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1、第13章 MCS-51的串行通讯技术及其它扩展 接口 13.1 MCS-51单片机的串行通讯接口技术MCS-51串行口的输入、输出均为TTL电平,抗干扰性差，传输距离短。为提高串行通讯的可靠性，增大串行通讯的距离，采用标准串行接口：RS-232、RS-422A、RS-485等标准。RS-232是由美国电子工业协会（EIA）于1962年制定的标准。13.1.1 各种标准串行通讯接口,一、RS-232C接口定义数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间的串行接口标准。图13-1是两台计算机利用MODEM、电话线进行远距离串行通讯的示意图，DTE为计算机，DCE的典型代表是MODEM。,图1
2、3-2为RS-232C的“D”型9针插头的引脚定义。,表13-1 PC机的RS-232C接口信号(略)1.电气特性RS-232C上传送的数字量采用负逻辑，且与地对称。逻辑“1”：315V；逻辑“0”：315V。RS-232C标准的信号传输的最大电缆长度为30米，最高数传速率为20kbit/s。2.电平转换由于TTL电平和RS-232C电平互不兼容，所以两者对接时，必须进行电平转换。,RS-232C与TTL电平转换最常用的芯片是MC1488、MC1489和MAX232等，各厂商生产的此类芯片虽然不同，但原理相似。以美国MAXIM公司的产品MAX232为例,它是RS-232C双工发送器/接收器接口
3、电路芯片，其外部引脚如图13-3，内部结构及外部元件如图13-4所示。,由于芯片内部有自升压的电平倍增电路，将+5V转换成-10V-+10V，满足RS-232C的逻辑“1”和逻辑“0”的电平要求。工作时仅需单一的+5V电源。其片内有2个发送器，2个接收器，有TTL信号输入/RS-232C输出的功能，也有RS-232C输入/TTL输出的功能。该芯片与TTL/CMOS电平兼容，使用比较方便。使用MAX232实现TTL/RS-232C之间的电平转换电路如图13-5所示。,二、RS-422A接口RS-232C虽然应用很广泛，但其推出较早，在现代网络通讯中已暴出明显的缺点：传输速率低、通讯距离短、接口处
4、信号容易产生串扰等。因此，EIA又制定了RS-422A标准。RS-232C即是一种电气标准，又是一种物理接口功能标准，而RS-422A仅仅是一种电气标准。PC机不带RS-422A接口，因此要使用RS-232/RS-422A转换器，把RS-232C接口转换成RS-422A接口。,1.电气特性RS-422A与RS-232C的主要区别是，收发双方的信号地不再共地，RS-422A标准规定平衡驱动和差分接收的方法。输入同一个信号时，其中一个驱动器的输出永远是另一个驱动器的反相信号。当一个表示逻辑“1”时，另一条一定为逻辑“0”。若传输过程中，信号中混入了干扰和噪声（以共模形式出现），由于差分接收器的作用
5、，就能识别有用信号并正确接收传输的信息，并使干扰和噪声相互抵消。,因此，RS-422A能在长距离、高速率下传输数据。它的最大传输率为10Mbit/s，在此速率下，电缆允许长度为12m，如果采用较低传输速率时，最大传输距离可达1200m。RS-422A电路由发送器、平衡连接电缆、电缆终端负载、接收器四部分组成。在电路中规定只许有一个发送器，可以有多个接收器。该标准允许驱动器输出为26V，差分接收器可以检测的输入信号电平可低到200mV。,2.电平转换TTL电平转换成RS-422A电平的常用芯片有为SN75174、MC3487等。RS-422A电平转换成TTL电平的常用芯片为:SN75175、MC
