5.1串行口工作原理

5.2串行口協(xié)議設(shè)計

5.3串行口應(yīng)用設(shè)計

5.4小結(jié)

習題

5.1.1串行口的專用寄存器

1．串行口控制寄存器SCON

串行口控制寄存器是串行口控制和狀態(tài)寄存器。SCON包含：串行口工作方式選擇位、接收發(fā)送控制位以及串行口狀態(tài)標志位，其位格式如下：5.1串行口工作原理

SM0、SM1(SCON.7、SCON.6)：串行口的工作方式選擇位，其編碼見表5-1，其中fosc為振蕩頻率。

SM2(SCON.5)：多機通信控制位，主要用于方式2和方式3。

REN(SCON.4)：串行口接收允許位，由軟件置位以允許接收，由軟件清0來禁止接收。

TB8(SCON.3)：在方式2和方式3中為發(fā)送的第9位數(shù)據(jù)。

RB8(SCON.2)：在方式2和方式3中為接收到的第9位數(shù)據(jù)。

TI(SCON.1)：發(fā)送中斷標志。

RI(SCON.0)：接收中斷標志。表5-1串行口的工作方式

2．串行口數(shù)據(jù)緩沖器SBUF

MCS-51單片機內(nèi)的串行接口部分，具有兩個物理上獨立的緩沖器：發(fā)送緩沖器和接收緩沖器，以便能以全雙工的方式進行通信。

3．電源控制寄存器PCON

電源控制寄存器PCON的第7位是與串行口的波特率設(shè)置有關(guān)的選擇位。其位格式如下：

?SMOD(PCON.7)：串行口波特率倍增位。

GF1(PCON.3)、GF0(PCON.2)：兩個通用標志位，由程序使用。

PD(PCON.1)、IDL(PCON.0)：CHMOS器件的低功耗控制位。5.1.2串行口的工作方式

1．方式0

方式0為同步移位寄存器輸入輸出方式。

圖5-1(a)為串行口外接一片串入并出移位寄存器74LS164的輸出接口電路，該電路用于擴展并行輸出口；圖5-1(b)為串行口外接一片并入串出移位寄存器74LS165的輸入接口電路，該電路用于擴展并行輸入口。圖5-1方式0發(fā)送、接收電路

2．方式1

串行接口工作于方式1時，被定義為10位的異步通信接口，即傳送一幀信息需要10位。

串行接口以方式1發(fā)送時，數(shù)據(jù)由TXD端輸出。

3．方式2和方式3

串行接口工作于方式2和方式3時，被定義為11位的異步通信接口，即傳送一幀信息需要11位。5.1.3波特率的設(shè)置

MCS-51單片機串行口通信的波特率取決于串行口的工作方式。四種工作方式的波特率計算公式分別如下：

1．T/C1溢出率的計算

在串行通信方式1和方式3下，使用定時器T/C1作為波特率發(fā)生器。

前面我們介紹過定時器定時時間的計算方法，同樣，我們設(shè)X為時間常數(shù)即定時器的初值；fosc為晶振頻率，當定時器T/C1工作于方式2時，則有：

溢出周期?=T/C1溢出率

==

2．波特率的設(shè)置

由上述可得，當串行口工作于方式1或方式3、定時器T/C1工作于方式2時有波特率?==由上式可以看出，當X=255時，波特率為最高。如fosc=12?MHz、SMOD=0，則波特率為31.25?kb/s；若SMOD=1，則波特率為62.5?kb/s，這是fosc=12?MHz時波特率的上限。若要求更高的波特率，則需要提高主振頻率fosc。在實際應(yīng)用中，一般是先按照所要求的通信波特率設(shè)定SMOD，然后再算出T/C1的時間常數(shù)。即X?=

我們設(shè)SMOD=1，則T/C1的時間常數(shù)X的值為X?==

256-=

208=D0H表5-2列出了常用波特率與其他參數(shù)的關(guān)系。系統(tǒng)振蕩頻率fosc選為11.0592?MHz是為了使定時器初值為整數(shù)，從而產(chǎn)生精確的波特率。表5-2常用波特率與其他參數(shù)的關(guān)系注：方式0時，BAUD=fosc/12；方式2時，BAUD=2SMOD×fosc/64。5.2.1串行通信接口的基本任務(wù)

