第 8 章 串行口通信技术

1. 第8章 串行口通信技术 8.1 串行通信基础 8.2串行通信总线标准及其接口 8.3 MCS-51的串行接口 8.4MCS-51单片机之间的通信 8.5 PC机和单片机之间的通信

2. 8.1 串行通信基础 在计算机系统中，CPU和外部通信有两种通信方式：并行通信和串行通信。并行通信，即数据的各位同时传送；串行通信，即数据一位一位顺序传送。图8.2为这两种通信方式的示意图。

3. 图8.2 两种通信方式的示意图(a) 并行通信；(b) 串行通信

4. 8.1.1 串行通信的分类 按照串行数据的时钟控制方式，串行通信可分为同步通信和异步通信两类。 1. 异步通信（Asynchronous Communication） 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。字符帧由发送端一帧一帧地发送，每一帧数据均是低位在前，高位在后，通过传输线被接收端一帧一帧地接收。发送端和接收端可以由各自独立的时钟来控制数据的发送和接收，这两个时钟彼此独立，互不同步。 在异步通信中，接收端是依靠字符帧格式来判断发送端是何时开始发送，何时结束发送的。字符帧格式是异步通信的一个重要指标。

5. 1) 字符帧（Character Frame） • 字符帧也叫数据帧，由起始位、数据位、奇偶校验位和停止位等4部分组成，如图8.3所示。

6. 图8.3 异步通信的字符帧格式(a) 无空闲位字符帧；(b) 有空闲位字符帧

7. (1) 起始位：位于字符帧开头，只占一位，为逻辑0低电平，用于向接收设备表示发送端开始发送一帧信息。 (2) 数据位：紧跟起始位之后，用户根据情况可取5位、6位、7位或8位，低位在前高位在后。 (3) 奇偶校验位：位于数据位之后，仅占一位，用来表征串行通信中采用奇校验还是偶校验，由用户决定。 (4) 停止位：位于字符帧最后，为逻辑1高电平。通常可取1位、1.5位或2位，用于向接收端表示一帧字符信息已经发送完，也为发送下一帧作准备。

8. 在串行通信中，两相邻字符帧之间可以没有空闲位，也可以有若干空闲位，这由用户来决定。图8.3（b）表示有3个空闲位的字符帧格式。在串行通信中，两相邻字符帧之间可以没有空闲位，也可以有若干空闲位，这由用户来决定。图8.3（b）表示有3个空闲位的字符帧格式。 2) 波特率（baud rate） 异步通信的另一个重要指标为波特率。 波特率为每秒钟传送二进制数码的位数，也叫比特数，单位为b/s，即位/秒。波特率用于表征数据传输的速度，波特率越高，数据传输速度越快。但波特率和字符的实际传输速率不同，字符的实际传输速率是每秒内所传字符帧的帧数，和字符帧格式有关。 通常，异步通信的波特率为50～9600 b/s。

9. 异步通信的优点是不需要传送同步时钟，字符帧长度不受限制，故设备简单。缺点是字符帧中因包含起始位和停止位而降低了有效数据的传输速率。异步通信的优点是不需要传送同步时钟，字符帧长度不受限制，故设备简单。缺点是字符帧中因包含起始位和停止位而降低了有效数据的传输速率。 2. 同步通信（Synchronous Communication） 同步通信是一种连续串行传送数据的通信方式，一次通信只传输一帧信息。这里的信息帧和异步通信的字符帧不同，通常有若干个数据字符，如图8.4所示。图8.4(a)为单同步字符帧结构，图8.4(b)为双同步字符帧结构，但它们均由同步字符、数据字符和校验字符CRC三部分组成。在同步通信中，同步字符可以采用统一的标准格式，也可以由用户约定。

10. 图8.4 同步通信的字符帧格式(a) 单同步字符帧格式；(b) 双同步字符帧格式

11. 8.1.2 串行通信的制式 在串行通信中数据是在两个站之间进行传送的，按照数据传送方向，串行通信可分为单工（simplex）、半双工（half duplex）和全双工（full duplex）三种制式。图8.5为三种制式的示意图。 在单工制式下，通信线的一端接发送器，一端接接收器，数据只能按照一个固定的方向传送，如图8.5(a)所示。 在半双工制式下，系统的每个通信设备都由一个发送器和一个接收器组成，如图8.5(b)所示。

