MCS-51单片机应用教程 第4章

第4章单片机的串行通信4.1串行通信的概念4.2MCS-51串行口的结构及工作方式4.3串行通信的应用4.4小结习题本章主要介绍单片机串行通信I/O接口的结构、串行通信控制寄存器、单片机串行通信的工作方式以及串行通信波特率。通过对本章的学习，读者应掌握和了解以下知识：MCS-51单片机串行口的结构MCS-51单片机串行通信的四种工作方式和特点MCS-51单片机串行通信波特率的设置方法利用MCS-51单片机串行口扩展I/O口线的技术MCS-51单片机的双机通信和多机通信的基本原理本章学习目标CPU与外设之间的信息交换和传输称为通信，通常有并行和串行两种通信方式。用单片机的多个I/O口线同时传送若干个数码，称为并行通信方式。其优点在于传输速度较快，缺点是占用通信线较多，不适合远程通信。另一种通信方式是从单片机的一个I/O口线逐位传输二进制编码数据，称为串行通信。其优点是占用I/O口线少，适合远程通信和上、下位机之间通信，缺点是通信速度比并行通信慢得多。4.1串行通信的概念在串行通信中，数据是在两个不同的站之间传送的。按照数据传送的方向，串行通信可分为3种制式。（1）单工制式信息只能沿着一个方向传输。例如，甲设备只能发送，乙设备只能接收。只需一条数据线，如图4-1(a)所示。4.1.1串行通信的制式（2）半双工制式信息可以沿一条信号线的两个方向传输，但不能同时实现双向传输，只能交替地收或发。甲、乙两站之间只要一条数据线和一条接地线。收发开关是由软件控制的，通过半双工通信协议进行收发功能切换。如图4-1(b)所示。（3）全双工方式使用两条相互独立的数据线，分别传输两路方向相反的信息，使收和发能同时进行。因此全双工方式要占用单片机的两个I/O脚，需要包括地线在内的三根传输线。如图4-1(c)所示。图4-1点-点串行通信的制式1.异步方式在异步通信中，数据通常是以字符为单位组成字符帧传送的。字符帧由发送端逐帧发送，接收端逐帧接收。发送端和接收端可以由各自的时钟来控制数据的发送和接收。这两个时钟源可以彼此独立、互不同步。4.1.2串行通信的方式（1）字符格式的约定MCS-51单片机的字符格式约定10位或11位二进制码为一帧数据。其中每一位都有自己的定义：起始位、二进制数据位、地址/数据识别位、奇偶校验位或者停止位。图4-2(a)示出了三种典型的异步帧格式。图4-2串行通信数据格式（2）波特率的约定波特率即传送二进制码的速率，其单位为b/s或1/s。波特率越高，数据传输速度越快。在异步通信中，接收端和发送端保持相同的传送波特率，并以字符数据的起始位与发送设备保持同步。（3）其他约定起始位、奇偶校验位和停止位的约定，在同一次传送过程中必须保持一致，这样才能成功地传送数据。异步方式并不要求两帧数据之间的时间间隔为常数。如果接收机接收到了一个起始位，就按波特率依次接收以后的各位数据，直至收到了停止位为止。在传输数据的过程中，规定了用符号0和1表示二进制数码，还规定了逻辑0为空号（SPACE），逻辑l为传号（MARK）。异步通信在线路空闲时总处于传号状态。总之，异步通信方式是按帧传送数据的工作方式，这种方式的优点是可靠性高，能及时发现通信中的错误码；缺点是通信效率比同步方式低。2.同步方式将一大批数据分成几个数据块，数据块之间用同步字符予以隔开，而传输的各位二进制码之间都没有间隔，所以同步方式是按数据块传送数据的，一次可以传送完一大批数据。同步方式中，每一位数据占用的传输时间都是相等的，接收机的接收时钟应该和发送机的发送时钟以及传送的码元同步。图4-2(b)中给出了典型的数据格式。与图4-2(a)相比，同步通信方式的数据格式中没有两帧之间的空闲时间，也没有一帧之内的识别标志位。显然这种方式可以大大提高通信速度，常用于高速计算机的大容量数据通信。MCS-51单片机有一个全双工异步串行I/O口，占用P3.0和P3.1两个管脚，为P3口的第二功能，即P3.0是串行数据接收端（RXD），P3.1是串行数据发送端（TXD）。