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1、第5章 MCS-51单片机的串行口及其应用,5.1 串行数据通信概述5.2 单片机系统中的串行接口及特点5.3 MCS-51单片机串行口的控制5.4 MCS-51单片机串行口的四种工作方式5.5 串行口波特率的设定5.6 串行口应用举例,打印机,计算机,网络,鼠标,扫描仪,硬盘,2、串行通信接口的应用,I2C SPI,RS232,USB,5.1.1 常见的串行通信接口,5.1 串行数据通信概述,1、串行通讯是实现远距离低成本数据传输的有效方法。,通用机,单片机,照片,5.1.2 串行通信的分类,1、同步传输和异步传输（按照数据传输方式划分）,5.1 串行数据通信概述,（1）同步方式：以数据块为
2、单位进行数据传送，包括同步字符、数据块和校验字符CRC。,（a）单同步字符帧结构,（b）双同步字符帧结构,【特点】优点是数据传输速率较高，缺点是要求发送时钟和接收时钟保持严格同步。,5.1.2 串行通信的分类,1、同步传输和异步传输（按照数据传输方式划分）,5.1 串行数据通信概述,（2）异步方式：以字符为单位进行数据传送，每一个字符均按固定的字符格式传送，又被称为帧。,【特点】优点是不需要传送同步脉冲，可靠性高，所需设备简单，发送与接收相互独立，互不同步，但双方必须使用相同的波特率和字符帧格式；缺点是字符帧中因包含有起始位和停止位而降低了有效数据的传输速率。,奇偶校验,奇偶校验,起始位,起始
3、位,停止位,停止位,5.1.2 串行通信的分类,1、同步传输和异步传输（按照数据传输方式划分）,5.1 串行数据通信概述,（2）异步方式：以字符为单位进行数据传送，每一个字符均按固定的字符格式传送，又被称为帧。,奇偶校验,奇偶校验,起始位,起始位,停止位,停止位,异步通信协议：没有数据发送时，数据线保持“1”状态；发送数据时，先发起始位“0”，其后是数据；数据后再发一位停止位“1”。,单工：广播,双工：电话,5.1.2 串行通信的分类,2、单工、双工、半双工传输（按照数据传输方向划分）,5.1 串行数据通信概述,5.1.3 串行通信速率波特率,5.1 串行数据通信概述,波特率是指每秒钟传送信号
4、的数量，单位为波特（Baud）。而每秒钟传送二进制数的位数定义为比特率，单位是bps（bit per second）或写成b/s（位/秒）。在单片机串行通信中，传送的信号是二进制信号，波特率与比特率数值上相等。单位采用bps。,【例】若比特率为9600bps，则每秒传输960帧，即960字符/秒，而每位传输时间：T=1/96000.104(ms),5.2 单片机系统中的串行接口及特点,在嵌入式系统中，与并行接口的总线形式相比：串行通讯成为简化电路结构的新的接口形式而越来越多的被采用。,MCS-51内部含有一个可编程全双工串行通信口，具有UART的全部功能。,UART（Universal Asy
5、nchronous Receiver/Transmitter）通用异步接收器/发送器,MCS51单片机串行（异步）通讯应用示意图,MCS-51（甲）,MCS-51（乙）,TXDRXD,RXDTXD,RS-232或485,RS-232或485,TXDRXD,RS-232,PC机COM1,COM2,单片机甲、乙之间近距离的直接通讯,单片机甲乙两地之间远距离通讯,单片机与PC机之间的数据通讯,返回前一次,TXD,RXD,TXD,RXD,返回,5.2 单片机系统中的串行接口及特点,5.3.1 数据缓冲寄存器 SBUF（99H）,在MCS-51的串行口电路中，SBUF是用来存放发送和接收数据的两个独立的
6、缓冲寄存器，在SFR的地址都是99H。CPU执行写SBUF指令便开始引发串口的发送。MOV SBUF，A 当串口接收缓冲器接收到一帧数据时，可以执行下面指令进行读取：MOV A，SBUF,5.3 MCS-51单片机串行口的控制,MCS51通过数据缓冲寄存器SBUF和控制寄存器SCON、PCON实现对串行口的控制,SBUF实际上是一个能够独立完成数据接收和数据发送操作的复杂的硬件电路；CPU只要将数据送到发送SBUF（MOV SBUF,A）后，SBUF便一位一位地发送数据，发送完成后标志TI=1；在CPU允许接收串行数据的前提下，外部串行数据经RXD送入SBUF时，电路便自动启动接收，直至完成一