12. 图8.5 单工、半双工和全双工三种制式示意图

13. 在这种制式下，数据能从A站传送到B站，也可以从B站传送到A站，但是不能同时在两个方向上传送，即只能一端发送，一端接收。其收/发开关一般是由软件控制的电子开关。在这种制式下，数据能从A站传送到B站，也可以从B站传送到A站，但是不能同时在两个方向上传送，即只能一端发送，一端接收。其收/发开关一般是由软件控制的电子开关。 全双工通信系统的每端都有发送器和接收器，可以同时发送和接收，即数据可以在两个方向上同时传送，如图8.5(c)所示。 在实际应用中，尽管多数串行通信接口电路具有全双工功能，但一般情况下，只工作于半双工制式下，这种用法简单、实用。

14. 8.1.3 串行通信的接口电路 串行接口电路的种类和型号很多。能够完成异步通信的硬件电路称为UART，即通用异步接收器/发送器（Universal Asychronous Receiver/Transmitter）；能够完成同步通信的硬件电路称为USRT（Universal Sychronous Receiver/Transmitter）；既能够完成异步又能同步通信的硬件电路称为USART（Universal Sychronous Asychronous Receiver/Transmitter）； 从本质上说，所有的串行接口电路都是以并行数据形式与CPU接口，以串行数据形式与外部逻辑接口。它们的基本功能都是从外部逻辑接收串行数据，转换成并行数据后传送给CPU，或从CPU接收并行数据，转换成串行数据后输出到外部逻辑。

15. 8.2 串行通信总线标准及其接口 8.2.1 RS-232C接口 RS-232C是使用最早、应用最多的一种异步串行通信总线标准。它是美国电子工业协会（EIA）1962年公布，1969年最后修定而成的。其中，RS表示Recommended Standard，232是该标准的标识号，C表示最后一次修定。 RS-232C主要用来定义计算机系统的一些数据终端设备（DTE）和数据电路终接设备（DCE）之间的电气性能。

16. 例如CRT、打印机与CPU的通信大都采用RS-232C接口，MCS-51单片机与PC机的通信也是采用该种类型的接口。由于MCS-51系列单片机本身有一个全双工的串行接口，因此该系列单片机用RS-232C串行接口总线非常方便。 RS-232C串行接口总线适用于：设备之间的通信距离不大于15 m，传输速率最大为20 kb/s。 1.  RS-232C信息格式标准 RS-232C采用串行格式，如图8.6所示。该标准规定：信息的开始为起始位，信息的结束为停止位；信息本身可以是5、6、7、8位再加一位奇偶校验位。如果两个信息之间无信息，则写“1”，表示空。

17. 图8.6 RS-232C信息格式

18. 2.  RS-232C电平转换器 RS-232C规定了自己的电气标准，由于它是在TTL电路之前研制的，所以它的电平不是+5 V和地，而是采用负逻辑，即逻辑“0”：+5 V～+15 V；逻辑“1”：-5 V～-15 V。因此，RS-232C不能和TTL电平直接相连，使用时必须进行电平转换，否则将使TTL电路烧坏，实际应用时必须注意！常用的电平转换集成电路是传输线驱动器MC1488和传输线接收器MC1489。 MC1488内部有三个与非门和一个反相器，供电电压为±12 V，输入为TTL电平，输出为RS-232C电平。MC1489内部有4个反相器，供电电压为±5 V，输入为RS-232C电平，输出为TTL电平。

19. 图8.7 MAX232引脚图 另一种常用的电平转换电路是MAX232。图8.7为MAX232的引脚图。

20. 名称 方向 方向 名称 1 保护地 N.A 14 到DCE 第2路发送数据 2 发送数据 到DCE 15 发送时钟 到DTE 接收数据 到DCE 3 到DTE 第2路接收数据 16 4 请求发送 到DCE 17 接收时钟 到DTE 允许发送 到DTE 5 18 未用 6 数据置位就绪 到DTE 19 到DCE 7 第2路请求发送 信号地 N.A 20 8 到DCE 数据终端就绪 载波检测 到DTE 21 到DTE 数据信号检测 9 22 留作调试用 到DTE 振铃指示 10 23 到DCE 数据信号速率选择 未用 11 24 到DCE 发送时钟 第2路载波检测 到DTE 12 25 未用 13 第2路允许发送 到DTE DTE：数据终端设备(如个人计算机) DCE：数据电路终接设备(如调制解调器) 图8.8 RS-232C引脚图 3. RS-232C总线规定 RS-232C标准总线为25根，采用标准的D型25芯插头座。各引脚的排列如图8.8所示。

21. 在最简单的全双工系统中，仅用发送数据、接收数据和信号地三根线即可。对于MCS-51单片机，利用其RXD（串行数据接收端）线、TXD（串行数据发送端）线和一根地线，就可以构成符合RS-232C接口标准的全双工通信口。在最简单的全双工系统中，仅用发送数据、接收数据和信号地三根线即可。对于MCS-51单片机，利用其RXD（串行数据接收端）线、TXD（串行数据发送端）线和一根地线，就可以构成符合RS-232C接口标准的全双工通信口。