MCS-51内部的可编程全双工串行通信接口，具有通用异步接收/发送器（UART）的全部功能。该接口电路不仅能同时进行数据的发送和接收，也可作为一个同步移位寄存器使用。4.2MCS-51串行口的结构及工作方式MCS-51单片机由两个独立的接收缓冲寄存器、发送缓冲寄存器SBUF、发送控制器、接收控制器、输入移位寄存器、输出移位寄存器和输出控制门、波特率发生器等组成。串行口结构如图4-3所示。通常定时器T1作为串行口波特率发生器使用。与串行口有关的特殊功能寄存器有SBUF、SCON、PCON，与串行口中断有关的特殊功能寄存器有IE、IP。4.2.1单片机串行口的结构及串行口控制寄存器图4-3MCS-51串行口组成1.串行口数据缓冲器SBUFSBUF是两个在物理上独立的接收、发送缓冲器，可同时发送、接收数据。两个缓冲器共用一个字节地址99H，可通过指令对SBUF的读写来区别是对接收缓冲器的操作还是对发送缓冲器的操作。CPU写SBUF，执行MOVSBUF，A指令，就是启动发送，将A累加器中的数据通过SBUF发送；CPU读SBUF，执行MOVA，SBUF指令，就是读接收缓冲器，将接收到的数据读入A累加器。串行口对外也有两条独立的收发信号线RXD（P3.0）、TXD（P3.1），因此可以同时发送、接收数据，实现全双工通信。2.串行口控制寄存器SCONSCON是可以进行位寻址的8位控制寄存器，地址为98H。SCON的各位的定义和功能如下：SCON.7.6.5.4.3.2.1SCON.0SM0SM1SM2RENTB8RB8TIRISM0、SM1：串行口工作方式选择位（内容见4.2.2节）。SM2：多机通信控制位。具体用法见4.3.3节。REN：串行接收允许位。由软件置位或清除。软件置1时，串行口允许接收，清零后禁止接收。TB8：在方式2和方式3中是发送的第9位数据。RB8：在方式2和方式3中是接收的第9位数据。TI：发送中断标志位。发送结束时由硬件置位。该位必须用软件清零。RI：接收中断标志位。结束接收时由硬件置位。该位必须用软件清零。3.电源控制寄存器PCONPCON的各位的定义和功能如下：PCON.7.6.5.4.3.2.1PCON.0SMODPCON是8位特殊功能寄存器，地址为87H，不可进行位寻址。它的低7位全部用于80C51/80C31子系列单片机的电源控制。只有PCON的最高位SMOD位用于MCS-5l系列各类单片机串行口波特率系数的控制位：当SMOD＝l时，方式1、2、3的波特率加倍，否则不加倍。单片机串行口有4种工作方式，用特殊功能寄存器SCON中的SM0、SM1两位进行设定，见表4-1。（见书60页）4.2.2串行口的4种工作方式1.方式0串行接口工作方式0为同步移位寄存器方式，多用于I/O口的扩展，其波特率是固定的，为fosc/12。TXD引脚输出同步移位脉冲，RXD引脚串行输入输出数据。发送和接收都以8位数据为一帧，发送时低位在前，高位在后。接收时也是低位在前，高位在后。（1）方式0发送数据从RXD引脚串行输出，TXD引脚输出同步脉冲。当一个数据写入SBUF时，串行口将8位数据以fosc/12的固定波特率从RXD引脚输出，由低位到高位输出。发送完毕置位中断标志TI1，请求中断。再次发送数据之前，必须用软件将TI清零。（2）方式0接收在满足REN＝1和RI=0的条件下，串行口允许输入。此时，RXD为数据输入端，TXD为同步信号输出端，接收器也以fosc/12的波特率对RXD引脚输入的数据进行接收。当接收器接收完8位数据后，置中断标志RI＝1，请求中断。当工作在方式0时，必须使SCON寄存器中的SM2位为“0”。方式0发送或接收完数据后由硬件置位TI或RI，CPU在响应中断后要用软件清除TI或RI标志。2.方式1在方式1时，串行口被设置为波特率可变的8位异步通信接口。发送/接收1帧数据为10位，包括1位起始位、8位数据位（先低位后高位）和1位停止位。