第2章单片机硬件结构3

第七节串行通信与输入/输出接口一、基本概念1、并行通信与串行通信1）并行通信：一次传输8位，需要8根数据线。但同时需要控制。如单片机的4个并行口。特点：速度快，适合近距离传输，计算机并口，打印机，8255，由于并行通信占用硬件端口多，是系统复杂，不适合远距离通信，应用逐渐减少，现在计算机的许多外设都变成串行通信。2）串行通信：串行通信就是将并行的数据分开后，一位一位地发送出去，接收方也是一位一位地接收数据，需要通信的双方有一个协议，什么时候开始发送，什么时候发送完毕；接收方收到的信息是否正确等。2、串行通信的方式与特点单工方式:一端是发送端，另外一端是接收端：半双工发式：每端口有一个发送器和接收器，通过开关连接在线路上，数据可以双方交换，但不能同时发送和接收.全双工方式：通信双方用两个独立的收发器单独连接,可以同时发送和接收数据,因而提高了速度。（2）特点：硬件简单，适合远距离通信（3）分类：串行同步通信和串行异步通信，3、串行同步通信同步通信先发送一个字符，作为同步字符，之后便连续发送数据，数据之间不能有间隔，直到数据发送完毕。速度要比异步通信快。硬件结构复杂。4、串行异步通信的格式异步串行通信帧格式：（一个字符称作一帧）1）起始位：在数据发送线上规定无数据时电平为1，当要发送数据时，首先发送一个低电平0，表示数据传送的开始，这就是起始位。2）数据位：真正要传送的8位数据，数据位是由低位开始，高位结束；3）奇偶校验：数据发送完后，发送奇偶校验位，以检验数据传送的正确性，这种校验方法是有限的，但是容易实现。4）停止位：用高电平1表示数据传送的结束。5）空闲位：用1来填充空闲位。（不同的工作方式，一帧的字符个数不同，后面讲）5、波特率定义：波特率是单位时间内传送多少位的信息量。单位：位/秒（B/s）；bps。（以每秒传送的位数为单位）波特率系列：110、300、1200、1800、2400、4800、9600、……单片机常用9600B/s与计算机或单片机通信。二、串行总线1、总线是计算机系统中模块到模块间传送信息的一束信号线。采用串行传输方式进行通信的叫串行总线，串行总线有几种标准，常见的有RS-232，USB，还有RS-422，RS-485，在计算机中，常见的是RS-232，现在是USB，在工业中，RS-485用的很广泛。2、RS-232C总线RS-232C总线应用很广，RS232标准由25根信号线组成，设备经常只使用其中9个信号，绝大多数为9针连接器（计算机的串行口）。232C接口信号面向使用调制解调器的串行异步通信，原来主要是计算机通过电话线进行通信的，可支持两个通信信道：主信道：用于数据传送次信道：次信道为辅助串行通道，主要提供通道控制，但其传输速率比主信道要低得多，其他跟主信道相同，通常较少使用9针连接器(阳)各个引脚信号如下：1、载波检测(DCD、入)2、接受数据(RXD、入)3、发送数据(TXD、出)4、数据终端准备好(DTR、出)5、信号地线(SGND)6、数据设备准备好(DSR、入)7、请求发送(RTS、出)8、清除请求发送(CTS、入)9、振铃指示(RI、入)1、4、6、7、8、9信号，均是要与MODEM联系，2、3、5信号就可以构成串行通信。在单片机串行通信中，实际用到了3条线：2、3、5RS-232C的传输率最大为200kb/s，在此速率下，电缆允许长度为15m。•RS-422A的传输率最大为10Mb/s，在此速率下，电缆允许长度为120m。如果采用较低传输速率，如90kb/s，最大距离可达1200m。•RS-485是RS-422A的变形。RS-422A为全双工，可同时发送和接收；RS-485则为半双工，在某一时刻，一个发送另一个接收。电平：RS232c电平逻辑0电平：＋5－＋15V；逻辑1电平：-15―-5V经常用MAX232C等芯片转换。