第五章串行接口

第一節(jié)串行通信概述

第二節(jié)MCS-51單片機(jī)的串行接口

第三節(jié)串行口應(yīng)用舉例

第一節(jié)串行通信概述

一、數(shù)據(jù)通信的概念

基本的數(shù)據(jù)通信方式有兩種，即并行通信和串行通信:并行通信數(shù)據(jù)的各位同時(shí)進(jìn)行傳送(發(fā)送或接收)的通信方式。其優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳送速度快；缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)有多少位，就需要多少根傳送線。串行通信數(shù)據(jù)的各位一位一位順序傳送的通信方式。其優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳送線少.缺點(diǎn)是傳送速度較低.二、串行通信中數(shù)據(jù)的傳送方向串行通信中數(shù)據(jù)的傳送方向有三種:1.單向(或單工)配置:只允許數(shù)據(jù)向一個(gè)方向傳送；2.半雙向(或半雙工)配置:允許數(shù)據(jù)向兩個(gè)方向中的任一方向傳送，但每次只允許一個(gè)方向傳送;3.全雙向(全雙工)配置:允許數(shù)據(jù)同時(shí)雙向傳送.三、異步通信和同步通信1．異步通信在異步通信中，數(shù)據(jù)是一幀一幀(包含一個(gè)字符代碼或一字節(jié)數(shù)據(jù))傳送的，每一串行幀的數(shù)據(jù)格式如圖5-3所示。在幀格式中，一個(gè)字符由四個(gè)部分組成：起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位和停止位。即首先是一個(gè)起始位“0”，然后是5～8位數(shù)據(jù)(規(guī)定低位在前，高位在后)，接下來是奇偶校驗(yàn)位(可省略)，最后是停止位“1”。2．同步通信在同步通信中，數(shù)據(jù)開始傳送前用同步字符來指示(常約定1～2個(gè))，并由時(shí)鐘來實(shí)現(xiàn)發(fā)送端和接收端同步，即檢測到規(guī)定的同步字符后，下面就連續(xù)按順序傳送數(shù)據(jù)，直到通信告一段落。在同步傳送時(shí)，要求用時(shí)鐘來實(shí)現(xiàn)發(fā)送端與接收端之間的同步。為了保證接收正確無誤，發(fā)送方除了傳送數(shù)據(jù)外，還要把時(shí)鐘信號同時(shí)傳送。四、串-并轉(zhuǎn)換問題

在MCS-51單片機(jī)中，串-并、并-串轉(zhuǎn)換是由串行口的移位寄存器來自動完成的五、串行通信協(xié)議

通信協(xié)議是對數(shù)據(jù)傳送方式的規(guī)定，包括數(shù)據(jù)格式定義和數(shù)據(jù)位定義等。通信方式必須遵從統(tǒng)一的通信協(xié)議。1．起始位:當(dāng)通信線上沒有數(shù)據(jù)被傳送時(shí)，通信線應(yīng)處于邏輯“1”狀態(tài)（高電平）。當(dāng)發(fā)送設(shè)備要發(fā)送一個(gè)字符數(shù)據(jù)時(shí)，首先發(fā)出一個(gè)邏輯“0”信號（低電平），這個(gè)邏輯低電平就是起始位。2．?dāng)?shù)據(jù)位:當(dāng)接收設(shè)備收到起始位后，緊接著就會收到數(shù)據(jù)位。

3．奇偶校驗(yàn)位:。奇偶校驗(yàn)用于有限差錯(cuò)檢測，通信雙方應(yīng)約定一致的奇偶校驗(yàn)方式.如果選擇偶校驗(yàn)，那么組成數(shù)據(jù)位和奇偶位的邏輯“1”的個(gè)數(shù)必須是偶數(shù)；如果選擇奇校驗(yàn)，那么邏輯“1”的個(gè)數(shù)必須是奇數(shù)。4．停止位約定:停止位是一個(gè)字符數(shù)據(jù)的結(jié)束標(biāo)志，可以是1位或多位的高電平。5．波特率設(shè)置:每秒傳送多少個(gè)二進(jìn)制位，叫波特率，它的單位是位/秒(b/s或bps)。6．允許的波特率誤差：對于常用的8位、9位和11位一幀的串行傳送，其最大的波特率允許誤差分別為6.25％、5.56％和4.5％。六、串行通信的校驗(yàn)

