ch09 单片机串行通信

Ch09单片机串行通信9.1串行通信概述•9.1.1数据通信•设备之间进行的数据交换，如CPU与外设之间进行的数据交换，计算机之间进行的数据交换等，称为数据通信。•通信方式有两种：并行通信和串行通信。并行通信是多位数据同时通过多根数据线传送，每一根数据线传送一位二进制代码。其优点是传送速度快，效率高；缺点是硬件设备复杂，数据有多少位，就需要多少根数据线。因此，并行通信适用于近距离通信，如在计算机内部，数据传送都是并行通信。•串行通信是数据通过一根数据线，一位一位地传送。其优点是硬件设备简单，只需一对传输线，在远距离通信时就大大降低了成本；其缺点是传输速度慢，效率低。9.1串行通信概述•9.1.2串行通信方式•串行通信有单工通信、半双工通信和全双工通信3种方式。单工通信是指数据只能单方向地从一端向另一端传送。如目前的有线电视节目，只能单向传送；半双工通信是指数据可以双向传送，但任一时刻只能向一个方向传送。即分时双向传送数据；全双工通信是指数据可同时向两个方向传送，全双工通信效率最高，适用于计算机之间的通信。9.1串行通信概述•9.1.3异步通信和同步通信•通信双方要正确地进行数据传输，需要解决何时开始传输，何时结束传输，以及数据传输速率等问题，即解决数据同步问题。实现数据同步，通常有两种方式，一种是异步通信，另一种是同步通信。9.1串行通信概述•1．异步通信•在异步通信中，每个数据都是以特定的帧形式传送，数据在通信线上一位一位地串行传送，每帧按先后顺序由以下几部分组成：•①起始位表示传送一个数据的开始，用低电平表示，占1位。•②数据位要传送的数据的具体内容，可以是5位、6位或更多，数据从低位开始传送。•③奇偶校验位为了保证数据传输的正确性，在数据位之后紧跟一位奇偶校验位，用于有限差错检测。当数据不需进行奇偶校验时，此位可省略。9.1串行通信概述•④停止位表示发送一个数据的结束，用高电平表示，占1位、1.5位或2位。•线路空闲时，线路处于逻辑“1”等待状态，即空闲位为1。空闲位是异步通信特征之一。异步通信中数据传送格式如图9.1所示。•图9.1异步通信数据帧格式图9.1异步通信数据帧格式9.1串行通信概述•2．同步通信•在异步通信中，每一个数据都包含起始位和停止位，占用了传送的时间，当数据量较大时，这一问题更为突出，因此在大量数据传输时采用同步通信方式来实现。•同步通信中，通常先发送1～2个字符作为数据传送的开始，称为同步字符SYNC，并由时钟来实现发送端和接收端同步，即检测到规定的同步字符后，紧接着按顺序传送数据，中间不能有空闲位，也不需要停止位和开始位，仅在数据块开始时用同步字符SYNC来指示，其数据格式如图9.2所示。9.1串行通信概述图9.2同步传送的数据格式9.1串行通信概述•同步字符的多少可以由用户自己规定，当然也可以采用ASCII码中规定的SYNC代码，即16H。接收端收到同步字符后，开始准备接收数据。不过，在同步通信中，为了准确无误地接收数据，发送端和接收端的时钟频率必须一致。在实际中，可通过硬件从发送的信息中提取时钟。当然，发送端的数据编码要包含时钟信息。•同步通信传送速度快，传输速率可达56kb/s或更高，但硬件结构比较复杂；异步通信硬件结构比较简单，但传送速度较慢。MCS－51单片机采用异步通信方式。9.1串行通信概述•3．波特率•波特率是数据传递的速率，指每秒传送二进制数据的位数，单位为位/秒（bit/s）。•例9.1假设微型打印机最快的传送速率为30字符/秒，每个字符为10位，计算波特率。•解：•波特率＝10b/字符×30字符/s＝300b/s•每一位代码的传送时间Td为波特率的倒数：•Td＝1/300＝3.3ms•异步通信的波特率一般在50～19200b/s之间，常用于计算机到终端机和打印机之间的通信、直通电报以及无线电通信的数据发送等。