三、AT89C51的串行口的结构8051有一个可编程的全双工串行通信接口，它可作UART（串行异步通信）用，也可作同步移位寄存器，其帧格式可有8位、10位或11位，并能设置各种波特率，给使用者带来很大的灵活性。结构如下图：工作原理：1、引脚，RXD(P3．0，串行数据接收端)、TXD(P3.l，串行数据发送端)。2、有两个物理上独立的接收、发送缓冲器SBUF，它们占用同一地址99H。可以同时工作，但不能同时访问。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。3、波特率发生器，8051用定时器T1作为串行通信的波特率发生器，T1溢出率经2分频(或不分频)又经16分频作为串行发送或接收的移位脉冲。移位脉冲的速率即是波特率。4、接收器是双缓冲结构，在前—个字节被从接收缓冲器SBUF读出之前，第二个字节即开始被接收(串行输入至移位寄存器)，但是，在第二个字节接收完毕而前一个字节CPU未读取时会丢失前一个字节。串行口内部结构示意简图传输周期：输入移位寄存器的时钟周期。由图可知：SMOD＝0时，传输周期时间t＝T1溢出周期×32μs；SMOD＝1时，传输周期时间t＝T1溢出周期×16μs。5、发送与接收信息，当向SBUF发“写”命令时(执行MOVSBUF，A指令)，就是向发送缓冲器SBUF装载并开始由TXD引脚向外发送一帧数据，发送完便使发送中断标志位TI＝1。在满足串行口接收中断标志位RI〔SCON．0〕＝0的条件下，置允许接收位REN(SCON．4)＝1就会启动接收一帧数据进入输入移位寄存器，并装载到接收SBUF中，同时使RI＝l。当发出读SBUF命令时(执行MOVA，SBUF指令)，即是由接收缓冲器(SBUF)取出信息通过8051内部总线送CPU。（对于发送缓冲器，因为发送时CPU是主动的,不会发生重迭错误，所以不需要用双缓冲结构来保持最大传送速率。）四、串行通信控制寄存器8051串行口是一个可编程接口，对它的编程只用两个控制字分别写入特殊功能寄存器：1、串行口控制寄存器SCON(98H)1)SM0、SM1:用于定义串行口的操作模式,两个选择位对应4种模式,见表其中fOSC是振荡器频率,UART为通用异步接收和发送器的英文缩写。2)SM2：多机控制位，用于多机通讯。3)REN：允许接收控制位，REN=1，允许接收；REN=0，禁止接收。4)TB8：发送的第9位数据，可用作校验位和地址/数据标识位5)RB8：接收的第9位数据或停止位6)TI：发送中断标志，发送一帧结束，TI=1，必须软件清零7)RI：接收中断标志，接收一帧结束，RI=1，必须软件清零2、电源控制寄存器PCON(87H)SMOD－－－GF1GF0PDIDL在串行通信中，用到了电源控制寄存器PCON中最高位SMOD，是波特率系数控制位，当SMOD＝1是，波特率增大一倍。五、四种工作方式1、方式0：同步移位寄存器方式。用于扩展并行I/O接口。1）数据格式：一帧8位，无起始位和停止位。2）RXD：数据输入/输出端。TXD：同步脉冲输出端，每个脉冲对应一个数据位。(唯一不同的作用)3）波特率：B=fosc/12，每个机器周期发送一位数据。如：fosc=12MHz，B=1MHz，每位数据占1s。4）发送是低位在前，8位发送完毕，停止发送，并置TI＝1。（74LS164在上升沿采集数据）该方式主要用于扩展I/O口。2、方式1，8位数据异步通讯方式。（见前面图）1）一帧10位：8位数据位，1个起始位(0)，1个停止位(1)。2）RXD：接收数据端。TXD：发送数据端。3）波特率：用T1作为波特率发生器，B=(2SMOD/32)×T1溢出率。用定时器T1的方式2（自动重装载）作波特率发生器。（注意这是规定）定时器初值的计算：初值计算可以这样理解：（对方式1、3）BSMODfosc384)1(256xx25612f322Bx25612f1ToscSMODosc－＝）－（＝）－（溢出率＝SMOD＝0时，定时器T1溢出32次传送1位；n=32SMOD＝1时，定时器T1溢出16次传送1位；n=16串行口发送1位需要的时间t2＝1000000μs/B（波特率定义）波特率确定，则传送1位的时间确定，定时器的溢出周期t就确定了，t=t2/n。