(1)奇偶校驗(yàn)(2)和校驗(yàn)(3)循環(huán)冗余碼校驗(yàn)

第二節(jié)MCS-51單片機(jī)的串行接口

一、MCS-51串行口的結(jié)構(gòu)

MCS-51單片機(jī)內(nèi)部的串行口有兩個(gè)物理上獨(dú)立的接收、發(fā)送緩沖器SBUF，可同時(shí)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。發(fā)送緩沖器只能寫入不能讀出，接收緩沖器只能讀出不能寫入。兩個(gè)緩沖器占用同一個(gè)地址(99H)?？刂芃CS-51單片機(jī)串行口的控制寄存器共有兩個(gè)，即特殊功能寄存器SCON和PCON。

1．串行口控制寄存器SCON

（字節(jié)地址為98H）

D7D6D5D4D3D2D1D0SCONSM0SM1SM2RENTB8RB8TIRI位地址9F9E9D9C9B9A9998SCON中的各位含義如下：

M0、SM1：串行口的工作方式選擇位

SM0SM1工作方式功能說明波特率000110110123移位寄存器方式（用于擴(kuò)展I/O口）10位異步收發(fā)方式11位異步收發(fā)方式11位異步收發(fā)方式fosc/12由T1控制fosc/64或fosc/32由T1控制SM2：多機(jī)通信控制位。在方式2或方式3中，如果SM2=1，則接收到的第9位數(shù)據(jù)(RB8)為0時(shí)不激活RI，接收到的數(shù)據(jù)丟失；只有當(dāng)收到的第9位數(shù)據(jù)(RB8)為１時(shí)才激活RI，向CPU申請中斷。如果SM2=0，則不論收到的第9位數(shù)據(jù)(RB8)為1還是為0，都會將接收的前8數(shù)據(jù)裝入SBUF中。在方式1時(shí)，如果SM2=1，則只收到有效的停止位時(shí)才會激活RI；若沒有接收到有效的停止位，則RI清零。在方式0中，SM2必須為0。

REN：允許串行接收控制位。由軟件置位以允許接收，由軟件清零時(shí)禁止接收。TB8：在方式2和方式3時(shí)為要發(fā)送的第9位數(shù)據(jù)。根據(jù)需要由軟件置位和復(fù)位。在多機(jī)通信時(shí)，TB8的狀態(tài)用來表示主機(jī)發(fā)送的是地址或是數(shù)據(jù)，通常協(xié)議規(guī)定“0”表示數(shù)據(jù)，“1”表示地址。RB8：在方式2和方式3時(shí)為接收到的第9位數(shù)據(jù)。RB8和SM2、TB8一起，常用于通信控制。在方式1時(shí)，如果SM2=0，RB8接收到的是停止位。在方式0，不使用RB8。

TI：發(fā)送中斷標(biāo)志位。由片內(nèi)硬件在方式0串行發(fā)送第8位結(jié)束時(shí)置位，或在其他方式串行發(fā)送停止位的開始時(shí)置位。必須由軟件清零。RI：接收中斷標(biāo)志位。由片內(nèi)硬件在方式0串行接收到第8位結(jié)束時(shí)置位，或在其他方式串行接收到停止位的中間時(shí)置位。必須由軟件清零。

2．電源控制寄存器PCON]PCON寄存器的D7位為SMOD，稱波特率倍增位。即當(dāng)SMOD=1時(shí)，波特率加倍；當(dāng)SMOD=0時(shí)，波特率不加倍。