串行通信接口的基本任務(wù)包括：

(1)實現(xiàn)數(shù)據(jù)格式化。

(2)進行串并轉(zhuǎn)換。

(3)控制數(shù)據(jù)傳輸速率。

(4)進行錯誤檢測。

(5)進行TTL與EIA電平轉(zhuǎn)換。

5.2串行口協(xié)議設(shè)計5.2.2串行通信協(xié)議

單片機串口稱為“通用異步收發(fā)器”(UART，UniversalAsynchronousReceiverandTransmitter)。

1．特點與格式

串行通信異步協(xié)議的特點是一個字符一個字符地傳輸，并且傳送一個字符總是以起始位開始，以停止位結(jié)束的，字符之間沒有固定的時間間隔要求。其格式如圖5-2所示。

圖5-3表示了傳送一個字符E的ASCAII碼的波形，當把它的最低有效位寫到右邊時，就是E的ASCII碼1000101=45H。圖5-2傳送的字符格式圖5-3傳送字符E的ASCII碼的波形

2．起始/停止位的作用

起始位實際上是作為聯(lián)絡(luò)信號附加進來的，當它變?yōu)榈碗娖綍r，則告訴收方傳送開始。它的到來，表示數(shù)據(jù)位將接著出現(xiàn)，要準備接收。5.2.3協(xié)議的設(shè)計

使用串口進行通信，通常包括單片機與主機間的通信、單片機間的通信以及多單片機間的通信三種。5.3.1原理圖設(shè)計與說明

本章使用的電路原理圖如圖5-4～圖5-7所示。5.3串行口應(yīng)用設(shè)計圖5-4單片機與微機通信原理圖圖5-5多單片機間通信頂層電路圖圖5-6圖5-5中的SUB2子電路原理圖圖5-7圖5-5中的SUB3子電路原理圖關(guān)于圖5-4～圖5-7原理圖的說明如下：

(1)圖5-4是單片機與微機通信原理圖；圖5-5和圖5-6組合在一起是雙機通信原理圖；圖5-5、圖5-6和圖5-7組合在一起是多機通信原理圖。

(2)圖5-4中使用了四臺虛擬終端。

(3)串口模型器件應(yīng)選用COMPIM。在ProteusISIS元件庫的“Connectors”類的“D-Type”子類中，也有一個串口模型器件CONN-D9F，因該器件在使用時沒有仿真模型，將會導致仿真失敗，所以要避免選用。

(4)?COMPIM器件使用前要進行設(shè)置，本章使用的設(shè)置結(jié)果如圖5-8所示。圖5-8COMPIM器件使用前的設(shè)置

(5)四個虛擬終端也要進行相應(yīng)的設(shè)置。PC_TX代表計算機發(fā)送數(shù)據(jù)，PC_RX用來監(jiān)視PC接收到的數(shù)據(jù)，它們的屬性設(shè)置完全一樣，如圖5-9所示。MCS_TX和MCS_RX分別是單片機的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收終端，用來監(jiān)視單片機發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)，它們的屬性設(shè)置完全一樣，如圖5-10所示。圖5-9MCS_TX和MCS_RX的設(shè)置結(jié)果圖圖5-10PC_TX和PC_RX的設(shè)置結(jié)果

(6)使用時，原理圖中的電阻R1不能少，否則虛擬終端PC_RX將收不到信息。

(7)圖5-5、圖5-6和圖5-7是單片機間通信原理圖。

(8)圖5-6和圖5-7中均有一個按鍵和一個LED燈，可用于機間通信控制，例如，用SUB2中的按鍵控制SUB3中的LED燈的亮滅等。

(9)使用器件列表如圖5-11所示，在Proteus中輸入器件名稱即可找到該器件。圖5-11元器件列表清單

2．設(shè)計說明

根據(jù)單片機與微機通信的設(shè)計要求?？梢钥闯?，單片機與微機采用了以下握手協(xié)議：

(1)單片機向微機發(fā)送信息，以“-”作為結(jié)束符；

(2)當微機接收到結(jié)束符“-”后，即向單片機回送信息，并以“-”作為結(jié)束符；

(3)當單片機接收到結(jié)束符“-”后，將信息顯示于液晶屏上。

程序設(shè)計流程圖如圖5-12所示。圖5-12單片機與微機通信時的單片機程序流程圖

3．設(shè)計源碼

單片機與微機通信的源程序見例5-1。

【例5-1】

單片機與微機通信的源程序。

#include<reg51.h>

#defineucharunsignedchar

//定義一個長度為16的空串,用于存放接收字符顯示

ucharrecdata[16]="";

