错误； 1：有帧格式错误。,60,Bit3/ADDEN：地址匹配检测使能位; 接收数据选择9位时，该位才起作用。 0：取消地址匹配检测功能； 1：启用地址匹配检测功能。 Bit4/CREN：连

31、续接收使能位。 异步模式下： 0：禁止连续接收功能； 1：使能连续接收功能。 同步模式下： 0：关闭连续接收； 1：使能连续接收，直到该未被清0为止。优先于SREN位。,61,Bit5/SREN：单字节接收使能位。 同步方式下： 0：禁止单字节接收功能； 1：使能单字节接收功能。 异步方式下未用，并且在同步从属接收方式下该位也无用。接收完成后该位即被清零。 Bit6/RX9：接收数据长度选择位。 0：选择接收8位数据； 1：选择接收9位数据。 Bit7/SPEN：串行端口使能位。 0：禁止串行端口工作； 1：允许串行端口工作。 此时，RC7和RC6作为USART的接收发送引脚。,62,3TXR

32、EG，USART发送缓冲寄存器,每次发送的数据都是通过写入该缓冲器来实现的。,63,4RCREG，USART接收缓冲寄存器,每次接收到的数据都可从该缓冲器读取出来的。,64,5SPBRG波特率寄存器,SPBRG寄存器的设定值（0-255）与波特率成反比关系。在同步方式下，波特率仅由该寄存器来决定；而在异步方式下，则由BRGH位（TXSTA寄存器的bit2）和该寄存器共同确定。,65,9.3.2 USART波特率发生器,USART模块带有一个波特率发生器BRG（baud rate generator），用以产生串行传送所需的时钟，它支持USART的同步方式和异步方式。在异步方式下，BRGH位用来

33、控制波特率。在同步方式下， BRGH位不起作用。 波特率发生器的逻辑结构如图10-24。其核心实际是一个递减的位二进制计数器，其计数初始值是由寄存器SPBRG装入，在每次递减计数器到达00H之后的下一个计数脉冲到来时进行装入。系统时钟经过位分频器后作为传递计数器的计数脉冲，其分频比可以由BRGH位和SYNC位设定为:、:16、或:。,66,波特率时钟发生器示意图,67,其波特率计算方式如下：,1同步方式 波特率fosc/4（N+1） Nfosc/（4波特率）- 注意，N为SPBRG寄存器的初始值；BRGH必须设置为0，BRGH为1无用。 2异步方式 BRGH=0时： 波特率fosc/64（N+

34、1） Nfosc/（64波特率）- BRGH=1时： 波特率fosc/16（N+1） Nfosc/（16波特率）-,68,【例题9-4】在某应用系统中，采用4800波特进行异步通信。假设单片机时钟频率为fosc20MHZ，低速方式（BRGH=0）。,69,9.4 USART的异步模式,USART在异步模式下采用的数据格式为l位起始位、8位或9位数据位和1位停止位，无奇偶校验码位（硬件不支持），常用的数据为8位。片内提供的8位波特率发生器BRG，可以利用系统时钟信号产生标准的波特率频率。,70,9.4.1 USART异步发送模式,USART发送器主要是由发送移位寄存器(TSR)、发送缓冲器TXR

35、EG构成。USART异步发送过程如下：要发送的数据送入TXREG中，寄存器TXREG中的数据就被装入TSR。一旦把TXREG中的数据送入TSR，就将中断标志位TXIF置位。TXIF置位后，不能用软件清除，只有在下一个要发送的数据送入TXREG后TXIF才能复位。,71,USART异步发送其结构示意图,72,9.4.2 USART异步接收模式,主要是由接收移位寄存器RSR和接收寄存器RCREG构成，串行信号从RC7RXDT引脚接收，送入移位寄存器RSR。一旦收到停止位，RSR就将收到的8位数据装载到RCREG中。同时，RCIF置1，表示收到一个数据，当RCREG被读出时RCIF被清零。从图中看出，RCREG是一个双缓冲寄存器，具有FIFO性质