二、串行口的工作方式1．方式0在方式0狀態(tài)下，串行口為同步移位寄存器輸入/輸出方式，其波特率固定為fosc/12。數(shù)據(jù)由RXD(P3.0)端輸入或輸出，同步移位脈沖由TXD(P3.1)端輸出，發(fā)送、接收的是8位數(shù)據(jù)，低位在先，高位在后。（1）方式0發(fā)送當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)寫入串行口發(fā)送緩沖器SBUF時(shí)，串行口將8位數(shù)據(jù)以fosc/12的波特率從RXD引腳輸出(從低位到高位)，發(fā)送完成后將中斷標(biāo)志TI置1，TXD引腳輸出同步脈沖.其波形如圖5-6所示。

（2）方式0接收在滿足REN=1和RI=0的條件下，就會啟動一次接收過程，此時(shí)RXD為串行輸入端，TXD為同步脈沖輸出端。串行接收的波特率為振蕩頻率fosc的1/12，其時(shí)序如圖5-7所示。當(dāng)接收完一幀數(shù)據(jù)(8位)后，控制信號復(fù)位，中斷標(biāo)志RI被置位，呈中斷申請狀態(tài)。當(dāng)再次接收時(shí)，必須通過軟件將RI清零。圖5-6方式0發(fā)送時(shí)序

圖5-7方式0接收時(shí)序

2．方式1當(dāng)SCON中的SM0SM1=01時(shí)，串行口以工作方式1工作，此時(shí)串行口為10位異步通信接口。一幀信息為10位：1位起始位，8位數(shù)據(jù)位(低位在先)和1位停止位。TXD為發(fā)送端，RXD為接收端，波特率可變。（1）方式1發(fā)送串行口以方式1發(fā)送時(shí)，數(shù)據(jù)由TXD端輸出，CPU執(zhí)行一條寫入SBUF的指令就會啟動串行口發(fā)送，發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)信息時(shí)，發(fā)送中斷標(biāo)志TI置1。

2）方式1接收當(dāng)REN=1時(shí)，接收器便以所選用的波特率的16倍速率采樣RXD引腳狀態(tài)，當(dāng)采樣到RXD端從1到0的跳變時(shí)就啟動接收，接收的值是三次采樣中至少兩次相同的值，保證可靠無誤.在起始位，如果接收到的值不為0，則起始位無效，復(fù)位接收電路，當(dāng)再次接收到從1到0的跳變時(shí)重新啟動接收器；如果接收值為0，起始位有效，接收器開始接收本幀的其余信息(一幀信息為10位)。在方式1接收中若同時(shí)滿足以下兩個(gè)條件：RI=0SM2=0或接收到的停止位為1。

方式1的波特率=(2SMOD/32)×定時(shí)器T1的溢出率。3．方式2

當(dāng)SM0SM1=10時(shí)，串行口工作在方式2，為11位異步通信口，發(fā)送和接收的一幀信息由11位組成，即1位起始位、8位數(shù)據(jù)位(低位在先)、1位可編程位(第9位數(shù)據(jù)位)和1位停止位。發(fā)送時(shí)可編程位(TB8)根據(jù)需要設(shè)置為0或1(TB8既可作為多機(jī)通信中的地址數(shù)據(jù)標(biāo)志位又可作為數(shù)據(jù)的奇偶校驗(yàn)位)；接收時(shí)，可編程位被送入SCON中的RB8。

在方式2發(fā)送時(shí)，數(shù)據(jù)由TXD端輸出，附加的第9位數(shù)據(jù)為SCON中的TB8，CPU執(zhí)行一條寫SBUF的指令后，便立即啟動發(fā)送器發(fā)送，送完一幀信息后，TI被置1，在發(fā)送下一幀信息之前，TI必須由中斷服務(wù)程序(或查詢程序)清零。

下面是一個(gè)實(shí)際的發(fā)送中斷服務(wù)程序，以TB8作為奇偶校驗(yàn)位，R0為發(fā)送數(shù)據(jù)區(qū)地址指針。SEND：PUSH PSW PUSH ACLR TI

