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1、项目五、串行通信应用,项目五、串行通信应用 任务1.双机通信,能力目标1.能用查询方式进行串口通信2.能用中断方式进行串口通信3.能进行双机通信电路综合调试学习内容1.串行通信的通信方式2.双机通信的实现,一、任务要求系统中有甲、乙两个单片机系统，在每个单片机的P1.0和P1.1口均有两个按键，其中按下P1.0键时数字增加，按下P1.1键时数字减小，甲单片机的TXD引脚和乙单片机的RXD相连同时乙单片机的TXD引脚和甲单片机的RXD相接，甲、乙两个单片机的P2口均接了一个共阴数码管，设两个单片机采用方式1的异步通信方式进行通信，甲单片机上的两个按键可以控制乙单片机上数码管进行“0”到“9”之间
2、的正反计数，同样乙单片机上的两个按键可以控制甲单片机上数码管进行“0”到“9”之间的正反计数，设初始状态两个数码管均显示“0”，通信波特率约定为9600bps。,二、任务分析 通过任务要求可以得知，甲乙两个单片机系统均具有接收和发送功能，可通过查询的方式知道甲单片机系统的按钮按下的是“计数增加”还是“计数减少”的按钮。,三、学习知识（一）串行通信的数据传送1、了解串行通信,图5-1 两种通信方式的示意图(a)并行通信；(b)串行通信,2、串行通信的数据传送（1）串行通信的传输方向,图5-2 单工、半双工和全双工三种制式示意图,（2）串行通信的数据传送速率（波特率）波特率为每秒钟传送二进制数码的
3、位数，也叫比特数，单位为b/s，即位/秒。波特率越高，数据传输速度越快。但波特率和字符的实际传输速率不同，字符的实际传输速率是每秒内所传字符帧的帧数，和字符帧格式有关。与波特率相对应的是传送每位二进制数所用的时间（Td），它是波特率的倒数。在进行串行通信中的发送端和接收端进行波特率设置时，必须采用相同的波特率，才能保证串行通信的正确性。,（二）串行通信的分类 1、异步通信（Asynchronous Communication）在异步通信中，数据通常是以字符为单位组成字符帧传送的。字符帧由发送端一帧一帧地发送，每一帧数据均是低位在前，高位在后，通过传输线被接收端一帧一帧地接收。发送端和接收端可以
4、由各自独立的时钟来控制数据的发送和接收，这两个时钟彼此独立，互不同步。,（1）字符帧字符帧也叫数据帧，由起始位、数据位、奇偶校验位和停止位等4部分组成，如图5-3所示。图5-3异步通信的字符帧格式(a)无空闲位字符帧；(b)有空闲位字符帧,1)起始位：位于字符帧开头，只占一位，为逻辑0低电平，用于向接收设备表示发送端开始发送一帧信息。2)数据位：紧跟起始位之后，用户根据情况可取5位、6位、7位或8位，低位在前高位在后。3)奇偶校验位：位于数据位之后，仅占一位，用来表征串行通信中采用奇校验还是偶校验，由用户决定。4)停止位：位于字符帧最后，为逻辑1高电平。通常可取1位、1.5位或2位，用于向接收
5、端表示一帧字符信息已经发送完，也为发送下一帧作准备。,在串行通信中，两相邻字符帧之间可以没有空闲位，也可以有若干空闲位，这由用户来决定。,2、同步通信（Synchronous Communication）同步通信是一种连续串行传送数据的通信方式，一次通信只传输一帧信息。这里的信息帧和异步通信的字符帧不同，通常有若干个数据字符，如图5-4所示。图5-4(a)为单同步字符帧结构，图5-4(b)为双同步字符帧结构，但它们均由同步字符、数据字符和校验字符CRC三部分组成。在同步通信中，同步字符可以采用统一的标准格式，也可以由用户约定。,图5-4同步通信的字符帧格式(a)单同步字符帧格式；(b)双同步字
6、符帧格式,（三）MCS-51串行口结构MCS-51内部有两个独立的接收、发送缓冲器SBUF。SBUF属于特殊功能寄存器。发送缓冲器只能写入不能读出，接收缓冲器只能读出不能写入，二者共用一个字节地址（99H）。串行口的结构如图5-5所示。,2、串行口控制寄存器SCON,表5-1 SCON的各位定义,表5-2 串行方式的定义,SM2：多机通信控制位，用于方式2和方式3中。在方式2和方式3处于接收方式时，若SM2=1,且接收到的第9位数据RB8为0时，不激活RI；若SM2=1，且RB8=1时，则置RI=1。在方式2、3处于接收或发送方式时，若SM2=0，不论接收到的第9位RB8为0还是为1，TI、R