9.2串行口结构与工作原理•9.2.1串行口结构•在8051中有一个可编程的全双工串行通信接口，此串行接口既可用作UATR(通用异步接收和发送器)，也可用作同步移位寄存器，其帧格式有8位、10位或11位，并能设置各种波特率，很容易地构成双机、多机串行通信接口。该接口的结构简图如图9.3所示。•8051的串行口主要由两个物理上独立的串行数据缓冲器SBUF、接收发送控制器、输入输出移位寄存器及其他一些逻辑电路组成。9.2串行口结构与工作原理发送SBUF（99H）接收SBUF（99H）TI输入移位寄存器RI移位时钟÷16÷16内部总线写SBUF装载SBUF读SBUFTXD○○○÷2●TH1TL1fOSC÷12SMOD＝1SMOD＝0RXD●●●图9.38051串行口组成框图9.2串行口结构与工作原理•1．串行数据缓冲器SBUF（99H）•MCS－51系列单片机串行口有两个串行数据缓冲器，一个用于发送数据，另一个用于接收数据，可以同时用来发送和接收数据。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。两个缓冲器使用同一符号SBUF，共用一个地址99H，根据读、写指令确定访问其中的哪一个。•发送数据时，执行一条数据写入SBUF的传送指令（执行“MOVSBUF，A”指令），•即是向发送缓冲器SBUF装载并开始有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就会接收一帧数据进入移位寄存器，并装载到接收SBUF中，同时使得RI＝1。当发读SBUF命令时（执行“MOVA，SBUF”指令），便由接收缓冲器（SBUF）取出信息通过8051内部总线送CPU。9.2串行口结构与工作原理•从结构图中，可以看出接收器是双缓冲器结构，在前一个字节被从接收缓冲器SBUF读出之前，第二个字节即开始接收（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。•对于发送缓冲器，因为发送时CPU是主动的，不会产生重叠的错误，一般不需要双缓冲器结构来保持最大的传送速率。9.2串行口结构与工作原理•2．串行口控制寄存器SCON（98H）•特殊功能寄存器SCON字节地址为98H，可以进行位寻址。8051串行通信的方式选择、接收和发送控制以及串行口的状态标志等均由该寄存器控制或标示，控制字的格式如下：SCOND7D6D5D4D3D2D1D098HSM0SM1SM2SMNTB8RB8TIRI9.2串行口结构与工作原理•SM0、SM1：串口工作方式选择位。可选择4种工作方式，详细用法如表9.1所示。其中fosc是振荡频率，n为因子，10和11为一帧的总位数，对应的数据位为8和9。9.2串行口结构与工作原理表9.1串行接口工作方式SM0SM1工作方式功能波特率00方式0同步移位寄存器方式fosc/1201方式1异步10位收发由定时器控制，可变10方式2异步11位收发fosc/32或fosc/6411方式3异步11位收发由定时器控制，可变9.2串行口结构与工作原理•SM2：多机通信控制位。•a．用于方式2和方式3。若SM2＝1，则允许多机通信。多机通信协议规定，若第9位数据(RB8)为1，则表明本帧数据为地址帧。否则，若第9位数据(RB8)为0，则表明本帧数据为数据帧。•当一个8051(主机)与多个8051(从机)进行通信时，令所有从机的SM2都置1。主机要与某个从机通信，首先发送一个与该从机相一致的地址帧(每个从机的地址必须惟一)，且第9位为1，所有从机接收到数据后，将第9位送入RB8中。•若RB8＝1，说明是地址帧，将数据装入SBUF，且置RI＝1，即中断所有从机，若从机判断出该地址帧数据与本机号(地址)一致，则置SM2＝0，准备接收主机发来的数据。其他从机仍然保持SM2＝1。9.2串行口结构与工作原理•若RB8＝0，说明是数据帧。当从机SM2＝1时，置接收中断标志位RI＝0，不予理睬该数据帧。当从机SM2＝0时，则不属于多机通信方式，此时不论第9位是0还是1，都置RI＝1，并将接收到的数据装入SBUF中。