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1、第5章 80C51单片机的串行接口技术,计算机与计算机之间，计算机与外设之间的数据交换称为通信。计算机与外部设备的通信有两种基本方式：并行通信和串行通信。信息的各位数据被同时传送的通信方法称为并行通信。并行通信依靠并行I/O接口实现。在并行通信中，数据有多少位就需要多少条信号传输线，这种通信方式的速度快，但由于传输线数较多，成本高，仅适合近距离通信，通常传送距离小于30米，常用并行通信协议有SPP、EPP、ECP等。当距离大于30米时，则多采用串行通信方式，串行通信是指信息的各位数据被逐位顺序传输的通信方式，这种通信方式较之并行通信而言，具有如下优点：(1)传输距离长，可达到数千公里；(2)长
2、距离内串行数据传送速率会比并行数据传送速率快，串行 通信的通信时钟频率较并行通信更容易提高；(3)抗干扰能力强，串行通信信号间的相互干扰完全可以忽略；(4)通信成本低；(5)传输线既传数据，又传联络信息。,5.1 串行通信概述,5.1.1 串行通信的分类 通常情况下，在串行通信中根据信息传送的格式分为：异步串行通信和同步串行通信。在80C51单片机中主要使用异步串行通信方式。同步通信方式是以数据块的方式传送的，数据传输率高，适合高速率、大容量的数据通信。同步通信在数据开始处用12个同步字符来指示。同步通信中，由同一频率的时钟脉冲来实现发送和接收的同步。在发送时要插入同步字符，接收端在检测到同步
3、字符后，就开始接收任意位的串行数据，如图5-1所示。同步通信具有较高的传输速率，通常在几十至几百千波特，但对硬件要求较高。,图5-1 同步通信原理图,异步通信中，是以字符为单位传送的，数据传送可靠性高，适合低速通信的场合。异步通信用起始位“0”表示字符的开始，然后从低位到高位逐位传送数据，最后用停止位“1”表示字符的结束。一个字符又称为一帧信息。在异步通信中，对字符的编码形式规定位：每个串行字符由4个部分组成：1个起始位、58个数据位、1个奇偶校验位以及12个停止位。在帧格式中，一个字符由起始位“0”开始，到停止位结束，两相邻字符帧之间可以无空闲位，也可以有若干空闲位，这由用户根据需要决定。如
4、图5-2所示。,图5-2 异步通信字符帧格式,在异步通信中，发送方和接收方必须保持相同的波特率(Baud Rate)才能实现正确的数据传送。波特率是串行通信的重要指标，用于表征数据传输的速度，波特率是指单位时间内传送的信息量，即每秒钟传送的二进制位数(亦称比特数)，单位是bit/s，即位/秒。波特率越高，数据传输速度越快，但和字符的实际传输速率不同。字符的传输速率是指每秒内所传送字符帧数，和字符帧格式有关。,例如：在异步通信中使用1位起始位，8位数据位，无奇偶校验位，1位停止位，即一帧数据长度为10bit，如果要求数据传送的速率是1秒传送120帧字符，则传送波特率为1200波特。常用的标准波特
5、率是：110波特、300波特、600波特、1200波特、l800波特、2400波持、4800波特、9600波特和19200波特。,5.1.2 串行通信制式 在串行通信中，数据通常在发送器和接收器（如A和B）之间进行双向传送。这种传送根据需要又可分为单工通信、半双工通信和全双工通信。在80C51单片机中使用全双工异步串行通信方式。,图5-3 串行通信数据传送方式,5.1.3 串行通信接口标准 从本质说，通信是CPU于外部设备间交换信息的一种方式。所有的串行通信接口电路都是以并行数据形式与CPU连接、而以串行数据形式与外部设备进行数据传送。它们的基本功能都是从外部设备接收串行数据，转换为并行数据后
6、传送给CPU；或从CPU接收并行数据，转换成串行数据后输出给外部设备。能够实现异步通信的硬件电路称为UART(Universal Asynchronous Receive/Transmitter)，即通用异步接收器/发送器；能够实现同步通信的硬件电路称为USRT(Universal Synchronous Receive/Transmitter)。所谓接口标准，就是明确的定义若干条信号线，使接口电路标准化、通用化。采用标准接口，可以方便地把计算机、外部设备和测量仪器等有机的联系起来，并实现其间的通信。在单片机控制系统中，常用的串行通信接口标准有：RS-232C、RS-449、RS-422A、R