22. 8.2.2 RS-449、RS-422A、RS-423A标准接口 RS-232C虽然应用广泛，但因为推出较早，在现代通信系统中存在以下缺点：数据传输速率慢，传输距离短，未规定标准的连接器，接口处各信号间易产生串扰。鉴于此，EIA制定了新的标准RS-449，该标准除了与RS-232C兼容外，在提高传输速率，增加传输距离，改善电气性能等方面有了很大改进。 1. RS-449标准接口 RS-449是1977年公布的标准接口，在很多方面可以代替RS-232C使用。

23. RS-449与RS-232C的主要差别在于信号在导线上的传输方法不同：RS-232C是利用传输信号与公共地的电压差，RS-449是利用信号导线之间的信号电压差，在1219.2 m的24-AWG双铰线上进行数字通信。RS-449规定了两种接口标准连接器，一种为37脚，一种为9脚。 RS-449可以不使用调制解调器，它比RS-232C传输速率高，通信距离长，且由于RS-449系统用平衡信号差传输高速信号，所以噪声低，又可以多点或者使用公共线通信，故RS-449通信电缆可与多个设备并联。

24. 2.  RS-422A、RS-423A标准接口 RS-422A文本给出了RS-449中对于通信电缆、驱动器和接收器的要求，规定双端电气接口形式，其标准是双端线传送信号。它具体通过传输线驱动器，将逻辑电平变换成电位差，完成发送端的信息传递；通过传输线接收器，把电位差变换成逻辑电平，完成接收端的信息接收。RS-422A比RS-232C传输距离长、速度快，传输速率最大可达10 Mb/s，在此速率下，电缆的允许长度为12 m，如果采用低速率传输，最大距离可达1200 m。 RS-422A和TTL进行电平转换最常用的芯片是传输线驱动器SN75174和传输线接收器SN75175，这两种芯片的设计都符合EIA标准RS-422A，均采用+5 V电源供电。

25. RS-422A的接口电路如图8.9所示，发送器SN75174将TTL电平转换为标准的RS-422A电平；接收器SN75175将RS-422A接口信号转换为TTL电平。RS-422A的接口电路如图8.9所示，发送器SN75174将TTL电平转换为标准的RS-422A电平；接收器SN75175将RS-422A接口信号转换为TTL电平。 RS-423A和RS-422A文本一样，也给出了RS-449中对于通信电缆、驱动器和接收器的要求。RS-423A给出了不平衡信号差的规定，而RS-422A给出的是平衡信号差的规定。RS-422标准接口的最大传输速率为100 kb/s，电缆的允许长度为90m。

26. 5 V 75174 75175 3 － 1 1 3 ＋ TTL数据入 TTL数据出 2 2 图8.9 RS-422A接口电平转换电路

27. 图8.10 RS-423A接口电平转换电路 RS-423A也需要进行电平转换，常用的驱动器和接收器为3691和26L32。其接口电路如图8.10所示。

28. 8.3 MCS-51的串行接口 8.3.1 MCS-51串行口结构 MCS-51内部有两个独立的接收、发送缓冲器SBUF。SBUF属于特殊功能寄存器。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，二者共用一个字节地址（99H）。串行口的结构如图8.12所示。

29. 图8.12 串行口结构示意图

30. 甲机发送数据时，是由一条写发送缓冲器的指令（MOV SBUF，A）把数据写入串行口的发送缓冲器SBUF中，然后从TXD端一位一位地向外部发送。同时，接收端RXD也可以一位一位地接收外部数据，当收到一个完整的数据后通知CPU，再由一条指令（MOV A，SBUF）把接收缓冲器SBUF的数据读入累加器。乙机的接收就是通过该条指令完成的。 与MCS-51串行口有关的特殊功能寄存器有SBUF、SCON、PCON，下面对它们分别做以详细讨论。

31. 1. 串行口数据缓冲器SBUF SBUF是两个在物理上独立的接收、发送寄存器，一个用于存放接收到的数据，另一个用于存放欲发送的数据，可同时发送和接收数据。两个缓冲器共用一个地址99H，通过对SBUF的读、写指令来区别是对接收缓冲器还是发送缓冲器进行操作。CPU在写SBUF时，就是修改发送缓冲器；读SBUF，就是读接收缓冲器的内容。接收或发送数据，是通过串行口对外的两条独立收发信号线RXD（P3.0）、TXD(P3.1)来实现的，因此可以同时发送、接收数据，其工作方式为全双工制式。