7、I都以正常方式被激活。在方式1处于接收时，若SM2=1，则只有收到有效的停止位后，RI置1。在方式0中，SM2应为0。,REN：允许串行接收位。它由软件置位或清零。REN=1时，允许接收；REN=0时，禁止接收。TB8：发送数据的第9位。在方式2和方式3中，由软件置位或复位，可做奇偶校验位。在多机通信中，可作为区别地址帧或数据帧的标识位，一般约定地址帧时，TB8为1，数据帧时，TB8为0。RB8：接收数据的第9位。功能同TB8。,TI：发送中断标志位。在方式0中，发送完8位数据后，由硬件置位；在其它方式中，在发送停止位之初由硬件置位。因此，TI是发送完一帧数据的标志，可以用指令JBC TI，r
8、el来查询是否发送结束。TI=1时，也可向CPU申请中断，响应中断后，必须由软件清除TI。RI：接收中断标志位。在方式0中，接收完8位数据后，由硬件置位；在其它方式中，在接收停止位的中间由硬件置位。同TI一样，也可以通过JBC RI，rel来查询是否接收完一帧数据。RI=1时，也可申请中断，响应中断后，必须由软件清除RI。,3、电源及波特率选择寄存器PCONPCON主要是为CHMOS型单片机的电源控制而设置的专用寄存器，不可以位寻址，字节地址为87H。,表5-3 PCON的各位定义 D7 D6D0,当SMOD为1时使波特率加倍，SMOD为0时波特率不变。PCON的其它位为掉电方式控制位。,（四
9、）MCS-51串行的工作方式,1、方式0在方式0下，串行口作同步移位寄存器用，其波特率固定为fosc/12。串行数据从RXD(P3.0)端输入或输出，同步移位脉冲由TXD(P3.1)送出。这种方式常用于扩展I/O口。,（1）发送 当一个数据写入串行口发送缓冲器SBUF时，串行口将8位数据以fosc/12的波特率从RXD引脚输出（低位在前），发送完置中断标志TI为1，请求中断。在再次发送数据之前，必须由软件清TI为0。具体接线图如图5-6所示。其中，74LS164为串入并出移位寄存器。图5-6 方式0用于扩展I/O口输出,（2）接收 在满足REN=1和RI=0的条件下，串行口即开始从RXD端以f
10、osc/12的波特率输入数据（低位在前），当接收完8位数据后，置中断标志RI为1，请求中断。在再次接收数据之前，必须由软件清RI为0。值得注意的是，每当发送或接收完8位数据后，硬件会自动置TI或RI为1，CPU响应TI或RI中断后，必须由用户用软件清0。方式0时，SM2必须为0。,图5-7 方式0用于扩展I/O口输入,2、方式1 如果收发双方都是工作在方式1下，此时，串行口为波特率可调的10位通用异步接口UART。发送或接收一帧信息，包括1位起始位0，8位数据位和1位停止位1。其帧格式如图5-8所示。,图5-8 10位的帧格式,（1）发送 发送时，数据从TXD端输出，当数据写入发送缓冲器SBU
11、F后，启动发送器发送。当发送完一帧数据后，置中断标志TI为1。方式1所传送的波特率取决于定时器1的溢出率和PCON中的SMOD位。,（2）接收接收时，由REN置1，允许接收，串行口采样RXD，当采样由1到0跳变时，确认是起始位“0”，开始接收一帧数据。当RI=0，且停止位为1或SM2=0时，停止位进入RB8位，同时置中断标志RI；否则信息将丢失。所以，方式1接收时，应先用软件清除RI或SM2标志。,3、方式2 方式2下，串行口为11位UART，传送波特率与SMOD有关。发送或接收一帧数据包括1位起始位0，8位数据位，1位可编程位(用于奇偶校验)和1位停止位1。其帧格式如图5-9所示。,图5-9
12、 11位的帧格式,（1）发送 发送时，先根据通信协议由软件设置TB8，然后用指令将要发送的数据写入SBUF，启动发送器。写SBUF的指令，除了将8位数据送入SBUF外，同时还将TB8装入发送移位寄存器的第9位，并通知发送控制器进行一次发送。一帧信息即从TXD发送，在送完一帧信息后，TI被自动置1，在发送下一帧信息之前，TI必须由中断服务程序或查询程序清0。,（2）接收 当REN=1时，允许串行口接收数据。数据由RXD端输入，接收11位的信息。当接收器采样到RXD端的负跳变，并判断起始位有效后，开始接收一帧信息。当接收器接收到第9位数据后，若同时满足以下两个条件：RI=0和SM2=0或接收到的第
