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第 7 章 串行接口通信

第 7 章 串行接口通信. 7.1 概述 7.2 MCS-51 单片机的串行通信接口 7.3 串行口的四种工作方式 7.4 串口综合应用举例. 7.1 概述. 在实际工作中，计算机的 CPU 和外部设备之间常要进行数据交换，一台计算机与其他计算机之间也往往要交换数据，所有的这些信息交换都称为通信。

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第 7 章 串行接口通信

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  1. 第7章 串行接口通信 7.1 概述 7.2 MCS-51 单片机的串行通信接口 7.3 串行口的四种工作方式 7.4 串口综合应用举例

  2. 7.1 概述 在实际工作中，计算机的CPU和外部设备之间常要进行数据交换，一台计算机与其他计算机之间也往往要交换数据，所有的这些信息交换都称为通信。 常用的通信方式有两大类：串行通信和并行通信。目前串行通信协议有很多种：USB、I2C、RS-232、SPI等都是串行通信协议。并行通信协议有SPP、EPP、ECP等。通常需要根据信息传送的距离决定采用那种通信方式，例如PC与外部设备（如打印机等）通信时，如果距离小于30m，可以采用并行通信方式，当距离大于30m时，则要采用串行通信方式。

  3. 并行通信和串行通信 并行通信是指数据的各位同时进行传送（发送或接收）的通信方式，其优点是传送速度快，其缺点是数据有多少位，就要有多少根数据传送线，同时还必须有必要的控制线。并行通信在位数多、传送距离远就不太合适了。 串行通信指数据是一位一位的按顺序传送的通信方式，它的突出优点是只需要很少的传输线（根据不同的串行通信协议，数据传输线有所不同），这样大大降低了传送成本，特别适用于远距离通信，其缺点是传送速度较慢。 对串行通信主要涉及以下几个概念：串口通信的数据传输方向、同步和异步通信、波特率等

  4. 7.1.1 数据传输方向 一般情况下，串行数据传输是在两个通信端之间进行的。其数据传输方向通常有三种：单工、半双工和全双工。 如果在通信过程的任意时刻，A端为发送端、B端为接收端，数据仅能从A端发至B端称为单工通信。例如日常生活中的无线寻呼就是典型的单工通信设备。传呼台作为发送端，负责发送数据。BP作为接收端，只能接收来自传呼台的信号，而不能反向发送。 如果在通信过程中，数据可以从A端发至B端，也可以从B端发至A端，但是在同一时间只能作一个方向的传送。这种传输方式称为半双工通信。例如日常生活中的无线对讲机就是半双工通信设备。 如果在通信过程的任意时刻，同时存在A到B和B到A的双向数据传输，此时两个方向的信号采用不同的信道，二个信道上的信息不相互干扰。这种传输方式称为全双工通信。例如日常生活中的电话、移动通信等都是典型的全双工通信设备。

  5. 7.1.2同步和异步通信 • 1 异步通信 • 异步串行通信是以帧的形式发送字符数据，异步串行通信有连续发送字符和不连续发送字符两种方式，当连续发送字符时，每一帧信息由起始位、数据位、奇偶校验位和停止位组成，其帧结构如图7-1所示。 图7-1 字符连续传送的异步通信数据传输格式

  6. 2 同步通信 同步通信不同于异步通信，同步通信在数据传输开始前用同步字符（常约定1～2个），并由同步时钟来实现发送和接收端同步。即同步通信使用数据块传送信息，而不是字节，省去了每个字节的起始位和停止位等数据，直到通信结束。同步通信在每个数据块传输的开始使用同步字符，使接收和发送同步。其通信格式如图7-3所示 • 图7-3 同步通信数据传输格式

  7. 7.1.3 波特率 波特率是衡量数据传送速率的指标，其定义为单位时间内传送的信息量，信息量的单位为bit，时间单位为秒，则1波特＝1位/秒＝1bit/s＝1bps。 例如，在异步通信中使用1位起始位，8位数据位，无奇偶校验位，1位停止位。即一帧数据长度为10bit，如果在应用中要求数据传送的速率是1秒传送120帧字符，则传送波特率为1200波特。 在异步串行通信双方中，接收和发送方必须使用相同的波特率才能正确传输数据