32. SCON 9FH 9EH 9DH 9CH 9BH 9AH 99H 98H SM0 SM1 SM2 REN TB8 RB8 TI RI 2. 串行口控制寄存器SCON 收发双方都有对SCON的编程，SCON用来控制串行口的工作方式和状态，可以位寻址，字节地址为98H。单片机复位时，所有位全为0。SCON的格式如图8.13所示。 图8.13 SCON的各位定义

33. 对各位的说明如下： SM0、SM1：串行方式选择位，其定义如表8.1所示。 SM2：多机通信控制位，用于方式2和方式3中。在方式2和方式3处于接收方式时，若SM2=1, 且接收到的第9位数据RB8为0时，不激活RI；若SM2=1，且RB8=1时，则置RI=1。在方式2、3处于接收或发送方式时，若SM2=0，不论接收到的第9位RB8为0还是为1，TI、RI都以正常方式被激活。在方式1处于接收时，若SM2=1，则只有收到有效的停止位后，RI置1。在方式0中，SM2应为0。 REN：允许串行接收位。它由软件置位或清零。REN=1时，允许接收；REN=0时，禁止接收。由于乙机用于接收数据，因此使用位操作指令SETB REN，允许乙机接收。

34. TB8：发送数据的第9位。在方式2和方式3中，由软件置位或复位，可做奇偶校验位。在多机通信中，可作为区别地址帧或数据帧的标识位，一般约定地址帧时，TB8为1，数据帧时，TB8为0。TB8：发送数据的第9位。在方式2和方式3中，由软件置位或复位，可做奇偶校验位。在多机通信中，可作为区别地址帧或数据帧的标识位，一般约定地址帧时，TB8为1，数据帧时，TB8为0。 RB8：接收数据的第9位。功能同TB8。 TI：发送中断标志位。在方式0中，发送完8位数据后，由硬件置位；在其它方式中，在发送停止位之初由硬件置位。因此，TI是发送完一帧数据的标志，可以用指令JBC TI，rel来查询是否发送结束。实训中采用的就是这种方法。TI=1时，也可向CPU申请中断，响应中断后，必须由软件清除TI。

35. RI：接收中断标志位。在方式0中，接收完8位数据后，由硬件置位；在其它方式中，在接收停止位的中间由硬件置位。同TI一样，也可以通过JBC RI，rel来查询是否接收完一帧数据。RI=1时，也可申请中断，响应中断后，必须由软件清除RI。 采用指令MOV SCON，#40H，使单片机工作在串行通信的方式1下。 表8.1 串行方式的定义 SM0 SM1 工作方式 功能 波特率 0 0 方式0 8位同步移位寄存器 fosc/12 0 1 方式1 10位UART 可变 1 0 方式2 11位UART fosc/64或fosc/32 1 1 方式3 11位UART 可变

36. 8.3.2 MCS-51串行的工作方式 MCS-51的串行口有4种工作方式，通过SCON中的SM1、SM0位来决定，如表8.1所示。 1. 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(P3.1)送出。这种方式常用于扩展I/O口。 1) 发送 当一个数据写入串行口发送缓冲器SBUF时，串行口将8位数据以fosc/12的波特率从RXD引脚输出（低位在前），发送完置中断标志TI为1，请求中断。在再次发送数据之前，必须由软件清TI为0。具体接线图如图8.15所示。其中，74LS164为串入并出移位寄存器。

37. 图8.15 方式0用于扩展I/O口输出

38. 2) 接收 在满足REN=1和RI=0的条件下，串行口即开始从RXD端以fosc/12的波特率输入数据（低位在前），当接收完8位数据后，置中断标志RI为1，请求中断。在再次接收数据之前，必须由软件清RI为0。具体接线图如图8.16所示。其中，74LS165为并入串出移位寄存器。    串行控制寄存器SCON中的TB8和RB8在方式0中未用。值得注意的是，每当发送或接收完8位数据后，硬件会自动置TI或RI为1，CPU响应TI或RI中断后，必须由用户用软件清0。方式0时，SM2必须为0。

39. 图8.16 方式0用于扩展I/O口输入

40. 2. 方式1 收发双方都是工作在方式1下，此时，串行口为波特率可调的10位通用异步接口UART。发送或接收一帧信息，包括1位起始位0，8位数据位和1位停止位1。其帧格式如图8.17所示。 1) 发送 发送时，数据从TXD端输出，当数据写入发送缓冲器SBUF后，启动发送器发送。当发送完一帧数据后，置中断标志TI为1。方式1所传送的波特率取决于定时器1的溢出率和PCON中的SMOD位，