计数器初值为：X=256－t/机器周期X=256-t2/(n×机器周期)例：波特率为9600B/s,单片机晶振为24MHz，求T1的初值。解：串行口发送1位需要的时间为：1000000/9600=104.167μs当SMOD＝0时，n×机器周期=0.5×32＝16μsX＝256－104.167/16＝249.49，取249，误差为|0.49|当SMOD＝1时，t＝8μs，X＝256－104.167/8＝242.98误差为|0.02|显然要取SMOD＝1，x＝2434）发送：写入SBUF，同时启动发送,一帧发送结束，TI自动置1。接收：REN=1。不能多机通信。3、方式2与方式3，9位数据异步通讯方式。方式2与方式3除波特率不同外，其他都相同。1）一帧为11位：9位数据位，1个起始位(0)，1个停止位(1)。第9位数据位在TB8/RB8中，常用作校验位和多机通讯标识位。2）RXD：接收数据端，TXD：发送数据端。3）波特率：方式2：B=(2SMOD/64)×fosc。方式3：同方式1，注意：方式1与方式3除一帧位数不同，其余相同。4）发送与接收（方式2、方式3支持多机通信）发送：由软件给TB8置1或0，自动将TB8送第9位数据。写入SBUF并启动发送，发送结束，TI=1。（注意SM2＝1时，发送的第9位数据的作用）以下为发送与接收的时序：对每个位检测3次，两次相同者有效。注意：要设奇偶校验位时，一般将待发送的数据送累加器A，则PSW中的奇偶校验位P发生变化，将P→TB8，然后将A→SBUF即可。接收：关系较复杂，见下表：序号RENSM2第9位数据功能10××禁止接收210×接收的数据送SBUF，第9位→RB8，接收完RI置1，申请中断，（双机通信，多机通信时地址相符者接收数据。）3110信息作废（多机通信，地址不符者不接收）4111数据→SBUF，第9位送RB8，接收完RI→1，申请中断（多机通信传递地址信息，各分机都接收）表中“×”表示数据任意。接收过程：4、多机通信（方式2和3）多机通信，主机只有一个，从机有多个，每个从机有相应的地址。（见图）通信过程：1）主机SM2=0，主机发送地址信息，同时TB8＝1；2）从机SM2＝1，接收信息，RB8＝1，各从机接收地址信息有效；SM2仍为13）各从机判断接收的地址是否与本机相符（中断程序中），相符者置SM2＝0，不符者SM2保持1不变。4）主机发送数据信息，TB8＝0；5）从机地址相符者接收数据信息，（见上表[2]，因SM2＝0）接收信息有效；地址不同者（见上表[3]，SM2＝1和第9位＝0）信息作废。注意：1）一般每次只能有一个从机接收，想要多个从机同时接收，将地址设为相同；全部从机同时接收，置从机SM2=1,主机第9位=1。2）从机要发送，必须设置联络方式，使地址相符的从机发送，保证同时只有一个从机发送。注意：引脚连接时（主）TXD－（从）RXD；（主）RXD－（从）TXD五、发送与接收过程及参数设置发送接收1、设置工作方式，波特率（TH1、TL1）1、设置工作方式，波特率2、开定时器T12、开定时器T1，置REN＝13、加奇偶校验位（按需要）3、接收字符送SBUF，接收完毕，RI自动置14、将待发数据送SBUF（启动发送）4、由软件清除RI5、等待发送结束，TI自动置15、从SBUF中取接收的字符6、由软件给TI置06、进行奇偶校验7、转3、发送下一个字符7、返3、接收下一个字符第八节特殊工作方式一、复位方式1、复位的作用：复位是单片机中必须的功能，它使特殊功能寄存器回复初始状态，见下表。程序重新从0000H开始执行。2、复位结构与条件复位引脚RST通过片内一个斯密特触发器与片内复位电路相连。斯密特触发器用来脉冲整形及抑制噪声，其输出在每个机器周期的S5P2时被复位电路采样一次。给RST输入2个机器周期