  8. 7.2 MCS-51 单片机的串行通信接口 • 7.2.1 串行通信接口结构 • 7.2.2 串行口控制寄存器SCON和PCON

  9. 7.2.1 串行通信接口结构 MCS-51单片机通过串行数据接收引脚RXD（P3.0） 和串行数据发送引脚TXD（P3.1）与外界进行通信。 串行口内有一个可直接寻址的专用寄存器—串行口缓冲寄存器SBUF，在物理上，SBUF由两个寄存器组成：一个发送寄存器、一个接收寄存器，两者共用一个地址99H，可同时发送、接收数据，CPU写SBUF，就是修改发送寄存器，读SBUF就是读接收寄存器。 接收寄存器是双缓冲的，以避免在接收下一帧数据之前，CPU未能及时响应串口接收中断，没有把上一帧数据读走，产生两帧数据重叠的情况。 发送寄存器没有采用双缓冲结构，因为发送数据是由CPU控制的，用户在编程时，必须避免产生写重叠情况，即在用户程序中必须等数据发送完毕后才能发送下一个数据

  10. 串行口控制寄存器SCON MCS-51单片机串行通信方式的选择、接收和发送控制以及串行口的状态标志等均通过对特殊功能寄存器SCON编程来实现。SCON控制字的各位定义如图7-3所示 • 图7-3 SCON控制字格式

  11. 2、电源控制寄存器PCON PCON是为了在CHMOS的80C51单片机上实现电源控制而附加的。PCON中的最高位SMOD与串行口工作有关，如图7-5所示 • 图7-5 电源控制寄存器PCON SMOD（PCON.7）——波特率倍增位。 在串行口方式1、方式2和方式3时，波特率和SMOD成正比，亦即当SMOD＝1时，波特率提高一倍。 复位时，SMOD＝0

  12. 7.3 串行口的四种工作方式 • 7.3.1 串口工作方式0 • 7.3.2 串口工作方式1 • 7.3.3 串口工作方式2 • 7.3.4 串口工作方式3

  13. 7.3.1 串口工作方式0 • 1 方式0的帧结构 • 2 方式0时的波特率 • 3 方式0工作基本原理 • 4 串行口方式0应用举例

  14. 1 方式0的帧结构 方式0为同步移位寄存器输入/输出方式。可外接移位寄存器以扩展I/O口，也可以外接同步输入/输出设备。串行数据通过RXD输入或输出，而TXD用来输出移位脉冲或外接部件的同步脉冲。方式0是以8位数据为一帧，不设起始位和停止位，先发送或接收最低位，其帧格式如图7-6所示 • 图7- 6 方式0的帧格式

  15. 2 方式0时的波特率 方式0时，每个机器周期产生一个移位脉冲，发送或接收一位数据，因此方式0的波特率固定为

  16. 方式0的发送过程：当执行一条将数据写入发送缓冲器SBUF的指令时，CPU将数据写入到发送缓冲器SBUF时，串行方式0的发送过程：当执行一条将数据写入发送缓冲器SBUF的指令时，CPU将数据写入到发送缓冲器SBUF时，串行 口将8位数据以固定的波特率 由RXD引脚输出，同时 由TXD引脚输出频率为 的同步脉冲，字符发送完毕， 置中断标志T1＝1，向CPU申请中断。 方式0的接收过程：控制字除设置为方式0外，还应设置接收允许控制位REN＝1，清除RI中断标志，接收器启动后，RXD为数据输入端，TXD为同步信号输出端，接收器以 固定的波特率 采样RXD引脚输入的数据信息。 当接收完8位数据后又重新置RI＝1。 3 方式0工作基本原理