7、帧数据后标志 RI=1。由于发送SBUF与接收SBUF是两个独立的缓冲器，所以51串行口是一个可以同时发送与接收的“全双工”接口。,5.3 MCS-51单片机串行口的控制,SM0 SM1:串行口工作模式选择位。,串行口控制寄存器 SCON（SFR地址98H）,返回,5.3 MCS-51单片机串行口的控制,RI：完成一帧数据接收标志，必须由软件清零，接收完成RI=1并申请中断（如果中断开放，则引发中断）；TI：完成一帧数据发送标志，必须由软件清零，发送完成TI=1同时申请中断（如果中断开放，则引发中断）；RB8：在9位有效数据传送的模式2、3时，接收到的第9位数据；TB8：在9位有效数据传送的模
8、式2、3时，将要发送的第9位数据；REN：允许接收位，REN=1时允许接收。由软件置位或清零。SM2：多机通信使能位。,跳过,中断撤消,返回,5.3 MCS-51单片机串行口的控制,5.3.2 串行口控制寄存器 SCON（SFR地址98H）,SM2:多机通信使能位.（1）模式0、1时：SM2不用，应设为0。（2）模式2、3时:若SM2=0，无论RB8如何，RI都能被激活（RI=1）。但RI=1不能引发中断！只能用查询的方式接收数据。若SM2=1，收到的第9位(RB8)=0时，则RI不会被激活；若SM2=1且RB8=1时，RI才能被激活=1并可引发中断。,5.3 MCS-51单片机串行口的控制,
9、5.3.2 串行口控制寄存器 SCON（SFR地址98H）,返回,使用RI、TI标志完成数据的发送与接收,RI（SCON.0)：接收完成标志 当SUBF从RXD接收完一个完整的数据帧时RI=1，如果中断是开放的，则RI=1时会自动引发中断。用户可以通过中断服务程序将SBUF中的数据取出送累加器A。MOV A,SBUF 在中服程序中接收数据；也可以使用查询的方式对RI进行检测：JNB RI，$；如果RI1 则等待 MOV A,SBUF；RI=1时，取SBUF中数据送A,由于SBUF与CPU之间各自独立工作，那么：接收数据时CPU何时读取SBUF中的数据？发送数据时，CPU何时再向SBUF发送下一
10、个数据？双方只能通过标志进行协调,5.3 MCS-51单片机串行口的控制,TI（SCON.1):发送完成标志。当CPU执行 MOV SBUF，A 指令后，便引发一次串行通信的过程。SBUF开始通过TXD向外按位发送数据。当完成一帧数据的发送后，TI=1。如果系统中断是开放的，则TI=1会自动引发中断。用户可以通过中断服务程序向SBUF输送下一个数据：CLR TI;软件清除标志，准备引发下次中断 MOV SBUF,A;在中断程序中发送下一个数据；也可以使用查询的方式对TI进行检测：JNBTI，$;如果TI1 则等待 CLR TI;软件清除标志，准备下次发送 MOV SBUF，A;TI=1时发送下
11、一个数据,5.3 MCS-51单片机串行口的控制,使用查询RI、TI标志的方式进行发送与接收N个数据,5.3 MCS-51单片机串行口的控制,SMOD:串行口波特率倍率控制位 SMOD=1时，方式1、2、3的波特率加倍,5.3.3 控制寄存器 PCON（SFR地址87H）,5.3 MCS-51单片机串行口的控制,返回,方式1、3下波特率可变：,模式2的波特率固定为：,5.4 MCS-51串行口的四种工作方式,【特点】做同步移位寄存器用。其波特率固定为 fosc/12。在这种模式下RXD（P3.0）做数据口；TXD（P3.1）做移位脉冲输出端。在移位过程中，先移数据的低 位D0（移位脉冲的频率就
