第A章串行接口

微机接口技术机电工程系陈慧专业方向必修课、考查课，2.5学分、40学时第A章串行接口A.1串行通信的基本概念A.2串行口基本结构与操作方式2计算机1GND计算机2GND并行通信计算机1GND计算机2GND发送接收串行通信A.1串行通信的基本概念单片机与外界的信息交换称为通信。基本通信方式有两种：并行通信和串行通信。并行通信传送数据的特点是各位同时发送或接收，而串行通信传送数据的特点是各位按顺序一位一位地发送或接收。3并行通信并行通信中一个并行数据占多少位二进制数，就要多少根传输线。其特点是通信速度快，但传输线多，价格较贵，适合近距离传输。一般用于电路芯片内部，同一个插板上各部件之间的通信，距离小于30m。前面关于存储器扩展、总线法扩展I/O口电路的通讯方式均为并行传送。计算机1GND计算机2GND并行通信4串行通信串行通信仅需一到两根传输线即可实现，故在长距离传送数据时成本少，比较经济。但由于它每次只能传送一位，所以传送速度较慢。计算机1GND计算机2GND发送接收串行通信5A.1.1串行数据传送方式1．单工方式单向传送数据，通信双方中一方固定为发送端，另一端固定为接收端。只需要一条数据线。图A-1(a)单工方式示意图发送器A站接收器B站单工通信(a)6这种方式允许数据在两个方向的任一方向传送，但每次只能有一端发送。使用同一根传输线既作接收又作发送，虽然数据可以在两个方向上传送，但通信双方不能同时收发数据。2．半双工方式图A-1(b)半双工方式示意图发收A站发收B站(b)73．全双工方式当数据的发送和接收分流，分别由两根不同的传输线传送时，通信双方都能在同一时刻进行发送和接收操作，这样的传送方式就是全双工（FullDuplex）制。它要求两端的通信设备具有完整和独立的发送、接收功能。图A-1(c)半双工方式示意图发收A站发收B站(c)8A.1.2波特率和发送/接收时钟1．波特率并行通信中，传输速度以每秒传输的字节（B/s）表示。而串行通信数据传送的速率用波特率来表示。波特率指每秒钟传送的二进制数码的位数，单位是bps（bitpersecond），即位/秒。波特率是串行通信的重要指标，用于衡量数据传输的速率。91）发送时钟发送端使用的用于决定数据位宽度的时钟。2）接收时钟接收端使用的用于测定每一位输入数据位宽度的时钟。3）接收/发送时钟频率接收/发送时钟频率＝n·波特率，其中n＝1，16，32，642．发送/接收时钟10A.1.3串行的基本通信方式1．异步通信串行数据按传递方式分为两种基本的通信方式：异步通信和同步通信。异步通信中数据或字符是分为一帧一帧地传送，在帧格式中先用一个起始位“0”表示字符的开始，然后是5～8位数据，规定低位在前，高位在后，接下来是奇偶校验位(可省略)，最后一个停止位“1”表示字符的结束，构成一帧。由于异步通信每传送一帧有固定格式，通信双方只需按约定的帧格式来发送和接收数据，所以硬件结构比同步通信方式简单；此外它还能利用校验位检测错误，所以这种通信方式应用较广泛。112．同步通信同步通信中，在数据或字符开始处就用一同步字符来指示(1～2个)，由时钟来实现发送端和接收端同步，一旦检测到与规定的同步字符符合，下面就连续按顺序传送数据。因为同步通信数据块传送时去掉了字符开始和结束的标志，所以其速度高于异步传送，但这种方式对硬件结构要求较高。这种通信方式中收/发双方必须建立准确的位定时信号，即收/发时钟的频率必须严格地一致。MCS-51单片机一般不使用。12根据串行通信格式及约定(如同步方式、通信速率、数据帧格式等)的不同，形成了许多串行通信接口标准，如常见的UART(通用串行异步通信接口)、USB(通用串行总线接口)、I2C总线、SPI总线(同步通信)、485总线、CAN总线接口等。下面结合MCS-51单片机介绍常用UART接口。A.1.4串行通信接口种类131）接口信号RS-232C通信接口又称RS-232C总线标准。