•b．用于方式0和方式1。在方式0时，必须SM1＝0；在方式1时，当SM2＝1，则只有收到有效停止位时，RI才置1，以准备接收下一帧数据。•REN：允许串行接收控制位。由软件置1或置0，若REN＝1时允许接收，REN＝0时禁止接收。•TB8：保存发送数据的第9位。在方式2或方式3中，可由软件置1或置0。既可用于多机通信中作为发送地址帧和数据帧的标志位，也可用于许多通信协议中的奇偶校验位。在方式0或方式1中，该位未用。9.2串行口结构与工作原理•RB8：保存接收数据的第9位。在方式2或方式3中，保存接收的第9位数据。用于多机通信中作为地址、数据的标志位，RB8＝1表示接收的数据是地址帧，RB8＝0为数据帧；或用作其他通信协议中的奇偶校验位。在方式1中，若SM2＝0，RB8中保存的是已接收到的停止位。在方式0中，该位未用。•TI：发送中断标志。在方式0时，发送完第8位数据时，硬件自动置1。在其他方式中，则在刚发送停止位时，硬件自动置1。TI＝1相当于发送缓冲器SBUF为空，通知CPU可以发送下一帧数据。在任何方式中，TI不会自动清0，必须由软件清0。否则，一个数据可能发送多次。9.2串行口结构与工作原理•RI：接收中断标志。在方式0时，接收完第8位数据时，硬件自动置1。在其他方式中，则在接收停止位的中间点，硬件自动置1。RI＝1相当于接收缓冲器SBUF为空，通知CPU可以取走数据。但在方式1中，当SM2＝1时，若未收到有效的停止位，不会对RI置1。RI在任何方式中不会自动清位，必须由软件清0。•串行发送中断标志TI和接收中断标志RI是同一个中断源，CPU事先不知道是由TI还是RI产生的中断，因此，在全双工通信中，必须由软件判别是谁引起的中断。另外，8051复位时，SCON的所有位都清0。9.2串行口结构与工作原理•3．电源控制寄存器PCON(87H)•电源控制寄存器PCON只有SMOD位与串行接口工作有关，控制字的格式如下：PCOND7D6D5D4D3D2D1D087HSMOD9.2串行口结构与工作原理•SMOD是波特率倍增位。当SMOD＝1时，波特率提高一倍。复位时，SMOD＝0。工作在方式0时，该位无效。9.2串行口结构与工作原理•9.2.2串行接口的工作方式•8051串行接口有4种工件方式，但在串行通信中，一般只用方式1、方式2或方式3，方式0常作为扩展I/O口之用。下面分别介绍。•1．方式0•当SM0＝0，SM1＝0时，串行口工作于方式0。方式0是同步移位寄存器输入/输出方式。其传输的波特率是固定的，等于振荡频率的12分频，即fosc/12，只与振荡频率有关，不能用软件设置。通信的数据帧固定为8位，没有起始位和停止位，先发送或接收低位，后高位。串行接口数据通过RxD(P3.0)发送或接收，而TxD(P3.1)用于提供同步移位脉冲，作为外部器件的同步信号。9.2串行口结构与工作原理•（1）发送。发送时，假定8051写入一个数据到发送缓冲器SBUF(99H)，即执行MOVSBUF，A命令，串行接口将SBUF中的8位数据按波特率为fosc/12从RxD脚输出，低位在前，高位在后。发送完8位数据后，由硬件将TI标志置1。再次发送数据之前，必须由软件将TI清0，方式0发送时序如图9.4(a)所示。•（2）接收。接收时，先用软件写SCON(98H)，即同时置REN＝1，置RI＝0。满足这两个条件，就会启动一次接收过程。此时RXD为数据输入端，TXD为同步信号输出端。串行数据输入的波特率为fosc/12。当接收完8位数据后，由硬件将RI标志置1。当再次接收时，必须由软件将RI标志清0。方式0接收时序如图9.4(b)所示。9.2串行口结构与工作原理图9.4串行接口方式0的时序9.2串行口结构与工作原理•2．方式1•当SM0＝0，SM1＝1时，串行口工作于方式1。串行接口方式1是10位异步通信接口。其中数据位为8位(低位在先，高位在后)，起始位和停止