12、是模式0的波特率）。【主要功能】使用串行口扩展并行口,5.4.1 模式0,【注意】方式0并不是一种同步通信方式,寄存器,模式0的时序信号（发送）,写SBUF,SEND,D1,D0,D2,D3,D4,D5,D6,D7,RXD端数据,SHIFT,TXD端同步脉冲,TI中断标志,mov sbuf,a 指令从发送到结束的10个机器周期,5.4 MCS-51串行口的四种工作方式,5.4.1 模式0,【特点】10位传输格式(1个起始位+8个数据位+1个停止位)；用于真正远距离的异步通讯方式；波特率可变（定时器T1的溢出率来确定，所以首先要对T1进行初始化以确定串行口的波特率）。（1）发送操作：在TI=0，
13、执行mov sbuf,a 指令后开始，自动在8位字符前后分别添加1个起始位和停止位，并从TXD端开始依次发送一帧数据。当发送完后将TI置位。,TI,5.4.2 模式1,5.4 MCS-51串行口的四种工作方式,TXD,（2）接收操作：在REN=1且RI=0的条件下进行。串行口的接收电路对RXD线进行采样，其采样频率是接收时钟的16倍。当连续8次采集到RXD线上为低电平时，检测电路便认定RXD线上有了“起始位”，此后，便开始在每个采样周期中的第7、8、9三个脉冲时进行RXD采样，采取“三中取二”的原则来确定接收的数据。,起始位,8位数据,停止位,RI,RXD,当连续8次采集到低电平时，便确认起始
14、位到来,在每个第7,8,9个脉冲对RXD采样并采用“以三取二”来确定采集的数据,5.4 MCS-51串行口的四种工作方式,5.4.2 模式1,当接收到停止位时，必须满足：RI=0且SM2=0，才能把接收的数据送到SBUF中（停止位送SCON的RB8中，并使RI=1），否则数据丢失。上面的条件意味着：要想得到接收的数据，在接收前必须事先清零RI。,方式1下波特率可变：,5.4 MCS-51串行口的四种工作方式,5.4.2 模式1,【特点】模式2、3都是11位传输格式：1个起始位+9个数据位+1个停止位。模式2与模式3的区别仅在波特率上 模式2：固定为fosc/64或fosc/32。（具体由PCO
15、N中的SMOD位来确定）。模式3：可变，由定时器T1的溢出波特率来确定（同方式1一样，为1/32或1/16倍的T1溢出率）。,起始位,8+1位数据,停止位,第9位,0,1,5.4.3 模式2、3,第9 位数据由用户安排，可以是奇偶校验位，可以是其他控制位,5.4 MCS-51串行口的四种工作方式,5.4 MCS-51串行口的四种工作方式,模式2、3的发送过程类似于模式1，唯一的区别在于数据帧中数据是9位。这样，在发送一帧数据时，CPU除了要把8位数据送SBUF外（mov sbuf,a），还要事先将第9位数据送到SCON.TB8中。SETB SCON.TB8 或：CLR SCON.TB8 例如：
16、SETB SCON.TB8 或：CLR SCON.TB8 MOV SBUF,A MOV SBUF,A,SCON（98H）,（1）发送,5.4.3 模式2、3,RI=0是保证下一个数据的正常接收的重要条件。每次当SBUF收到数据时，RI自动置1。当取走数据时必须通过软件复位RI（指令 CLR RI），否则外部发来的数据将丢失！模式2、3的接收过程类似于模式1，不同的是：模式1时，SCON中的RB8是接收到的停止位“1”；而模式2、3时，RB8是接收到的第9位（D8）。,5.4 MCS-51串行口的四种工作方式,（2）接收,5.4.3 模式2、3,串行口模式2、3时数据帧格式,发送时：将SCON中
17、的TB8作为第9位数据发送；接收时：将接收来的第9位送到SCON中的RB8中。,5.4 MCS-51串行口的四种工作方式,5.4.3 模式2、3,起始位,8+1位数据,停止位,0,1,返回,在串行口的异步通讯中，发送方与接收方是两个互相独立的系统，它们的系统时钟可以各不相同（如图所示）。在这种条件下使通讯正确的条件是：（1）要有相同的字符帧格式；（2）要有相同的波特率。,5.5 串行口波特率的设定,*当SMOD=1时，B=fosc/32；当SMOD=0时，B=fosc/64。,3、模式1、3的波特率 由T1的溢出率来决定的（SMOD=1使波特率加倍）。,MCS-51单片机的串行口4种模式其波特