uchartrdata[16]="FromA:master!";

voidLcd_initialize(void);

voidLcd_display(ucharaddr,uchar*str);

voiddelay(ucharx);//*************串口通信函數(shù)——單機通信*****************//

//本單片機(機A)發(fā)送一字符串:"FromA:master!";

//微機(用虛擬終端模擬)接收并顯示"FromA:master!",然后回送"abc-"

//當接收到微機傳送過來的"abc"后在液晶屏中顯示出來。

//然后,間隔200?ms后再循環(huán)以上過程

voidmain(void)

{ uchari;

Lcd_initialize();

Lcd_display(0x00,“MCS51<---->PC:”);

//第1行顯示值

TMOD=TMOD|0x20;

//設(shè)置波特率為9600的定時器1方式和初值

TL1=0xfd;TH1=0xfd; //此值對應(yīng)單片機晶振頻率為11.0592?MHz

SCON=0x50;PCON=0x00;

//設(shè)置串行口方式

TR1=1;

while(1)

{ i=0;

while(trdata[i]!='\0') //發(fā)送字符串

{

SBUF=trdata[i];

while(TI==0);

TI=0;

i++;

}

SBUF='-';//發(fā)送結(jié)束字符

while(TI==0);

TI=0; i=0;

//i清0,為接收作準備

while(RI==0); //接收應(yīng)答

RI=0;

recdata[i]=SBUF;

while(recdata[i]!=‘-’)

//傳完后,應(yīng)答A機并顯示收到的字符串

{

i++;

while(RI==0);//接收應(yīng)答

RI=0;

recdata[i]=SBUF;

} recdata[i]=‘\0’;

Lcd_display(0x40,recdata);

//第2行顯示

delay(200);delay(200);

//延時200?ms后,繼續(xù)以上A機和B機的握手過程

}

}

4．仿真結(jié)果

運行仿真，結(jié)果如圖5-13所示。圖5-13單片機與主機的發(fā)送/接收監(jiān)視情況

從圖5-13中可看出，默認情況下，在PC_T中輸入字符后并不會顯示出來，為了讓輸入的字符顯示出來，則需要在PC_T界面中單擊鼠標右鍵選中“EchoTypedCharacters”，如圖5-14所示。圖5-14虛擬終端回顯字符的設(shè)置5.3.3雙機通信設(shè)計

1．設(shè)計要求

用兩個MCS-51單片機進行雙機通信設(shè)計。具體要求如下：

(1)?A機向B機發(fā)送字符串。

(2)?B機接收到字符串后，向A機發(fā)送另一個字符串，循環(huán)進行。

(3)?B機接收完成點亮LED燈，B機發(fā)送完成熄滅LED燈。

2．設(shè)計說明

雙機通信類似于單片機與主機間的通信。根據(jù)設(shè)計要求，可得出如圖5-15所示的雙機程序流程圖。圖5-15雙機通信程序流程圖

3．設(shè)計源碼

雙機通信源程序包括主機A的源程序和從機B的源程序，分別如例5-2和例5-3所示。

【例5-2】

主機A的源程序。

#include<reg51.h>

#defineucharunsignedchar

//定義一個長度為16的空串,用于存放接收字符顯示

ucharrecdata[16]="";

uchartrdata[16]="FromA:master!";

voidLcd_display(ucharaddr,uchar*str);//LCD顯示函數(shù),該LCD與單片機在同一圖中voidLcd_initialize(void);

voiddelay(ucharx);

//*************串口通信函數(shù)——雙機通信*****************//

//本單片機(A機)發(fā)送一字符串:"FromA:hjk!";

//另一單片機(B機)接收,接收完成后回送"FromB:slave_1",并在液晶屏中顯示"FromA:hjk!"