13、9位数据为1，则接收数据有效，8位数据送入SBUF，第9位送入RB8，并置RI=1。若不满足上述两个条件，则信息丢失。,4、方式3 方式3为波特率可变的11位UART通信方式，除了波特率以外，方式3和方式2完全相同。（五）MCS-51串行口的波特率1、方式0和方式2在方式0中，波特率为时钟频率的1/12，即fosc/12，固定不变。在方式2中，波特率取决于PCON中的SMOD值，当SMOD=0时，波特率为fosc/64；,当SMOD=1时，波特率为fosc/32.即波特率=。,2、方式1和方式3 在方式1和方式3下，波特率由定时器1的溢出率和SMOD共同决定。即：方式1和方式3的波特率=定时器
14、1溢出率。,实际上，当定时器1做波特率发生器使用时，通常是工作在模式2，即自动重装载的8位定时器，此时TL1作计数用，自动重装载的值在TH1内。设计数的预置值（初始值）为X，那么每过256-X个机器周期，定时器溢出一次。为了避免因溢出而产生不必要的中断，此时应禁止T1中断。溢出周期为,溢出率为溢出周期的倒数，所以,波特率=,表5-4 定时器1产生的常用波特,（六）双机通信设计1、双机通信硬件电路,图5-10 双机异步通信接口电路,为了增加通信距离，减少通道和电源干扰，可以在通信线路上采用光电隔离的方法，利用RS-422A标准进行双机通信，实用的接口电路见书图5-11所示。2、双机通信软件编程对
15、于双机异步通信的程序通常采用两种方法：查询方式和中断方式。下面通过程序示例介绍这两种方法。,（1）查询方式甲机发送编程将甲机片外1000H101FH单元的数据块从串行口输出。定义方式2发送，TB8为奇偶校验位。发送波特率375kb/s，晶振为12MHz,所以SMOD=1。参考发送子程序如下：,乙机接收 编程使乙机接收甲机发送过来的数据块，并存入片内50H6FH单元。接收过程要求判断RB8，若出错置F0标志为1，正确则置F0标志为0，然后返回。在进行双机通信时，两机应采用相同的工作方式和波特率。参考接收子程序如下：,（2）中断方式在很多应用中，双机通信的接收方都采用中断的方式来接收数据，以提高C
16、PU的工作效率；发送方仍然采用查询方式发送。,编程将甲机片内60H6FH单元的数据块从串行口发送，在发送之前将数据块长度发送给乙机，当发送完16个字节后，再发送一个累加校验和。定义双机串行口按方式1工作，晶振为11.059MHz，波特率为2400b/s，定时器1按方式2工作。经计算或查表5-4得到定时器预置值为0F4H，SMOD=0。参考发送子程序如下：,乙机接收乙机接收甲机发送的数据，并存入以2000H开始的片外数据存储器中。首先接收数据长度，接着接收数据，当接收完16个字节后，接收累加和校验码，进行校验。数据传送结束后，根据校验结果向甲机发送一个状态字，00H表示正确，0FFH表示出错，出
17、错则甲机重发。接收采用中断方式。设置两个标志位（7FH，7EH位）来判断接收到的信息是数据块长度、数据还是累加校验和。参考接收程序如下：,四、任务实施1、硬件设计,图5-12 双机通信硬件连接图,2、软件设计,图5-13（a）双机通信流程图串行中断流程图,图5-13（b）双机通信流程图串行中断流程图,程序如下：,3、仿真调试如图5-14所示。,图5-14 双机通信仿真调试效果图,五、总结与提高 1、波特率问题：2、多机通信,项目五、串行通信应用 任务2.8051与PC机的通信,能力目标1.掌握8051与PC机的硬件连接2.能进行8051与PC机的通信的程序设计学习内容1.8051与PC机的硬件
18、连接2.PC机与单片机之间常用接口电路,一、任务要求AT89C51与单片机的串行口经MAX232电平转换后，与PC机串行口相连。使用虚拟终端，实现上位机与下位机的通信，通过虚拟终端窗口，在键盘上按键，在虚拟终端窗口中能显示相应的字符。二、任务分析单片机的串行口要经MAX232电平转换就必须将串口的引脚正确连接到MAX232，其次可以选用以查询法接收和发送数据，上位机发出指定字符，下位机收到后返回原字符。为此可以将虚拟终端设置如下：波特率-4800；数据位-8；奇偶检验-无；停止位-1，如图5-23所示。,三、学习知识（一）接口电路常用的串行总线接口标准有以下三种：RS-232C、RS-422、