  17. 4 串行口方式0应用举例 例7.1：将片内RAM的30H单元中的内容经CD4094并行输出。 分析：CD4094是一种8位串行输入、并行输出的同步移位寄存器，CLK为同步脉冲输入端，STB为控制端，若STB＝0，则8位并行数据输出端关闭，但允许串行数据从DATA输入，若STB＝1，则DATA输入端关闭，但允许8位数据并行输出。CD4094与单片机连接电路如图7-7所示。 • 图7-7　　串口扩展并行I/O口

  18. 例7.1 源程序： MAIN： MOV SCON,#00H ;设置工作模式0 MOV A,30H MOV SBUF,A ;发送30H单元内容 CLR P1.0 WAIT： JNB TI,WAIT;判断是否发送完毕 CLR TI SETB P1.0 SJMP $

  19. 7.3.2 串口工作方式1 • 1 方式1的帧结构 • 2 方式1时的波特率 • 3 方式1工作基本原理 • 4 串行口方式1应用举例

  20. 1 方式1的帧结构 方式1是以10位数据为一帧，设1位起始位“0”，8位数据位，1位停止位“1”，先发送或接收最低位，其帧格式如图7-8所示 • 图7-8 方式0的帧格式

  21. 2 方式1时的波特率 方式1的移位时钟脉冲由定时器T1的溢出率决定，因此，串行口方式1的波特率由定时器T1的溢出率与SMOD值同时决定。即方式1的波特率如式7-3所示

  22. 3 方式1工作基本原理 方式1的发送过程：除设置SCON寄存器为方式1 和TI＝0外，还需要利用定时器T1来完成波特率的设置，当执行数据写入发送缓冲器SBUF的命令时，就启动了发送器开始发送。发送电路自动在8位发送字符前后分别添加1位起始位和1位停止位。并在发送移位时钟（其频率即是用户设置的波特率）作用下在TXD引脚依次发送一帧信息，发送完后自动维持TXD为高电平，发送完毕后硬件置位TI，并在中断服务程序中由软件将TI复位。 方式1的接收过程：方式1接收操作必须在SCON寄存器中REN位为1、RI为0、工作模式设置为1的前提下进行，同时还必须利用定时器T1来完成波特率的设置。当上述设置完成后，MCS－51单片机的CPU会自动对RXD引脚采样。采样频率为波特率的16倍，当检测到起始位（RXD上检测到1→0的跳变，即起始位）时，接收电路对RXD引脚采样启动串口数据接收。

  23. 4 串行口方式1应用举例 例7.3 设有A、B两个单片机，采用中断方式编程实现如下串行通信功能的程序。双机通信电路如图7-9所示。时钟振荡频率为11.0592MHz。 • 图7－9 双机通信 A机： 将首地址为ADDRT的长度为LEN个单元的数据块顺序向B机发送,波特率为2400。 B机：将接收到的LEN个单元的数据块顺序存储在以ADDRR的数据缓冲区中

  24. A机发送源程序： LEN EQU 30H ADDRT EQU 31H ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0023H LJMP INT_COMM ORG 0030H MAIN：MOV SCON,# 40H MOV TMOD,#20H MOV TH1,#0F4H MOV TL1,#0F4H SETB TR1 SETB EA SETB ES MOV R2,LEN MOV R0,#ADDRT MOV A,@R0 MOV SBUF,A LJMP $ ; 中断服务子程序 INT_COMM： CLR TI DJNZ R2,LOOP CLR ES LJMP ENDCOMM LOOP： INC R0 MOV A,@R0 MOV SBUF,A ENDCOMM： RETI END

  25. B机接收源程序： LEN EQU 30H ADDRR EQU 31H ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0023H LJMP INT_COMM ORG 0030H MAIN：MOV SCON,#50H MOV TMOD,#20H MOV TH1,#0F4H MOV TL1,#0F4H SETB TR1 SETB EA SETB ES MOV R2,LEN MOV R0,#ADDRR LJMP $ ;中断服务子程序 INT_COMM： CLR RI MOV A, SBUF MOV @R0,A DJNZ R2,LOOP CLR ES LJMP ENDCOMM LOOP： INC R0 ENDCOMM： RETI END

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