6、3486等。SN75174、SN75175是分别是具有三态输出的单片四差分驱动器和接收器，采用+5V电源供电。图13-6，图13-7给出电平转换芯片SN75174、SN75175内部结构及引脚图。,TTL电平与RS-422A电平转换电路如图13-8所示。,三、RS-485接口RS-485是RS-422A的变型，它与RS-422A的区别在于：RS-422A为全双工，采用两对平衡差分信号线；而RS-485为半双工，采用一对平衡差分信号线。RS-485对于多站互连是十分方便的。RS-485标准允许最多并联32台驱动器和32台接收器。1.电气特性RS-485的信号传输采用两线间的电压来表示逻辑“1”和
7、逻辑“0”，由于收发方需要两根传输线。数据采用差分传输，所以干扰抑制性好。又因无接地问,题，所以传输距离可达1200米，传输速率可达10Mbit/s。总线两端接匹配电阻(1000左右)，驱动器负载为54。驱动器输出电平在1.5V以下时为逻辑“1”，在1.5V以上时为逻辑“0”。接收器输入电平在0.2V以下时为逻辑“1”，在0.2V以上为逻辑“0”。普通的PC机一般不带RS-485接口，因此要使用RS-232/RS-485转换器。对于单片机可以通过芯片MAX485来完成TTL/RS-485的电平转换。,2.电平转换在RS-422A标准中所用的驱动器和接收器芯片，在 RS-485中均可以使用。除了
8、RS-422A电平转换中所列举的驱动器和接收器外，还有收发器SN75176芯片，该芯片集成了一差分驱动器和一差分接收器，如图13-9所示。SN75176的功能见表13-4。,RS-485点对点远程通讯电路如图13-10所示。,四、20mA电流环串行接口目前串行通讯中广泛使用的一种接口电路，但未形成正式标准。该接口要比RS-232C接口简单的多，它只有4根线：发送正、发送负、接收正和接收负四根线组成一个输入电流回路、一个输出电流回路。当发送数据时，根据数据的逻辑1、0，有规律的使回路形成通、断状态，即环路中无电流表示逻辑“0”，有20mA电流表示逻辑“1”。工作原理如图13-11所示。,20mA
9、电流环串行通讯接口的最大优点是低阻传输线对电气噪声不敏感，且易实现光电隔离。因此，在长距离传送时，要比RS-232C优越的多。电流环在低速数传率传输时，传输距离可达1000米。由于20mA电流环是一种异步串行接口标准，所以在每次发送数据时必须以无电流的起始作为每一个字符的起始位，接收端检测到起始位时便开始接收字符数据。图13-12是一个由集成芯片构成的20mA电流环接口线路图。,五、各种串行接口性能比较现将RS-232C、RS-422A、RS-485、20mA电流环各串行接口性能列在表13-5中，以便比较。表13-5（略）,13.1.2 MCS-51单片机双机串行通讯接口一、双机通讯硬件接口设
10、计根据MCS-51的双机通讯距离，抗干扰性的要求，可选择TTL电平传输，或选择RS-232C、RS-422A、RS485串行接口进行串行数据传输。1TTL电平通讯接口如果两个MCS-51单片机相距在几米之内，它们的串行口可直接相连，从而直接用TTL电平传输方法来实现双机通讯。如图13-13所示。,2RS-232C双机通讯接口如果双机通讯距离在30米之内，可利用RS-232C标准接口实现点对点的双机通讯，接口电路如图13-14所示。,3RS-422A双机通讯接口为了增加通讯距离，减小通道及电源干扰，可以在 通讯线路上采用光电隔离的方法，利用RS-422A标 准进行双机通讯，接口电路如图13-15
11、所示。,在图13-15中，每个通道的接收端都接有三个电阻 R1、R2、R3。其中R1为传输线的匹配电阻，取值范围在50 1K之间，其他两个电阻是为了解决第一个数 据的误码而设置的匹配电阻。为了起到隔离、抗干扰的作用，图13-15中必须使用 两组独立的电源。,4RS-485双机通讯接口RS-422A双机通讯需四芯传输线，这对长距离通讯是 很不经济的，故在工业现场，通常采用双绞线传 输的RS-485串行通讯接口。这种接口很容易实现多机通讯。图13-16给出了其RS-485双机通讯接口电路。由图13-16可知：RS-485以双向、半双工的方式实现 了双机通讯。在8031系统发送或接收数据前，应 先将