MOV A，@R0 ；取數(shù)據(jù)MOV C，P

MOV TB8，CMOV SBUF，A ；數(shù)據(jù)寫入INC R0 ；數(shù)據(jù)指針加lPOP A ；恢復(fù)現(xiàn)場POP PSWRETI

（2）方式2接收

當(dāng)REN=1時(shí)，允許串行口接收數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)由RXD端輸入，接收11位信息。當(dāng)接收器采樣到RXD端的負(fù)跳變，并判斷起始位有效后，便開始接收一幀信息。當(dāng)接收器接收到第9位數(shù)據(jù)后，若同時(shí)滿足以下兩個(gè)條件：RI=0；SM2=0或接收到的第9位數(shù)據(jù)=1

方式2波特率=(2SMOD/64)×fOSC。

下面是一個(gè)實(shí)際的中斷接收服務(wù)程序，該程序具有校驗(yàn)處理功能，R1為接收數(shù)據(jù)緩沖器指針

RECEIVE： PUSH PSW PUSH ACLR RIMOV A，SBUF MOV C，PJNC L1JNB RB8，ER AJMP L2

L1： JB RB8，ER L2： MOV @R1，A INC R1 POP A POP PSWLJMP END0ER： …… END0： RETI

4．方式3當(dāng)SM0SM1=11時(shí)，串行口工作在方式3。方式3為波特率可變的11位異步通信方式。方式3波特率=(2SMOD/32)×定時(shí)器T1的溢出率。

三、波特率的計(jì)算

MCS-51單片機(jī)串行口通信的波特率取決于串行口的工作方式。當(dāng)串行口被定義為方式0時(shí)，其波特率固定等于。當(dāng)串行口被定義為方式2時(shí)，其波特率=，即當(dāng)SMOD=0時(shí)，波特率=；當(dāng)SMOD=1時(shí)，波特率=。SMOD是PCON寄存器的最高位，通過軟件可設(shè)置SMOD=0或l。因?yàn)镻CON無位尋址功能，所以，要想改變SMOD的值，可通過執(zhí)行以下指令來完成：ANL PCON，#7FH ；使SMOD=0ORL PCON，#80H ；使SMOD=11．T/C1溢出率的計(jì)算

溢出周期=(28-X)×12/

溢出率=1/溢出周期=/[12(28-X)]

2．波特率的設(shè)置由上述可得，當(dāng)串行口工作于方式1或方3、定時(shí)器T/C1工作于方式2時(shí)波特率=2SMOD×定時(shí)器T/C1溢出率/32=2SMOD×/[32×12(28-X)]X=28-2SMOD×/(384×波特率)

例如，某8051單片機(jī)控制系統(tǒng)，主振頻率為12MHz，要求串行口發(fā)送數(shù)據(jù)為8位、波特率為1200b/s，編寫串行口的初始化程序。我們設(shè)SMOD=1，則T/C1的時(shí)間常數(shù)X的值為：X=28-2SMOD×/(384×波特率) =256-2×12×106/(384×1200)=256-52.08=203.92≈0CCH

波特率誤差＝(2403.85-2400)/2400＝0.16％2)選擇SMOD＝0，此時(shí)X＝28-20×6×106/(384×2400)＝249.49≈249由此值可以算出T/C1實(shí)際產(chǎn)生的波特率及誤差為：波特率＝20×6×106/[32×12(256－249)]＝2232.14b/s

波特率誤差＝(2400－2232.14)/2400＝6.99％

上面的分析計(jì)算說明了SMOD值雖然可以任意選擇，但在某些情況下它會使波特率產(chǎn)生誤差。因而在波特率設(shè)置時(shí)，對SMOD值的選取也需要予以考慮

第三節(jié)串行口應(yīng)用舉例

例1：8051和標(biāo)準(zhǔn)CRT進(jìn)行通訊，數(shù)據(jù)傳送率為2400波特。每個(gè)字符由7個(gè)數(shù)據(jù)位、一個(gè)奇偶校驗(yàn)位、一個(gè)起始位和一個(gè)停止位組成。字符傳送率為240字符/秒。