41. 图8.17 10位的帧格式

42. 2) 接收 接收时，由REN置1，允许接收，串行口采样RXD，当采样由1到0跳变时，确认是起始位“0”，开始接收一帧数据。当RI=0，且停止位为1或SM2=0时，停止位进入RB8位，同时置中断标志RI；否则信息将丢失。所以，方式1接收时，应先用软件清除RI或SM2标志。 3. 方式2 方式2下，串行口为11位UART，传送波特率与SMOD有关。发送或接收一帧数据包括1位起始位0，8位数据位，1位可编程位(用于奇偶校验)和1位停止位1。其帧格式如图8.18所示。

43. 图8.18 - 11位的帧格式

44. 1) 发送 发送时，先根据通信协议由软件设置TB8，然后用指令将要发送的数据写入SBUF，启动发送器。写SBUF的指令，除了将8位数据送入SBUF外，同时还将TB8装入发送移位寄存器的第9位，并通知发送控制器进行一次发送。一帧信息即从TXD发送，在送完一帧信息后，TI被自动置1，在发送下一帧信息之前，TI必须由中断服务程序或查询程序清0。

45. 2) 接收 当REN=1时，允许串行口接收数据。数据由RXD端输入，接收11位的信息。当接收器采样到RXD端的负跳变，并判断起始位有效后，开始接收一帧信息。当接收器接收到第9位数据后，若同时满足以下两个条件：RI=0和SM2=0或接收到的第9位数据为1，则接收数据有效，8位数据送入SBUF，第9位送入RB8，并置RI=1。若不满足上述两个条件，则信息丢失。 4. 方式3 方式3为波特率可变的11位UART通信方式，除了波特率以外，方式3和方式2完全相同。

46. 8.3.3 MCS-51串行口的波特率 在串行通信中，收发双方对传送的数据速率，即波特率要有一定的约定。通过8.3.2节的论述，我们已经知道，MCS-51单片机的串行口通过编程可以有4种工作方式。其中，方式0和方式2的波特率是固定的，方式1和方式3的波特率可变，由定时器1的溢出率决定，下面加以分析。 1. 方式0和方式2 在方式0中，波特率为时钟频率的1/12，即fosc/12，固定不变。 在方式2中，波特率取决于PCON中的SMOD值，当SMOD=0时，波特率为fosc/64；当SMOD=1时，波特率为fosc/32.即波特率 = 。

47. 2. 方式1和方式3 在方式1和方式3下，波特率由定时器1的溢出率和SMOD共同决定。即：方式1和方式3的波特率=·定时器1溢出率 其中，定时器1的溢出率取决于单片机定时器1的计数速率和定时器的预置值。计数速率与TMOD寄存器中的C/位有关。当C/=0时，计数速率为fosc/12；当C/=1时，计数速率为外部输入时钟频率。

48. 实际上，当定时器1做波特率发生器使用时，通常是工作在模式2，即自动重装载的8位定时器，此时TL1作计数用，自动重装载的值在TH1内。设计数的预置值（初始值）为X，那么每过256-X个机器周期，定时器溢出一次。为了避免因溢出而产生不必要的中断，此时应禁止T1中断。溢出周期为实际上，当定时器1做波特率发生器使用时，通常是工作在模式2，即自动重装载的8位定时器，此时TL1作计数用，自动重装载的值在TH1内。设计数的预置值（初始值）为X，那么每过256-X个机器周期，定时器溢出一次。为了避免因溢出而产生不必要的中断，此时应禁止T1中断。溢出周期为 溢出率为溢出周期的倒数，所以 波特率=

49. 波特率/(b/s) fosc/MHz SMOD 定时器1 C/ 模式 初始值 方式0：1 方式2：375 k 方式1、3：62.5 k 19.2 k 9.6 k 4.8 k 2.4 k 1.2 k 137.5 k 110 110 12 12 12 11.059 11.059 11.059 11.059 11.059 11.986 6 12 × 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 × × 0 0 0 0 0 0 0 0 0 × × 2 2 2 2 2 2 2 2 1 × × FFH FDH FDH FAH F4H E8H 1DH 72H FEEBH 表8.2 定时器1产生的常用波特率

50. 8.4 MCS-51单片机之间的通信 8.4.1 双机通信硬件电路 如果两个MCS-51单片机系统距离较近，那么就可以将它们的串行口直接相连，实现双机通信，如图8.19所示。 为了增加通信距离，减少通道和电源干扰，可以在通信线路上采用光电隔离的方法，利用RS-422A标准进行双机通信，实用的接口电路如图8.20所示。