12、75176的发送门或接收门打开，当P1.0=1时，发送门打开，接收门关闭；当P1.0=0，接收门打 开，发送门关闭。,13.1.3 MCS-51单片机多机串行通讯接口利用串行口实现多机通讯的工作原理，已在第7章中作过介绍。下面首先介绍多机通讯的接口设计。一、TTL电平多机串行通讯当一台主机与多台从机之间距离较近时,可直接采用TTL电平进行多机通讯，多机通讯的连接方式如图13-17所示。由于8031单片机P3口可带4个LSTTL，故在图13-17中，N的取值范围应为N4。如果N4，则P3口应加驱动电路。,二、20mA电流环多机串行通讯接口用TTL电平进行多机通讯时，有效通讯距离约几米左右，这在实
13、际中往往不能满足要求。可采用20mA电流环进行多机通讯，不仅提高了抗干扰能力，而且可实现远距离通讯。20mA电流环串行多机通讯原理电路如图13-18所示。,13.1.4 PC机与MCS-51的点对点的串行通讯接口一、硬件接口设计如前所述,通常PC机都配有RS-232C串行标准接口，有效通讯距离较短。为实现长距离通讯应将RS-232C接口转换成RS-422A/RS-485接口。图13-19给出了这种转换的电路原理图。,图13-19可完成RS-232C至RS-422A的转换，也可完成RS-232C至RS-485的转换。当选择RS-422A输出方式时，3、4短接；当选择RS-485输出方式时，1、2
14、短接，5、6短接，7、8短接。图13-19中，R1、R2是为排除第一个数据传输误码而设置的匹配电阻。设计者可根据实际情况选择该电阻的大小。电源VCC和VEE均为+5V，但不是一个电源，VCC和VEE 应为隔离电源，只有这样才能实现电隔离。,13.1.5 PC机与多个MCS-51单片机的串行通讯接口一、硬件接口电路将1台IBM-PC机和若干台MCS-51单片机构成的小型分布式测控系统，如图13-20所示。,1台PC机与数台8031单片机进行多机通讯的RS-485串行通讯接口电路如图13-21所示。,13.2 MCS-51单片机与日历时钟芯片的接口单片机应用系统，有时需一个实时时钟供定时、测控用。
15、设计者只需选择合适的集成电路芯片即可。本节介绍日历时钟芯片DS12887的功能以及与MCS-51单片机的接口设计。DS12887S是跨越2000年的日历时钟芯片，用4位数来表示年度，采用24引脚双列直插式封装。该芯片的晶体振荡器、振荡电路、充电电路和可充电锂电池等一起封装在芯片的上方，组成一个加厚的集成电路模块。,电路通电时，充电电路自动对电池充电。充足一次电可供芯片时钟运行半年之久，正常工作时可保证时钟数据10年内不会丢失。此外，片内带有114个字节的RAM。13.2.1 DS12887的性能及引脚说明一、性能主要性能如下：（1）具有时钟、闹钟功能及到2100年的日历功能，可选择12小时制或
16、24小时制计时，有AM和PM、星期、夏时制时间操作及闰年自动补偿等功能。,（2）DS12887内部有14个寄存器:10个时标寄存器、4个状态寄存器。还有掉电保护用114字节的低功耗RAM。（3）具有用软件编程选择的周期性中断方式和多频率输出的方波发生器功能。（4）该芯片可以满足各种不同的待机要求，最长可达24小时。（5）可选择二进制或BCD码来表示时间。（6）工作电压：+4.5+5.5V。（7）工作电流：715mA。（8）工作温度范围：0+70C,二、引脚说明 DS12887/12C887的引脚如图13-22所示。各引脚功能如下：(1)MOT:计算机总线选择端（接低电平为总线方式）；(2)SQ
17、WF：方波输出，是否输出以及速率由专用寄存器A、B的预置参数决定；(3)AD7AD0：地址/数据（双向）总线，由ALE的下降沿锁存8位地址；(4)WR*：写数据控制信号，低电平有效；(5)ALE：地址锁存信号端；(6)RD*：数据读控制信号端，低电平有效；,(7)CS*：片选信号端，低电平有效；(8)IRQ*：中断申请端,低电平有效，由专用寄存器 决定；(9)RESET*：复位端，低电平复位；(10)NC:空闲端。13.2.2 DS12887的内部RAM和寄存器CPU通过读DS12887的内部时标寄存器得到当前的时间和日历。也可通过选择二进制码或BCD码初始化芯片的10个时标寄存器。114字节