T/C1作波特率發(fā)生器，工作在方式2。為得到2400的波特率，設(shè)，SMOD=0，這時(shí)，T/C1的初值可由下式求得：波特率＝2SMOD×定時(shí)器T/C1溢出率/322400＝2SMOD×/[32×12(28-X)]計(jì)算出X＝242.98≈243＝F3H程序如下：MOV SCON，#01010010BMOV TMOD，#00101001BMOV TH1，#0F3HMOV TL1，#0F3HSETB TR1………例2：單個(gè)字符發(fā)送子程序。程序首先計(jì)算奇偶位，并將奇偶位插入要發(fā)送的數(shù)值字節(jié)中，待到發(fā)送器空閑時(shí)，將該字符發(fā)送出去，然后返回。子程序如下： MOVC，P CPL C

MOVACC.7，C

JNB TI，$

CLR TI

MOVSUBF，A RET 例3：下面的一個(gè)子程序是完成單個(gè)字符接收的子程序，它等待一個(gè)字符接收完畢，如遇奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤則將CY標(biāo)志置1，最后屏蔽掉奇偶位，在A中得到7位有用的代碼。子程序如下：JNB RI，$ CLR RI MOV A，SBUF

MOV C，P CPL CANL A，#7FH

RET例4：通過串行口向某ASCII輸出設(shè)備發(fā)送信息“INTELDELIVERS”。CR EQU 0DH LF EQU 0AH ESC EQU 1BH ………CALL XSTRNGDB CR，LF DB ‘INTELDELIVERS’DB ESC ………

XSTRNG： POP DPH POP DPLXSTR-1： CLR A

MOVC A，@A+DPTR XSTR-2： JNB TI,$

CLR TI MOV SBUF,A

INC DPTR

CLR A

MOVC A,@A+DPTR

CJNE A,#ESC,XSTR-2 MOV A,#1 JMP @A+DPTR例5：把某文字處理設(shè)備每次接收到的ASCII字符按控制符和打印符分門別類進(jìn)行處理。CHAR EQU R7INTERP：CJNE CHAR,#7FH,INTP-1

………

RETINTP-1： CJNE CHAR,#07H,INTP-2

……… RETINTP-2： CJNE CHAR,#0AH,INTP-3

………

RETINTP-3： CJNE CHAR,#0DH,INTP-4

………

RETINTP-4： CJNE CHAR,#1BH,INTP-5

………

RETINTP-5： CJNE CHAR,#20H,INTP-6

………

RETINTP-6： JNC PRINTC

MOV CHAR,#0PRINTC:………

RET例6：在多機(jī)系統(tǒng)中，主機(jī)向某從機(jī)發(fā)出起始地址和終止地址，要求該地址范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)塊由所指定的從機(jī)片外數(shù)據(jù)存儲器中傳送到主機(jī)片外RAM之相應(yīng)單元。起始地址的高低兩個(gè)字節(jié)分別存放在各機(jī)片內(nèi)RAM的70H和71H單元；終止地址在72H和73H中。波特率要求為1200bps，各機(jī)晶振頻率均為12MHz，主機(jī)74H單元保存有欲呼叫的從機(jī)編號根據(jù)多機(jī)通訊和波特率的要求，主從機(jī)的串行口均應(yīng)選用工作方式3，并以各自的定時(shí)器1為波特率發(fā)生器下面是主機(jī)程序。START： MOV TMOD,#21H

MOV TH1,#0E6H

MOV TL1,#0E6HSETB TR1

以上程序設(shè)定定時(shí)器1為波特率發(fā)生器，使之工作于方式2下。因能自動恢復(fù)計(jì)數(shù)初始值，故無需中斷。

MOV SCON,#0D8H

MOV R0,#74H MOV SBUF,@R0JNB TI,$

MOV TH0,#27H M