18、率各不相同,1、模式0的波特率 无需用户干预，其固定值为fosc/12,2、模式2的波特率 为fosc/64或fosc/32，用户通过设置SMOD来选择其一。,5.5 串行口波特率的设定,模式1、3的波特率设定,模式1、3下的波特率计算公式：在编制串行口通讯（模式1、3）程序时，在初始化程序中，通过T1进行波特率的设定，即对T1进行初始化。T1初始化的主要任务：（1）设置T1为定时（C/T=0）、模式2（自动重装）方式。（2）计算定时常数并分别送给TH1、TL1。T1溢出率：=（计数速率）/256-（TH1）=(fosc/12)/256-（TH1）,T=(M-TC)Tosc12 其中，T:定时
19、时间;Tosc:时钟周期;M：模;TC:计数初值。,5.5 串行口波特率的设定,根据波特率求初值TH的计算公式,B=fosc/384（256-TH）；（SMOD=0时）或 B=fosc/192（256-TH）；（SMOD=1时）其中：fosc为系统时钟频率，TH为定时器T1的初值。所以可以推出：TH=256-fosc/（384*B）；（SMOD=0时）或：TH=256-fosc/（192*B）；（SMOD=1时）,【例】设系统时钟为11.0592MHz，要求波特率为1200Hz，求TH。【解】用上述公式有（设SMOD=0）：TH=256-11.0592MHz/（3841200）=232=0E8
20、H,5.5 串行口波特率的设定,返回,为什么51系列单片机常用11.0592MHz的晶振?,因为它能够准确地划分成时钟频率，与UART（通用异步接收器/发送器）常见的波特率相关。常用波特率通常按规范取1200、2400、4800、9600、，特别是较高的波特率（9600，19200），用11.0592MHz可以得到准确的数值，而用12MHz或6MHz就不能得到整数数值。通信是一定要准确发送和接受的，否则积累误差就会产生。,5.5 串行口波特率的设定,5.6 串行口的应用举例,在编制串行通讯程序时，通讯双方必须保证：（1）相同的“波特率”；（2）相同的“字符帧格式”格式。MCS-51串口的4种模
21、式中：0、2模式的波特率是固定的；1和3模式时波特率是可变且由定时器T1来作波特率发生器（以模式2的方式工作）。根据波特率计算T1的初值TC，串口程序初始化任务之一。在通讯过程中，对标志（RI、TI）的判断是控制通讯全过程的关键环节。,四种模式的接收、发送条件,5.6 串行口的应用举例,【例】使用串入/并出移位寄存器CD4094（也可用74LS164）扩展8位并行输出口，8位输出端的各位都接一个发光二极管。要求编程实现：发光二极管从左到右以一定延迟轮流点亮，并不断循环。,STB：输出允许控制端，STB=1时，允许并行输出,5.6.1 模式0举例串并变换,5.6 串行口的应用举例,ORG 020
22、0HBFS0:MOV SCON,#00H;模式0 CLR ES;禁止串行中断 MOV A,#80HLOOP:CLR P1.0 MOV SBUF,A JNB TI,$SETB P1.0 ACALL DELAY CLR TI RR A SJMP LOOP RET,编程（查询方式）,5.6 串行口的应用举例,【例2】利用串行模式0构成的2位LED数码管驱动电路,MCS-51P3.0P3.1P1.0,QA QHA,B 74LS164/CLR CLK,QA QHA,B 74LS164/CLR CLK,RXD,TXD,共阴极LED数码管.g f e d c b a,共阴极LED数码管.g f e d c
23、b a,5.6 串行口的应用举例,5.6.2 模式1举例双机通信,要求实现如下功能：单片机甲将P1口输入的数据通过串行口发送给单片机乙，单片机乙将收到的数据在P1口输出，并用指示灯显示当前收到的数据。（设系统时钟为11.0592MHz，要求波特率为1200bps）,思考：可否用模式0或模式2？,5.6 串行口的应用举例,编程发送方（单片机甲）,TMOD为 00100000B=20H,SCON为 01000000B=40H,1、串行口工作在模式12、定时器T1用作波特率发生器，工作于模式2（自动重装初值）3、采用查询方式发送数据,5.6 串行口的应用举例,发送方程序清单,org 0000h lj