19、RS-485。1、RS-232C接口（1）RS-232C的电气特性RS-232C电平不同于TTL电平的+5V和地。它采用负逻辑，逻辑0电平用+3V+15V表示，逻辑1电平用-3V-15V表示。因此，RS-232C不能直接与TTL电平相连，必须加上适当的接口电路进行信号电平转换。目前，最常用的芯片有集成电路电平转换器MAX232。,（2）RS-232C的通信距离和速率 RS-232C标准规定的传送数据的波特率最大为19.2KbpS。驱动器允许有2500pF的电容负载，因此通信距离将受此电容大小所限，它的通信距离一般不超过15m。,（3）RS-232C接口的物理结构 由于多数情况下RS-232C接
20、口主要使用主通道，对于一般双工通信，通常只需使用串行输入RXD、串行输出TXD和地线GND，所以RS-232C常采用型号为DB-9的9芯插头座，传输线采用屏蔽双绞线。,图5-16 RS-232C信号引脚排列图,（4）常用RS-232接口芯片MAX232内部有一个电源电压变换器，可以把输入的+5V电压变换成为RS-232C输出电平所需的10V电压。所以，采用此芯片接口的串行通信系统只需单一的+5V电源就可以了。对于没有12V电源的场合，其适应性更强，因而被广泛使用。,图5-17 MAX232引脚结构和典型连接图,图5-18 单片机与MAX232的接口原理图,2、RS-422接口 RS-422标准
21、全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”。为改进RS-232通信距离短、传送速率低、接口处容易出现共模干扰的缺点，RS-422定义了一种平衡通信方式，即采用差分接收、差分发送的工作方式，不需要数字地线，可将传输速率提高到最大10Mbps，在此速率下传输距离延长到12m，如采用低速率传输，如在100kbps以下，最大传输距离可达到1200m。它使用双绞线传送信号，根据两条传输线之间的电位差值来决定逻辑状态。,RS-422接口需要外接终接电阻，要求其阻值约等于传输电缆的特性阻抗。一般取100，接在传输电缆的最远端。通常情况下，短距离传输时（300米以下）可以不要终接电阻。,3、RS-485接口19
22、83年EIA在RS-422基础上制定了RS-485标准，它是一种多发送器的电路标准，增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，因此应用RS-485接口可以联网,构成分布式系统，最多能支持32个发送/接收器对。RS-485接口采用半双工模式，任何时候只能有一点处于发送状态，所以一般在RS-485接口还有一“使能”端，用于控制发送驱动器与传输线的切断与连接，当“使能”端起作用时，发送驱动器处于高阻状态。,（1）RS-485的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+(26)V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-(26)V表示。接口信号电平
23、比RS-232C降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接。,（2）RS-485的传输距离和速率 由于RS-485是从RS-422基础上发展而来的，所以RS-485许多规定与RS-422相仿。最大传输距离约为1219米，最大传输速率为10Mb/s。平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能使用规定最长的电缆长度。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般100米长双绞线最大传输速率仅为1Mb/s。,（3）RS-485接口常用芯片MAX485,图5-21 MAX485引脚图,图5-22 MCS-51单片机与MAX485的典型连接图
24、,（二）20mA电流环路串行接口,四、任务实施1、硬件设计如图5-25所示。,图5-25 PC机和单片机串行通信接口硬件原理图,2、软件设计,图5-26 PC机和单片机串行通信接口程序流程图,2）源程序,3、仿真调试如图5-27所示。,图5-27 PC机和单片机串行通信接口仿真调试结果,五、总结与提高 单片机通信是一种开放式控制系统，随着网络技术的发展而发展，由近程的（几米之内）发展至远程（几百米甚至上千米），控制的外设不同、要求不同，是一对一通信还是一对多通信，是近程通信还是远程通信，要根据具体情况具体分析，选择最佳的方案。具体从两方面考虑，一是选择相应的控制接口电路，制定最佳的硬件设施，二是编制能可靠实施的软件。,