18、RAM可在系统掉电时来保存一些重要的数据。,DS12887的4个控制与状态寄存器用来控制或反映DS12887模块当前的工作状态，除数据更新周期外，软件可随时读写这4个寄存器。下面介绍各寄存器的功能和作用。一、内部RAM与各专用寄存器简介引脚AD7AD0的8位编码决定了对各专用寄存器与内部RAM的寻址。其中：00H09H：10个时标寄存器；0AH0DH：4个控制与状态寄存器；0EHFFH：114字节的静态RAM；表13-6是DS12887内部10个时标寄存器和4个控制/状态寄存器的地址分配。,1时标寄存器（10个）00H03H单元为“秒”、“分”单元，取值范围是00H3BH(十进制059)04H
19、05H单元是“时”单元，按12小时制的取值范围是上午（AM）01H0CH（112），下午（PM）51H5CH（8192）；按24小时制的取值范围是00H17H（123）06H单元是“星期”单元，取值范围是00H07H（07）07H单元是“日”单元，取值范围是01H1FH（131）；,08H单元是“月”单元，取值范围是01H0CH（112）；09H单元是“年的低2位”单元，取值范围是00H63H（099）。MCS-51对DS12887内部RAM和各专用寄存器的地址分配可采用译码器法。假设DS12887的片选地址从=#D000H开始有效，则芯片内部RAM和寄存器的地址为#D000H#D07FH。注
20、意：尽管专用时标年寄存器只有一个，只能显示年的低两位，但通过软件编程利用其内部的不掉电RAM区的一个字节实现年度的高两位显示。,2控制与状态寄存器（4个）（1）寄存器A各位不受复位的影响，格式见表13-7。其中：位UIP：更新周期标志位，是只读位。UIP=1时，表示芯片正处于或即将开始更新周期，此时不准读/写时标寄存器；UIP=0时，表示至少在44后才开始更新周期，此时程序可以读片内时标寄存器。位DV0、DV1、DV2：芯片内部振荡器RTC控制位当芯片解除复位状态，并将010写入DV0-DV2后，,另一个更新周期将在500ms后开始。因此，在初始化时可用这3位精确地使芯片在设定的时间开始工作。
21、DS12887固定使用32768Hz的内部晶体。所以，只有DV0、DV1、DV2=010一种组合选择才可启动RTC。位RS3、RS2、RS1、RS0：周期中断可编程方波输出速率选择位。不同的组合可以产生不同的方波输出。可通过设置寄存器B的SQWF和PIE位来控制是否允许周期中断和方波输出。寄存器A输出方波的速率选择位见表13-2。,（2）寄存器B允许读/写，用于控制芯片的工作状态。其控制字的格式见表13-8。位SET：SET=0时，芯片处于正常工作状态，每秒产生一个更新周期来更新时标寄存器；SET=1时，芯片停止工作，程序在此期间可初始化芯片的各个时标寄存器。位PIE、AIF、UIE:分别为周
22、期中断报警中断更新周期结束中断允许位。各位为1时，允许芯片发相应的中断。,位SQWF:方波输出允许位。SQWF=1，按寄存器A输出速率选择位所确定的频率方波；SQWF=0，脚SQWF保持低电平。位DM：时标寄存器用十进制BCD码表示或用二进制表示格式选择位。DM=0时，为十进制BCD码；DM=1时，为二进制码。位24/12：24/12小时模式设置位。24/12=1时，为24小时工作模式；24/12=0时，为12小时工作模式。位DSE:夏时制设置。DSE=1，夏时制设置有效，夏时制结束可自动刷新恢复时间；DSE=0，无效。,（3）寄存器C特点：程序访问该寄存器后，该寄存器的内容将自动清0，从而使