它向外部的连接器有25针和9针两种“D”型插头，各针的功能及排列如图图9-2(a)、图9-2(b)。1．RS-232C通信接口142）电平转换单片机电平通常是TTL电平，它与RS232C电平不兼容，必须进行电平转换。RS-232C与TTL的电平转换的芯片有MCl488传输线驱动器和MCl489传输线接收器。由于MCl488和MCl489需要±15v或±12V供电，造成了使用不便，现常用+5v单电源供电的转换芯片，如MAXIM公司的MAX232芯片，它可以实现RS-232C与TTL/CMOS电平之间的转换。MA-X232的组成及引脚图如图A-3所示。1．RS-232C通信接口152.RS-422A通信接口1）接口信号RS-422A通信接口是对RS-232C通信接口的改进，它采用平衡传输电气标准，输人/输出均采用差分驱动，因此具有更强的抗干扰能力，传送速率也大大提高。它向外部的连接器常采用9针“D”型插头，各针的功能及排列如图A-4所示。162.RS-422A通信接口2）电平转换能够将TTL电平转换为RS-422A电平的常用芯片有SN5174、MC3487等。能将RS-422A电平转换为TTL电平的常用芯片有SN75175、MC3486等。SN75174、SN75175分别具有三态输出的单片差分驱动器和接收器，符合E认标准的RS-422A规范，它采用+5V单电源供电，功能上可以与MC3487、MC3486互换。下图图A-5是用SN75174、SN75175实现的电平转换电路图。17A.1.5信号调制与解调MODEM与计算机连接的方式分成内接式和外接式。MODEM的调制方式有3种：1）振幅调制（ASK）：以两种振幅的大小来区别数字信号“0”与“1”；2）频率调制（FSK）：利用两个固定的频率来分别代表数字信号“0”与“1”；3）相位调制（PSK）：利用相位的差异来区别信号，当相位差180º时代表位值的变化。18A.1.6串行接口的任务1．进行串－并转换2．实现串行数据格式化3．可靠性检验4．实施接口与通信设备之间的联络控制19图A-2(a)25针插头引脚定义图20图A-2(b)9针插头引脚定义图21图A-3MAX232组成及引脚图22图A-4RS－422A插头引脚定义图23图A-5RS-422A接口电平转移电路24A.251单片机串行口基本结构与操作方式A.2.1串行口的基本组成A.2.2串行口的SFR寄存器A.2.3串行口的工作方式A.2.4串行口的应用A.2.5例题返回25如图9.2.1所示，串行口由发送控制、接收控制、波特率输入管理和发送/接收缓冲器SBUF组成。串行口的通信操作体现为累加器A与发送/接收缓冲器SBUF间的数据传送操作。A.2.1串行口的基本组成发送SBUF(99H)门发送控制器接收控制器≥1输入移位寄存器串行控制寄存器(98H)定时器1接收SBUF(99H)888TIRI内部总线TXD(P3.1)RXD(P3.0)串行口中断图A.2.1单片机串行口示意图26当对串行口完成初始化操作后要发送数据时，待发送的数据由A送入SBUF中，在发送控制器控制下组成帧结构并自动以串行方式发送到TXD端，在发送完毕后置位TI。如果要继续发送，在指令中将TI清零。接收数据时，置位接收允许位才开始串行接收操作，在接收控制器控制下，通过移位寄存器将串行数据送入SBUF。发送SBUF(99H)门发送控制器接收控制器≥1输入移位寄存器串行控制寄存器(98H)定时器1接收SBUF(99H)888TIRI内部总线TXD(P3.1)RXD(P3.0)串行口中断图A.2.1单片机串行口示意图271.SBUF—串行口数据缓冲器2.SCON—串行口控制寄存器3.PCON—电源及波特率选择寄存器A.2.2串行口的SFR寄存器281）共两个：一个发送寄存器SBUF，一个接收SBUF，二者共用一个地址99H。2）SBUF为不可位寻址寄存器。3）SBUF只能与A实现数据传送。1．