24、mp 0100h org 0100hstart:mov tmod,#20h;设定时器T1定时方式、模式2 mov TL1,#0E8h;送定时初值（fosc=11.0592）mov TH1,#0E8h;波特率B=1200 mov pcon,#00h;PCON中的SMOD=0 setb TR1;启动定时器T1 mov scon,#40h;设定串行口为模式1loop2:mov p1,#0ffh mov a,p1;从P1口输入数据 mov sbuf,a;数据送SBUF发送loop1:jnb ti,loop1;判断数据是否发送完毕？clr ti;发送完一帧后清标志 sjmp loop2;返回继续,波特率
25、计算,5.6 串行口的应用举例,定时器TMOD为 00100000B=20H,SCON（98H）为01010000B=50H,编程接收方（单片机乙）,1、串行口工作在模式12、定时器T1用作波特率发生器，工作于模式2（自动重装初值）3、采用查询方式接收数据,5.6 串行口的应用举例,org 0000hljmp startorg 0100hstart:mov tmod,#20h;选定T1为模式2（自动重装）mov tl1,#0E8h;设定初值mov th1,#0E8h;同上mov pcon,#00h;PCON的SMOD=0setb tr1;启动T1定时器clr ri;清接收标志mov scon,
26、#50h;设定串行口为方式1loop1:jnb ri,loop1;判断是否接收到数据？clr ri;接收到数据后清接收标志mov a,sbuf;数据送累加器Amov p1,a;从P1口输出sjmp loop1;回继续,接收方程序清单,5.6 串行口的应用举例,用中断的方式接收数据,org 0000hljmp startorg 0023hljmp txd1org 0100hstart:mov tmod,#20h;选定T1为模式2（自动重装）mov tl1,#0E8h;设定初值mov th1,#0E8h;同上mov pcon,#00h;PCON的SMOD=0setb tr1;启动T1定时器clr
27、ri;清接收标志mov scon,#50h;设定串行口为方式1，接收mov ie,#90h;开串行口中断sjmp$;等待一帧数据接收完成（中断）org 0200hrxd1:clr ri;接收到数据后清接收标志mov a,sbuf;数据送累加器Amov p1,a;从P1口输出reti,0000H0023H0100H0200H,5.6 串行口的应用举例,中断方式接收程序框图,中断允许寄存器IE为10010000B=90H,5.6 串行口的应用举例,5.6.3 模式2、3应用举例,与模式1相比，模式2、3的主要特点：（1）9位数据的传送格式：发送时第9位在TB8中；接收时第9位在RB8中。（2）SM
28、2:多机通讯位：模式0、1中:设 SM2=0，RI可以正常的激活并引发中断。模式2、3中:SM2=0时,RI 能被激活，但不能引发中断;SM2=1时,当RB8=1，RI可以激活且引发中断;若RB8=0则不能激活RI,不能引发中断！根据上面特点，模式2、3可以:（1）利用第9位数据来传送、接收数据的“奇偶校验位”（SM2=0）。（2）利用SM2、RB8 实现多机通讯功能（SM2=1）。,5.6 串行口的应用举例,返回,【例】收发双方约定为奇校验（9位数据中1的个数为奇），如何编程实现？【分析】发送方的第9位（存于TB8中）要根据前8位数据来确定。若发送的8位数据是：00011010，则TB8为0
29、。这样当接收方将SBUF的数据送A时（MOV A，SBUF），A中数据是：00011010。这时PSW.P=1，且 RB8=0；若发送的8位数据是：00011011，则TB8为1。这样当接收方将SBUF的数据送A时（MOV A，SBUF），A中数据是：00011011。这时PSW.P=0，且 RB8=1；接收方进行 PRB8运算，仅当结果为1时通信才正确。用第9位数据作为奇校验位,使通信数据的正确性得以提高。,1、带奇偶校验位的数据传送,5.6 串行口的应用举例,5.6.3 模式2、3应用举例,利用模式2、3进行带奇校验的串行通讯程序流程图,发送端程序（原始TI=0）,接收端程序（原始RI=0