23、IRQF标志位变为高电平，否则，芯片将无法向CPU申请下一次中断。寄存器C的控制字的格式见表13-8。其中：位IRQF:中断申请标志位。该位有关的逻辑变量的逻辑关系表达式如下:IRQF=PFPIE+AFAIE+UFUIE当IRQF位变为1时，引脚变为低电平引起中断申请。,位PF、AF、UF：3位分别为周期中断、报警中断、更新周期结束中断标志位。只要满足各中断的条件，相应的中断标志位将置1。位3位0：保留位，读出值始终为0。(4）寄存器D为只读的状态寄存器，状态字的格式见表13-8。其中：位VRT:芯片内部RAM与寄存器内容有效标志位。该位为1时，指芯片内部RAM和寄存器内容有效。读该寄存器后，
24、该位将自动置1。位BIT6BIT0：保留位，读出值始终为0。,三、DS12887的中断和更新周期DS12887处于正常工作状态时，每秒钟将产生一个更新周期。芯片处于更新周期的标志：寄存器A中的UIP位为1。在更新周期内，芯片内部时标寄存器中的数据处于更新阶段，故微处理器不能读时标寄存器的内容，否则将得到不确定数据。更新周期的基本功能主要是刷新各个时标寄存器中的内容，同时秒时标寄存器内容加1，并检查其他时标寄存器内容是否有溢出，如有溢出则相应进位日、月、年。,更新周期的另外一个功能是：检查3个时、分、秒报警时标寄存器的内容是否与对应时标寄存器的内容相符。如相符，则寄存器C中的AF位置1；如果报警
25、时标寄存器的内容为C0HFFH之间的数据，则为不关心状态。为了采样时标寄存器中的数据，器件提供了两种避开在更新周期内访问时标寄存器的方法。第一种方法是利用更新周期结束发出的中断。可以编程且允许在每次更新周期结束后发生中断申请，提醒CPU将有998ms左右的时间去获取有效的数据。在中断之后的998ms时间内，程序可先将时标数据读到芯片内部的不掉电静态RAM中。,因为芯片内部的静态RAM和状态寄存器是可随时读写的，在离开中断服务子程序前应清除寄存器C中的IRQF位。另一种方法是，利用寄存器A中的UIP位来指示芯片是否处于更新周期。在UIP位由低变高244后，芯片将开始其更新周期。所以，若检测到UI
26、P位为低电平时，则利用244的间隔时间去读取时标信息；如检测到UIP位为1，则可暂缓读数据，等到UIP位变成低电平后再去读数据。,13.2.3 MCS-51与DS12887的接口设计一、DS12887的初始化DS12887采用连续工作制，一般无需每次都初始化，即使是系统复位时也如此。但在初始化时，首先应禁止芯片内部的更新周期操作。所以，应先将DS12887状态寄存器B中的SET位置1，然后初始化00H09H时标参数寄存器和状态寄存器A。此后，再通过读状态寄存器C，清除寄存器C中的周期中断标志位PF、报警中断标志位AF、更新周期结束中断标志位UF。通过读寄存器D中的VRT位后将自动置1。,最后，
27、将状态寄存器B中的SET位置0，芯片开始计时工作。二、闹钟单元的使用DS12887共有3个闹钟单元，分别为时、分、秒闹钟单元。在其中写入闹钟时间值并且在时钟中断允许的情况下，每天到该时刻就会产生中断申请信号。但这种方式每天只提供一次中断信号。另一种方式是在闹钟单元中写入“不关心码”：在时闹钟单元写入C0HFFH之间的数据，可每小时产生一次中断；,在时、分闹钟单元写入C0HFFH之间的数据，可每分钟产生一次中断；而时、分、秒闹钟单元全部写入FFH，则每秒钟产生一次中断。但这种方式也只是在整点、整分、或每秒产生一次中断。若控制系统要求的定时间隔不是整数时，应该通过软件来调整实现。,三、接口电路及软
28、件编程图13-23是AT89C51单片机与DS12887的接口电路（其中片选地址CS=#0D00H）。DS12887状态寄存器的参数设置如下:（1）状态寄存器A置为20H，表示采用的时钟频率为32678Hz，禁止脚SQWF输出（2）状态寄存器B置为22H，表示允许报警中断，禁止其他中断，为24小时模式，时标寄存器内容用BCD码表示，禁止方波输出和夏时制服务。如果要求定时间隔为1秒至59秒的中断申请，那么时报警寄存器置FFH，就表示该报警时标处于不关心状态,下面为DS12887的有关程序。（1）初始化程序（见教材）（2）查询法判别芯片是否处于更新周期子程序（见教材）,13.3 MCS-51单片机