//當接收到B機傳送過來的"FromB:slave_1"后在液晶屏中顯示出來。

//然后,間隔200?ms后再循環(huán)以上過程

voidserial(void)

{ uchari;

TMOD=0x20;

TL1=0xfd;TH1=0xfd;

SCON=0xd8;PCON=0x00; //設(shè)置串行口方式

TR1=1;

while(1)

{

i=0;

while(trdata[i]!='\0') //發(fā)送字符串

{ SBUF=trdata[i];

while(TI==0);

TI=0;

i++;

}

SBUF='-'; //發(fā)送結(jié)束字符

while(TI==0);

TI=0; i=0; //i清0,為接收作準備

while(RI==0);//接收應(yīng)答

RI=0;

recdata[i]=SBUF;

while(recdata[i]!=‘-’)

//傳完后,應(yīng)答A機并顯示收到的字符串

{

i++;

while(RI==0);//接收應(yīng)答

RI=0;

recdata[i]=SBUF;

} recdata[i]=‘\0’;

Lcd_display(0x40,recdata); //第2行顯示

delay(200);

//延時200?ms后,繼續(xù)以上A機和B機的握手過程

}

}

//*************主函數(shù)*****************//voidmain(void)

{

Lcd_initialize();

Lcd_display(0x00,“Awelcomeyou!”);

//第1行顯示歡迎字符

serial();

}【例5-3】從機B的源程序。

#include<reg51.h>

#defineucharunsignedchar

sbitled=P2^3; //定義LED引腳,用于串口通訊指示

ucharrecdata[16]=“”;

//定義一個長度為16的空串,用于存放接收字符顯示

uchartrdata[16]="FromB:slave_1!";

voidLcd_initialize(void);

voidLcd_display(ucharaddr,uchar*str); //LCD顯示函數(shù)//*************串口通信函數(shù)*****************//

//單片機(A機)發(fā)送一字符串:"FromA:hjk!";

//本單片機(B機)接收,接收完成后在液晶屏中顯示"FromA:hjk!",并回送"FromB:slave_1!",

//同時用LED燈來摜示傳送時間(滅燈時間即回送時間)

//當接收到B機傳送過來的"slave_1!"后在液晶屏中顯示出來。

//然后,間隔200?ms后再循環(huán)以上過程

voidserial(void)

{ uchari=0;

TMOD=0x20;

//設(shè)置波特率為9600的定時器1方式和初值

TL1=0xfd;TH1=0xfd;

SCON=0xd8;PCON=0x00;

//設(shè)置串行口方式3,允許接收,TB8置1

TR1=1;

while(1)

{

while(RI==0);

RI=0;

recdata[i]=SBUF;

if(recdata[i]=='-') //傳完后,應(yīng)答A機并顯示收到的字符串

{ led=0;//以LED指示A機傳送完畢

recdata[i]=‘\0’;

Lcd_display(0x40,recdata); //第2行顯示

i=0;

//此處i清0,為應(yīng)答作準備

while(trdata[i]!='\0')

{

SBUF=trdata[i];

while(TI==0);

TI=0;

i++;

} SBUF=‘-’; //發(fā)送結(jié)束字符

while(TI==0);

TI=0;

led=1; //以LED指示B機應(yīng)答完畢

i=0;

//此處i清0,為下一次接收作準備

}

else i++; }

}

voidmain()

{

Lcd_initialize();

Lcd_display(0x00,"Bwelcomeyou!"); //第1行顯示歡迎字符

serial(); //串口接收并顯示函數(shù)

}4．仿真結(jié)果

啟動仿真，仿真結(jié)果如圖5-16和圖5-17所示。圖5-16A機仿真結(jié)果圖5-17B機仿真結(jié)果5.3.4多機通信設(shè)計

1．設(shè)計要求

用三個MCS-51單片機進行多機通信設(shè)計。具體要求如下：

(1)一個主機MasterA，兩個從機：Slave_1B和Slave_2C。

(2)主機與從機的通信過程按以下四個步驟進行。這四個步驟間的延時設(shè)定為0.5?s。

(3)在多機通信前，主機和從機均顯示歡迎信息。

2．設(shè)計說明

由主機控制的多機通信可按照以下協(xié)議進行：

(1)首先使所有從機的SM2位置1，即使所有從機處于只接收地址幀的狀態(tài)。

(2)主機先發(fā)送一個地址幀，其中8位為地址，第9位為地址/數(shù)據(jù)幀的標志位，該位置為1表示該幀為地址幀。

(3)從機接收到地址幀后，各自將其接收到的地址與本從機的地址比較。

(4)主機發(fā)送完地址幀后，就可以發(fā)送數(shù)據(jù)幀，即將發(fā)送幀的第9位置為0。

(5)在第(3)步中與地址幀有相同地址的從機，由于其SM2=0，所以可以接收主機發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，并根據(jù)數(shù)據(jù)幀的指示完成相應(yīng)的操作。