7、S-423A、RS-485、20mA电流环、USB、IIC及SPI等总线接口标准。,5.2.1 80C51的串行接口的结构 MCS-51单片机通过串行数据接收引脚RXD（P3.0）和串行数据发送引脚TXD（P3.1）与外界进行通信。串行口内有一个可直接寻址的专用寄存器-串行口缓冲寄存器SBUF，SBUF由两个寄存器组成：一个发送寄存器、一个接收寄存器，两者共用一个物理地址99H，可同时发送、接收数据，CPU写SBUF，就是修改发送寄存器,读SBUF就是读接收寄存器。其内部结构功能如图5-12所示。接收寄存器是双缓冲的，以避免在接收下一帧数据之前，CPU未能及时响应串口接收中断，没有把上一帧数据
8、读走，产生两帧数据重叠的情况。发送寄存器没有采用双缓冲结构，因为发送数据是由CPU控制的，在用户编程时，必须避免产生写重叠情况，即在用户程序中必须等数据发送完毕后才能发送下一个数据。,图5-12 80C51串行口结构框图,5.2 80C51的串行接口及工作方式,5.2.2 80C51的串行接口的控制寄存器 单片机串行接口是可编程的接口，在使用其串行接口时，必须先对串行口控制寄存器（SCON）和电源及波特率选择寄存器（PCON）进行初始化。1、SCON串行口控制寄存器 SCON是一个特殊功能寄存器，用于设定串行接口的工作方式，字节地址位98H，具有位寻址能力。各位的功能如下：,SM0、SM1为工
9、作方式选择位。80C51串行口有四种工作方式，如表5-2所示。,RI为接收中断标志位：在方式0下，当接收到第8位数据，或在其他3种方式下接收停止位的一半（与SM2的设置有关）时，由硬件置位。RI=1时，表示一帧数据接收完成。RI被置位后可向CPU产生中断请求，也可供软件查询。RI必须用CLR指令复位。TI为发送中断标志位：在方式0下，当发送第8位数据结束，或在其他3种方式下发送停止位时，由硬件置位。TI=1时，表示一帧数据发送完成。TI被置位后可向CPU产生中断请求，也可供软件查询。TI必须用CLR指令复位。RB8为帧接收标志位：在方式2、方式3下为接收数据的第9位，它可以是奇偶校验位，也可以
10、作为多机通信控制位，用于判定该字符所代表的信息（地址或数据等）。在方式1下，若SM2=0，RB8位为接收到的停止位。在方式0下，该位不用。TB8为帧发送标志位：方式2、方式3下为要发送数据的第9位，由软件置位或复位，表示奇偶校验位，也可以作为多机通信控制位，用于判定该字符所代表的信息（地址或数据等）。在方式0和方式1下，该位不用。,REN为串行口接收允许控制位：由软件置位或复位。REN=1，表示允许接收；REN=0，禁止接收。SM2为串行口多机通信控制位（作为方式2、方式3的附加控制位）：在方式2或方式3下，若SM2=0，则不允许多机通信，即不管接收到的第9位数据为0或1，前8位数据都送入SB
11、UF，并使RI=1；若SM2=1，则允许多机通信。多机通信协议规定：若接收到的第9位数据RB8=1，说明本帧数据为地址数据，若接收到的第9位数据RB8=0，说明本帧为数据帧。在方式1下，若SM2=1，则只有接收到有效的停止位时，才能置位RI。在方式0下，SM2必须为0。例如：设串行口工作在方式1，允许接收，则指令为：MOV SCON，#01010000B,2、PCON电源及波特率选择寄存器 PCON寄存器主要是为CHMOS型单片机的电源控制设置的专用寄存器，单元地址为87H，不能位寻址。各位的功能如下：,SMOD：串行口波特率的倍增位。在HMOS单片机中，该寄存器中除最高位之外，其他位都是虚设
12、的。在单片机工作在方式1、方式2和方式3时，SMOD=1，串行口波特率提高一倍；SMOD=0，则波特率不加倍。系统复位时SMOD=0。,GF1、GF0：通用标志位，由软件置位、复位。,PD：掉电方式控制位，PD=1，则进入掉电方式。,IDL：待机方式控制位，IDL=1，则进入待机方式。,根据SCON寄存器的SM0、SM1位设置的不同，80C51串行口有4种工作方式，其中方式0和方式2的波特率相同，方式1和方式3的波特率可变，取决于定时器T1的溢出率。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.