29、的报警接口在单片机测控系统发生故障或处于某种紧急状态时，单片机系统应能发出提醒人们警觉的报警信号或提示信号，常见的报警信号可分为闪光报警、鸣音报警和音乐报警。下面对这三种报警接口作以介绍。13.3.1 闪光报警接口闪光报警可用MCS-51的某一I/O口线驱动LED闪烁，只要该I/O口线发出具有一定频率的高低电平信号，即可使LED闪烁。接口电路如图13-24所示。,闪光报警的的程序编写：只需向P1.0先写入“1”，然后延迟一段时间，再向向P1.0写入“0”，延迟的时间可根据要求的LED的闪烁频率而定。可采用软件延时，也可使用定时器定时中断，在中断服务程序中，改变P1.0的电平。采用软件延时的程序
30、：FLASH1:SETB P1.0 LCALL DELAY;调用软件延时子程序DELAYCLR P1.0LCALL DELAY;调用软件延时子程序DELAYLJMP FLASH1,如果MCS-51本身的I/O口线资源紧张，要控制闪光报警的LED数目较多，也可采用扩展一片74LS377 8D锁存器芯片，锁存器的输出接了8个LED。接口电路如图13-25所示。图13-25中的74LS377的端口地址为7FFFH，要使某一位的LED闪烁，只需向74LS377的某一位交替的写入“1”或“0”。写入“1”或“0”时间间隔可采用软件延时，也可使用定时器定时中断。例如，要使74LS377 Q0位上的LED闪
31、烁，采用软件延时的参考程序如下：,FLASH2:MOV DPTR，#7FFFH MOV A，#0FEHMOVX DPTR,A;让最低位LED亮LCALL DELAY;调用延时子程序DELAYMOV A，#0FFH;让最低位LED灭LCALL DELAY;调用软件延时子程序RET,13.3.2 蜂鸣音报警接口只需购买市售的压电式蜂鸣器，然后通过MCS-51的一根口线通过驱动器驱动蜂鸣器发声。压电式蜂鸣器约需10mA的驱动电流。可以使用TTL系列集成电路7406或7407低电平驱动，如图13-26所示，也可以用一个晶体三极管驱动，如图13-27所示。,在图13-26中，MCS-51的口线P1.7接
32、驱动器的输入 端。当P1.7输出高电平时，7406的输出为低电 平，使压电蜂鸣器两条引线加上近5V的直流电 压，由压电效应而发出蜂鸣音。当P1.7端输出低电平时，7406的输出端高约+5V，压电蜂鸣器的两引线间的直流电压降至接近于 0V，发音停止。,在图13-27中，P1.7接晶体管基极输入端。当P1.7输出高电平时，晶体管导通，压电蜂鸣器两端获得约+5V电压而鸣叫。当P1.7输出低电平，三极管截止，蜂鸣器停止发声。,下面是连续蜂鸣100ms参考程序，该程序对上述两个接口电路都适用。SOUND:SETB P1.7；P1.7输出高电平，蜂鸣器鸣叫 MOV R4,#64H；延时100msLOOP:
33、MOV R3,#0F9HLOOP1:DJNZ R3,LOOP1；延时1ms的循环 DJNZ R4,LOOP CLR P1.7；P1.7输出低电平，蜂鸣器停止 RET如果想要发出更大的声音，可采用功率大的扬声器作为发声器件，这时要采用相应的功率驱动器。具体的接口电路可参考本书第12章的例12-2。,13.3.3 音乐报警接口音乐报警可使报警声优美悦耳，克服了蜂鸣音报警音调比较单调的不足。发声电路可购买市售的乐曲发生器，发出的乐曲声可用来作为某种提示信号或报警信号。设计者可根据自己对乐曲的喜好来购买相应的集成电路。音乐报警接口由两部分组成：乐曲发生器，即集成电子音乐芯片；放大电路，也可采用集成放大器。,音乐报警接口电路如图13-28所示，图中采用华尔兹乐曲的电子音乐芯片7920A。当8031从P1.7输出高电平时，电子音乐芯片7920A的输入控制端MT变为1.5V高电平，输出端Vout 便发出乐曲信号，经M51182L放大而驱动扬声器发出乐曲报警声，音量大小由10k电位器调整。若P1.7输出低电平，则7920A因MT输入电位变低而关闭，故扬声器停止奏曲。音乐报警接口的参考程序为：,START:SETB P1.7；P1.7为高，发出音乐报警乐曲 RETSTOP:CLR P1.7；P1.7为低，音乐报警乐曲停止 RET,