(6)從機按照主機的指示，完成相應(yīng)的操作后，則重新回到監(jiān)聽地址狀態(tài)。

(7)主機在第(4)步發(fā)送完數(shù)據(jù)后，在從機的配合下，主機完成相應(yīng)的功能操作。圖5-18中僅列出了從機B的程序流程圖，事實上，其他從機的程序流程圖可與從機B的完全一致，各從機之間的區(qū)別是每個從機向主機發(fā)送的信息可能不同，接收到主機的信息后對數(shù)據(jù)的處理過程也可能不同。圖5-18多機通信程序流程圖

3．設(shè)計源碼

主機A、兩個從機B和C均單獨編寫程序文件，源程序分別見例5-4、例5-5和例5-6。

【例5-4】

主機A的源程序。

#include<reg51.h>

#defineucharunsignedchar

#defineuintunsignedint

#defineslave2

//定義一個長度為16的空串,用于存放接收字符顯示

ucharrecdata[16]="";

uchartrdata[16]="FromA:master!";voidLcd_initialize(void);

voidLcd_display(ucharaddr,uchar*str);

voidmaster(ucharslave_addr,ucharcom);

voiddelay(ucharx);

//*************串口初始化函數(shù)*****************//

voidserial_init(void)

{ TMOD=0x20;

//T/C1定義為方式2

TL1=0xfd;TH1=0xfd;

//設(shè)置波特率為9600的定時器1方式和初值

PCON=0x00;

TR1=1;//T/C1運行,產(chǎn)生串口波特率

SCON=0xf8;

//設(shè)置串行口方式3,多機通訊方式,允許接收,TB8=1

}

//*************串口通信函數(shù)——多機通信*****************//

voidmaster(ucharslave_addr,ucharcom)

{ #defineBN16

uchari=0,p=0;

TB8=1;

SBUF=slave_addr;//發(fā)送從機地址

while(TI==0);TI=0;

TB8=0; //地址標志清0

SBUF=com;//發(fā)送命令：1為發(fā)送,2為接收

while(TI==0);TI=0;

if(com==0x01) //主機發(fā)送

{ p=0; //清校驗和

for(i=0;i<BN;i++)

{

SBUF=trdata[i];//發(fā)送一數(shù)據(jù)

p+=trdata[i]; //求校驗和

while(TI==0);TI=0;

}

SBUF=p; //發(fā)送校驗和

while(TI==0);TI=0;

} else //主機接收

{

p=0;

for(i=0;i<BN;i++)

//接收數(shù)據(jù)并求校驗和

{

while(RI==0);RI=0;

recdata[i]=SBUF;

p+=recdata[i];

} while(RI==0);RI=0; //接收校驗字

if(p==SBUF)

//校驗和正確時顯示數(shù)據(jù)，否則顯示接收錯誤

{

Lcd_display(0x40,recdata);

//顯示接收到的數(shù)據(jù)

}

elseLcd_display(0x40,"Error!");

}

}//**************調(diào)用函數(shù)，實現(xiàn)多機通信******************//

voidserial_M(void)

{

//下面幾行可證明多機通信功能正常

master(1,0x01); delay(250);

master(2,0x01); delay(250);

master(1,0x02);

delay(250); delay(250);

master(2,0x02);

delay(250); delay(250);

}//**************主函數(shù)******************//

voidmain(void)

{

Lcd_initialize();

Lcd_display(0x00,"Awelcomeyou!"); //第1行顯示歡迎信息

serial_init();

serial_M();

}【例5-5】

從機B實現(xiàn)多機通信的源程序。

#include<reg51.h>

#defineucharunsignedchar

#defineslave_addr1

#defineBN16

sbitled=P2^3;