（1）方式1发送串行口以方式1发送时，数据位由TXD端输出。CPU通过执行写入发送缓冲器SBUF的指令启动发送。当数据发送完毕，置位中断标志位TI。（2）方式1接收当REN=1时，串行口处于方式1接收状态。当采样到发送端发送的起始位时，则启动接收器，接收到的数据移位进入SBUF。当接收完毕，置位中断标志位RI。串行口中断标志位TI、RI由硬件置位，需要用指令清零。3.方式2串行口工作为方式2时，被定义为9位异步通信接口。发送/接收1帧数据为11位，包括1位起始位、8位数据位、1位控制/校验位和1位停止位。控制/校验位为第9位数据。（1）方式2发送发送数据由TXD端输出。要发送的8位数据在SBUF中，第9位数据在SCON中的TB8位。TB8可由软件置位或清零，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。（2）方式2接收当REN=1时，串行口以方式2接收数据。方式2的接收与方式1基本相似。当满足RI=0，且SM2＝0或接收到的第9位数据为1时，前8位数据移位进入SBUF，第9位数据送入SCON中的RB8位，置位中断标志位RI；否则接收无效，也不置位RI。4.方式3方式3为波特率可变的9位异步通信方式，除了波特率有所区别之外，其余同方式2。串行口的通信波特率反映了串行传输数据的速率。通信波特率的选用不仅和所选通信设备、传输距离有关，还受传输线状况所制约。1.方式0的波特率在方式0下，串行口通信的波特率是固定的，其值为fosc/12（fosc为主机频率）。4.2.3串行通信的波特率2.方式2的波特率在方式2下，通信波特率为fosc/32或fosc/64，根据特殊功能寄存器PCON中SMOD位的状态来决定串行口在哪个波特率下工作。选择公式为：若SMOD＝0，则所选波特率为fosc/64；若SMOD＝1，则波特率为fosc/32。oscSMODf642波特率＝3.方式1或方式3的波特率在这两种方式下，串行口波特率是由定时器的溢出率决定的，因而波特率是可变的。波特率的公式为：定时器T1的溢出率计算公式为：式中：K为定时器T1的位数；若定时器T1方式0，则K＝13；若定时器T1方式1，则K＝l6；若定时器T1方式2或方式3，则K＝8。溢出率定时器波特率＝1T322SMOD)2112fT1Kosc－初值（溢出率＝定时器定时器T1作为串行口波特率发生器使用时，通常选择工作方式2。因为定时器T1在方式2下，被设定为重装计数器形式（当TL1由全“1”变为全“0”时，TH1内容重装TL1，TH1不变）。串行口方式1或方式3下所选波特率需要通过计算来确定T1初值，因为该初值要在定时器T1初始化时使用。为避免复杂的计算，波特率和定时器T1初值的关系列于表4-2中以供参考。（见书62页）由4.2节可知，MCS-51单片机串行口的工作方式0为同步移位寄存器方式，允许使用移位寄存器芯片扩展一个或多个8位并行I/O口。所以若串行口别无它用时，就可用来扩展并行I/O口，这种方法不占用片外RAM地址，而且还能简化单片机系统的硬件结构。但缺点是操作速度较慢，且扩展芯片越多，速度越慢。4.3串行通信的应用4.3.1利用串行口扩展I/O口1.用74LS165扩展并行输入口图4-4是利用两片74LS165首尾相连扩展两个8位并行输入口的实用电路。74LS165是并行输入串行输出的8位移位寄存器。当移位/置入端S/L由“1”变为“0”时，并行输入端的数据被置入各寄存器。当S/L＝1，且时钟禁止端（15脚）为低时，在时钟脉冲的作用下，数据由QA向QH方向移动（SIN为串行输入端）。图中RXD（P3.0）作为串行输入端与74LS165的串行输出端相连，TXD（P3.1）为移位脉冲输出端，与74LS165芯片的移位脉冲输入端连接，用一根I/O口线来控制移位与置位，图中用P1.0与74LS165芯片的移位/置入端S/L相连。图4-4利用串行口扩展并行输入口原理图2.用74LS164扩展并行输出口如图4-5所示