串行口发送/接收缓冲器SBUF29发送中断标志接收中断标志SM0SM1SM2RENTB8RB8TIRI工作方式选择多机通信控制位允许串行接收位接收数据的第9位发送数据的第9位9FH9EH9DH9CH9BH9AH99H98H2．串行口控制寄存器SCONSCON为可位寻址寄存器，用于串行口的方式设定和数据传送控制，直接地址为98H。其功能位规定如下：30SM0SM1工作方式功能波特率00方式08位同步移位寄存器fosc/1201方式18位UART可变10方式29位UARTfosc/64或fosc/3211方式39位UART可变例：设串行口工作在方式1，允许接收，则指令为：MOVSCON,#01010000B1）SM0、SM1这两位为串行方式的定义方式选择位。用来选择串行口的四种工作方式，如下表。312）SM2该位为串行多机通信控制位。在方式2、方式3中用于多机通信控制。在方式2、方式3的接收状态中：若SM2=1，当接收到的第9位(RB8)为零时舍弃接收到的数据，RI清零；当RB8为1时，将接收到的数据送SBUF中，并将RI置1。3）REN该位为允许接收位。REN=1时允许接收，REN由指令置位或清零。324）TB8该位为第9位发送数据。多机通信(方式2、方式3)中TB8标明主机发送的是地址还是数据，TB8=0为数据，TB8=1为地址。TB8由指令置位或清零。5）RB8该位为多机通信(方式2、方式3)中用来存放接收到的第9位数据，用以表明所接收的数据的特征。336）TI该位为发送中断标志位。方式0时，发送完8位数据后由硬件置位，其他方式下发送停止位时由硬件置位，并请求中断。T1=1表示帧发送结束，可供查询，TI由指令清零。7）RI该位为接收中断标志位。方式0时，接收完8位数据后由硬件置位，其他方式下接收到停止位时由硬件置位，并请求中断。RI=1，表示帧接收终了。RI可供查询，由指令清零。34串行通信只用该位，SMOD=1时，波特率×2；SMOD=0时，波特率不变。SMOD×××GF1GF0PDIDL87H3．电源及波特率选择寄存器PCON串行口借用了电源控制寄存器PCON的最高位SMOD，用SMOD作为串行口波特率的倍增位。PCON为不可位寻址，直接地址为87H。35A.2.3串行口的工作方式SM0SM1工作方式功能波特率00方式08位同步移位寄存器fosc/1201方式18位UART可变10方式29位UARTfosc/64或fosc/3211方式39位UART可变361.方式01）特点①用作串行I/0扩展，具有固定的波特率，为Fosc/12。②同步发送/接收，由TXD提供移位脉冲，RXD用作数据I/O通道。③发送/接收8位数据，低位在先。2）发送操作当执行一条“MOVSBUF,A”指令时，启动发送操作，由TXD输出移位脉冲，由RXD串行发送SBUF中的数据。发送完8位数据后自动置T1=1，请求中断。要继续发送时TI必须由指令清零(Tl=0)。3）接收操作在RI=0条件下，置REN=1时启动一帧数据的接收，由TXD输出移位脉冲，由RXD接收串行数据到A中。接收完一帧自动置位RI，请求中断，想继续接收时要用指令清除RI。372.方式11）特点①8位UART接口。②帧结构为10位，起始位0，8位数据，l位停止位。③波特率由指令设置，由T1的溢出率决定。2）发送操作当执行一条“MOVSBUF,A”指令时，A中的数据从TXD端实现异步发送。发送完一帧后置TI=0并请求中断，要求继续发送时，须指令清零TI。3）接收操作当置位REN时，串行口采样RXD，当采样到I至0的跳变时，确认串行数据帧的起始位，开始接收一帧数据，直到停止位到来时，把停止位送入RB8中，置位RI请求中断并通知CPU从SBUF中取走接收的数据。RI由指令清零。383.方式2和方式31）特点①9位UART接口。②帧结构为11位，包括起始位0、8位数据位、1位可编程位TB8/RB8和停止位l。③波特率在方式2中固定为Fosc/32或Fosc/64由SMOD位选择。SMOD=1时，波