30、）,5.6 串行口的应用举例,模式2、3使用时要注意的问题,在模式2、3中，可以实现较为特殊的通讯方式，如带校验位的9位传送、多机通讯。注意：当SM2=0时，只能采用查询方式。,转至多机通信例子,5.6 串行口的应用举例,关于SM2的设定,对于接收操作：模式1：SM2无用，令其=0即可。此时接收数据条件是：RI=0 且 REN=1。单片机可以利用查询或中断方式为串口服务。模式2、3的接收条件是：（除了RI=0、REN=1外）当 SM2=0时：RI 可以被激活（但不能引发中断）；当 SM2=1时：接收到RB8=1时，RI不仅能激活，还能引发中断。可见：当SM2=1时，单片机是否能接收到数据取决于
31、外部数据的第9位RB8。这样外部可以通过第九位数据是“0”还是“1”来控制、决定单片机的接收状况。,5.6 串行口的应用举例,当数据是带奇偶校验位的9位数据时（校验位是RB8）,必须令SM2=0，这样才能保证所有数据的正确接收（无论RB8如何）；在“多机通讯”时，所有的从机都将其SM2=1，这样作为主机在向从机发送数据/命令时，可以通过所发数据的第9位TB8（对于从机来说是RB8）来决定从机是否可以接收到此数据/命令（取决于RB8）。即 RB8=1时接收有效；RB8=0时接收无效。所以，SM2也称“多机通讯位”，用于多机通讯。,5.6 串行口的应用举例,在模式2、3中：如何利用和设置SM2和R
32、B8来控制接收？,2、多机通信,5.6 串行口的应用举例,5.6.3 模式2、3应用举例,（1）硬件连接 单片机构成的多机系统常采用总线型主从式结构。所谓主从式，即在数个单片机中，有一个是主机，其余的是从机，从机要服从主机的调度、支配。80C31单片机的串行口方式2和方式3适于这种主从式的通信结构。当然采用不同的通信标准时，还需进行相应的电平转换，有时还要对信号进行光电隔离。在实际的多机应用系统中，常采用RS-485串行标准总线进行数据传输。,主从结构的多机通信系统,转至作业,5.6 串行口的应用举例,2、多机通信,5.6.3 模式2、3应用举例,（1）硬件连接,参见SM2位,5.6 串行口的
33、应用举例,（2）通信协议 所有从机的SM2位置1，处于接收地址帧状态。主机发送一地址帧，其中8位是地址，第9位为地址/数据的区分标志，该位置1表示该帧为地址帧。所有从机收到地址帧后，都将接收的地址与本机的地址比较。对于地址相符的从机，使自己的SM2位置0（以接收主机随后发来的数据帧），并把本站地址发回主机作为应答；对于地址不符的从机，仍保持SM2=1，对主机随后发来的数据帧不予理睬。,2、多机通信,5.6.3 模式2、3应用举例,参见SM2位,5.6 串行口的应用举例,（2）通信协议 当主机找到从机后，开始向从机发数据（其特征为第9位=0）。由于从机SM2=0，所以尽管接收到的RB8=0，同样
34、可以激活从机的RI，使其以查询的方式接收主机发出的数据或命令。当主机与从机的通讯完成后，从机再将其SM2=1，并退出中断服务程序。主机重新发出另一个从机的地址，所有从机可以马上响应并接收地址信息。,2、多机通信,5.6.3 模式2、3应用举例,（3）程序（略）,多机通讯小结,1、主机的SM2=0，从机的SM2=1；2、主机向从机发送的地址码（第9位为“1”）；3、所有的从机（SM2=1、RB8=1、RI=0）都能接收主机的地址进入中断服务程序。在服务程序中比较、确认是否为被寻从机。4、被寻从机将SM2清零，以保证能以查询的方式接收主机的数据、命令。同时向主机返回地址供主机核实。没有被选中的从机保持SM2=1并退出服务程序。5、被寻中的从机以查询RI的方式与主机之间进行数据交换（注意：因为SM2=0时，RI虽然能被激活，但不能引发中断），主机发送的数据的特征为第9位=0，以使该数据对其它从机无效。被寻中的从机与主机完成数据交换后，重新将SM2置1。,5.6 串行口的应用举例,作 业,MOV SBUF,A 指令意味着什么？如何判断SBUF中的数据发送完或接收完成？串行口的波特率如何确定？在计算波特率时，PCON中的SMOD位的作用是什么？它对波特率由何影响？,