13、1)送出。这种方式常用于扩展I/O口。移位输出：方式0发送数据的原理图和工作时序如图5-13,采用74LS164串入并出移位寄存器实现，P1.0线提供片选信号（高电平有效）。当一个数据写入串行口发送缓冲器时，串行口将8位数据以fosc/12的固定波特率从RxD引脚输出，从低位到高位。发送完成后，置中断标志TI为1，请求中断，在再次发送数据之前，必须用软件将TI清零。,5.3 80C51串行口的工作方式及波特率,移位输入：方式0接收数据的原理图和工作时序如图5-14所示采用74LS165并入串出移位寄存器实现，P1.0线提供控制信号，当S/L=0时，允许置入并行数据，当S/L=1时，允许数据串行
14、移位输出。在REN=1和RI=0的条件下，接收器以fosc/12的波特率对RxD引脚输入的数据信息采样，当接收器接收完8位数据后，置中断标志RI=1为请求中断，在再次接收之前，必须用软件将RI清零。,图5-14 方式0输入原理图、时序,80C51串行口工作方式0应用举例：【例5-1】用8051串行口外接8位并入串出口，驱动所连接的8只LED管循环点亮。接口扩展如图5-15所示。,仿真链接,采用查询方式：#include sbit clk=P10;void delay(int N)/延时子程序(晶振12M)int i,j;for(i=0;iN;i+)for(j=0;ji;j+);void mai
15、n()int xx;while(1)clk=0;clk=1;/发送移位脉冲 SCON=0 x10;/允许串行口接收数据 while(RI=0)/等待发送;xx=SBUF;/读取数据 RI=0;/清除接收中断标志 P2=xx;delay(200);,方式1 方式1是10位数据的异步通信，多用于双机通信。TXD为数据发送端，RXD为数据接收端，传送的每一帧数据中包括：1位起始位，8位数据位，1位停止位。波特率可变，PCON寄存器的SMOD位和T1的溢出率共同决定。波特率=(2smod)T1的溢出率/32 当T1作为波特率发生器时，最典型的用法是使T1工作在自动再装入的8位定时器方式（即方式2，且T
16、CON的TR1=1，以启动定时器），使用这种方式，使得编程操作方便，也可避免因重装初值(时间常数初值)而带来的定时误差。T1的溢出率=fosc/(12*(256-N)，N为定时器T1的计数初值所以：方式1下的波特率=或者：,方式1发送：方式1数据发送是从数据写入发送缓冲器（SBUF）开始的，随后在串行口由硬件自动加入起始位和停止位，构成一个完整的帧格式，然后在移位脉冲的作用下，由TXD端串行输出。一个字符帧发送完后，使TXD输出线维持在“1”状态下并将SCON寄存器的TI位置“1”，该位的状态可供查询或请求中断，在再次发送数据之前，必须用软件将TI清零。方式1发送的时序如图5-16所示。,图5
17、-16 方式1串行发送时序,方式1接收：在REN为1时，接收器以所选择波特率的16倍速率采样RXD引脚电平，当检测到RXD引脚输入电平产生负跳变时，说明起始位有效，将其移入移位寄存器，并开始接收这一帧信息的其余位。接收过程中，数据从输入移位寄存器右边移入，起始位移至输入移位寄存器最左边时，控制电路进行最后一次移位。当RI=0，且SM2=0（或接收到的停止位为1）时，将接收到的9位数据的前8位数据装入接收SBUF，第9位（停止位）进入RB8，并将SCON寄存器的RI位置“1”，该位的状态可供查询或请求中断，在再次发送数据之前，必须用软件将RI清零。方式1接收的时序如图5-17所示。,图5-17
18、方式1串行接收时序,5.3.3 方式2和方式3 方式2和方式3是11位数据的异步通信，多用于多机通信。TXD为数据发送端，RXD为数据接收端，传送的每一帧数据中包括：1位起始位，9位数据位（含1位附加的第9位，发送时为SCON中的TB8，接收时为RB8），1位停止位。方式2的波特率为晶振频率的64分频或32分频，方式3的波特率设置方法与方式1相同。方式2和方式3接收：接收时，数据从右边移入输入移位寄存器，在起始位0移到最左边时，当接收器接收到第9位数据后，在RI=0，且SM2=0（或接收到的第9位数据为1）时，接收到的数据装入接收缓冲器SBUF和RB8（接收数据的第9位），并置位RI，供查询或
19、向CPU请求中断如果条件不满足，则数据丢失，且不置位RI，继续搜索RXD引脚的负跳变。方式2、3接收的时序如图5-18所示。,图5-18 方式2、3接收时序,方式2和方式3发送：发送数据由TxD端输出，一帧信息中的9位数据包括8位数据位(先低位后高位)、一位附加可控位(1或0)。附加的第9位数据为SCON中的TB8的状态，它由软件置位或复位，可作为多机通信中地址数据信息的标志位，也可作为数据的奇偶校验位。一个字符帧发送完毕后，自动将TI位置“1”，供查询或向CPU请求中断。方式2、3发送的时序如图5-19所示。,图5-19 方式2、3发送时序,5.3.4 串行口的初始化 采用80C51进行串行通信之前必须对其进行初始化。初始化的主要内容是：设置产生波特率的定时器1的初始值、设置串行口的工作方式和控制方式、设置中断控制。具体步骤如下：1）确定T1的工作方式（TMOD寄存器编程）；2）计算T1的初值，装载TH1、TL1；3）确定SMOD值（PCON寄存器编程）；4）启动T1（TCON中的TR1位置位）；5）确定串行口通信方式（SCON寄存器编程）；6）若串行口在中断方式工作时，进行中断设置（IE、IP寄存器编程）。,