//定義LED引腳,用于串口通信指示ucharrecdata[16]=""; //定義一個長度為16的空串，用于存放接收字符顯示

uchartrdata[16]="FromB:slave_1!";

voidLcd_initialize(void);

voidLcd_display(ucharaddr,uchar*str); //LCD顯示函數(shù)

voidserial_M(void);

//*************串口通信函數(shù)——多機通信*****************//

voidserial_M(void)

{ TMOD=0x20;//T/C1定義為方式2

TL1=0xfd;TH1=0xfd;

//設(shè)置波特率為9600的定時器1方式和初值

SCON=0xf8;PCON=0x00;

//設(shè)置串行口方式3,多機通信方式,允許接收,

//TB8置1(為發(fā)送作準備)

TR1=1; //T/C1運行,產(chǎn)生串口波特率

EA=1;ES=1;//開串口中斷

while(1){}

}//**********中斷處理函數(shù)*****************//

//僅用一次串口中斷，然后使用查詢方式完成串口通信

voidSerial_Int(void)interrupt4using1

{

staticucharp=0,i=0;

RI=0;ES=0; //關(guān)中斷

if(RB8==1)

{ if(SBUF==slave_addr)

{

SM2=0;

}

Else

{ES=1;return;} //非本機地址繼續(xù)監(jiān)聽

}

while(RI==0);RI=0; if(SBUF==0x01) //主機發(fā)送，從機接收

{

p=0;

for(i=0;i<BN;i++) //接收數(shù)據(jù)并求校驗和

{

while(RI==0);RI=0;

recdata[i]=SBUF;

p+=recdata[i];

} while(RI==0);RI=0; //接收校驗字

if(p==SBUF) //校驗和正確時顯示數(shù)據(jù)，否則顯示接收錯誤

{

Lcd_display(0x40,recdata); //顯示接收到的數(shù)據(jù)

}

elseLcd_display(0x40,"Error!");

}

else

{ p=0; //清校驗和

for(i=0;i<BN;i++)

{

SBUF=trdata[i];//發(fā)送一個數(shù)據(jù)

p+=trdata[i];//求校驗和

while(TI==0);TI=0;

}

SBUF=p; //發(fā)送校驗和

while(TI==0);TI=0;

} SM2=1;ES=1; //開中斷

}

voidmain(void)

{

Lcd_initialize();

Lcd_display(0x00,“Bwelcomeyou!”);

//第1行顯示歡迎字符

serial_M(); //多機通信

}【例5-6】

從機C實現(xiàn)多機通信的源程序。

#include<reg51.h>

#defineucharunsignedchar

#defineslave_addr2

#defineBN16 sbitled=P2^3; //定義LED引腳，用于串口通信指示

ucharrecdata[16]=“

”;

//定義一個長度為16的空串，用于存放接收字符顯示

uchartrdata[16]="FromC:slave_2!";

voidLcd_initialize(void);

voidLcd_display(ucharaddr,uchar*str); //LCD顯示函數(shù)

voidserial_M(void);//*************串口通信函數(shù)——多機通信*****************//

voidserial_M(void)

{

TMOD=0x20; //T/C1定義為方式2

TL1=0xfd;TH1=0xfd;

//設(shè)置波特率為9600的定時器1方式和初值

// SCON=0xf0; PCON=0x00;

//設(shè)置串行口方式3,多機通信方式,允許接收

SCON=0xf8;PCON=0x00;

//設(shè)置串行口方式3,多機通信方式,允許接收, TR1=1; //T/C1運行,產(chǎn)生串口波特率

EA=1;ES=1;//開串口中斷

while(1){}

}

//**********中斷處理函數(shù)*****************//

//僅用一次串口中斷，然后使用查詢方式完成串口通信

voidSerial_Int(void)interrupt4using1

{ staticucharp=0,i=0;

RI=0;ES=0; //關(guān)中斷

if(RB8==1)

{

if(SBUF==slave_addr)

{

SM2=0;

}

else

{ES=1;return;}

//非本機地址繼續(xù)監(jiān)聽

} while(RI==0);RI=0;

if(SBUF==0x01) //主機發(fā)送,從機接收