第 9 章 串行通信

1. 第9章 串行通信

2. 数据通讯 传输方式 同步通讯和异步通讯 波特率:表示每秒钟传送二进制代码的位数,单位b/s 9.1 串行通讯基本知识 并行通讯 串行通讯 单向(单工)配置 半双向(半双工)配置 全双向(全双工)配置

3. 1、并行通信和串行通信 通信的基本方式： 并行通信：数据的各位同时送出。传送距离：小于30米。 串行通信：数据的各位逐位送出，只需一对传送线即可完成传送。传送距离：几米~几千公里。

4. 2、串行通信 （1）串行通信的数据传送方向。 单工、半双工、全双工三种方式 （2）串行通信的工作方式 同步方式：数据按块传送，包括同步字符、数据块。 异步方式：数据按字符传送，每一个字符均按固定的 字符格式传送，又被称为帧，如图。包含字符的起始位、数据位、校验位、停止位四个部分。

5. 异步通讯的一帧数据格式

6. 同步传送的数据格式

7. 9.2 MCS-51串行口及应用 从机 从机 主机 从机 从机 单片机系统中的串行接口及特点 • 串行通讯可以实现单片机与单片机、单片机与微机之间的数据交换。 • 串行通讯电路简单，实现远距离低成本的数据传输。缺点是传输速度慢。 • 在一些系统中, 采用串行通讯的形式将多微处理器连接起来，构成一个完整的多CPU控制系统。

8. 串行（异步）通信应用示意图 MCS-51 TXD （甲） RXD RXD MCS-51 TXD （乙） 单片机甲、乙之间近距离的直接通讯 TXD RXD RS-232 或485 RS-232 或485 RXD TXD 单片机甲乙两地之间远距离通讯 PC机 COM1,COM2 TXD RXD RS-232 单片机与PC机之间的数据通讯

9. 8051串行口结构

10. 9.2.1 与串口有关的寄存器数据缓冲寄存器 SBUF 地址：99H • SBUF是用来存放发送和接收数据的寄存器, 对应两个独立的缓冲器。 • CPU写SBUF就是开始发送数据（MOV SBUF,A）; CPU读SBUF就是读取接收到的数据到A （MOV A,SBUF）。 • 该结构在硬件设计上保证了51单片机串行口是一个可同时发送与接收的”全双工”串口。

11. SBUF硬件电路： 发送：执行指令MOV SBUF,A 接收：当检测到起始位电路自动启动接收。 MCS-51 RXD P3.0 CPU 接收SBUF 移位寄存器 内部总线 TXD P3.1 发送SBUF 移位寄存器

12. 串行口控制寄存器SCON 地址:98H • SM0 SM1: 串行口工作模式选择位。

13. RI:完成一帧数据接收标志，应软件清零，接收完成RI=1并申请中断（如果中断开放，则引发中断）；RI:完成一帧数据接收标志，应软件清零，接收完成RI=1并申请中断（如果中断开放，则引发中断）； • TI:完成一帧数据发送标志,应软件清零，发送完成TI=1同时申请中断（如果中断开放，则引发中断）； • RB8:在9位数据传送的模式2、3中,接收到的第9位数据； • TB8:在9位数据传送的模式2、3中,将要发送的第9位数据； • REN:允许接收位,REN=1时允许接收.由软件置位或清零。

14. SM2 :多机通信使能位. 1，模式0、1时: SM2不用，应设为0。 2，模式2、3时: SM2=0，无论RB8如何，RI都能被激活（RI=1）。 若SM2=1,收到的第9位（RB8）=0时,则RI不会被激活； 若SM2=1且RB8=1时，RI才能被激活=1并引发中断。 在接收方式时：当SM2=1时，能否接收到数据取决于对方发送的第9位数据RB8，可由发送方来控制接收方的数据接收。 此种方式（SM2=1）用于多机通信。

15. 通信双方不是同步工作的，数据交换由各自SBUF进行。CPU不参与通信过程，只能通过标志了解SBUF的发送、接收的状态，以便决定后续操作。通信双方不是同步工作的，数据交换由各自SBUF进行。CPU不参与通信过程，只能通过标志了解SBUF的发送、接收的状态，以便决定后续操作。 RI（SCON.0)：接收完成标志。 ①当SUBF从RXD接收完一个完整的数据帧时，RI=1。如果串口中断是开放的，则RI=1时会自动引发中断。用户可以通过中断服务程序将SBUF中的数据取出送累加器A。 MOV A,SBUF——中断方式接收数据； ②也可以使用查询的方式对RI进行检测，如果RI=1则执行： MOV A,SBUF否则等待 ——查询方式接收数据。 如何使用RI，TI标志完成接收、发送？

16. TI （SCON.1):发送完成标志。 当CPU执行：MOV SBUF,A后，SBUF开始通过TXD向外发送数据。当完成一帧数据的发送后，TI=1。 ①如果系统中断是开放的，则TI=1会自动引发中断。用户可以通过中断服务程序向SBUF输送下一个数据： MOV SBUF, A ———中断方式发送数据； ②也可以使用查询的方式对TI进行检测，如果TI=1则执行： MOV SBUF , A。否则等待 ——查询方式发送。

17. 使用查询RI、TI标志方式进行发送与接收N个数据使用查询RI、TI标志方式进行发送与接收N个数据 SETB SCON .REN CLR SCON .TI CLR SCON .RI 数据送累加器A 修改数据区指针 接收数据程序框图 NO RI=1? mov sbuf,a YES mov a，sbuf TI=1? NO A送数据区 修改数据指针 YES N个数据发送完？ NO YES N个数据接收完？ NO YES 发送数据的程序框图

18. PCON 地址：87H SMOD 波特率选择位 SMOD=1时,方式1,方式2,方式3的波特率加倍

19. 模式0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,其帧格式如下模式0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,其帧格式如下 模式1以10位为一帧传输,设由1个起始位,8个数据位,1个停止位 模式2和模式3以11位为1帧传输,设有1个起始位,8个数据位,1个附加第9位和1个停止位 9.2.2 串行通信工作模式

20. 串行口的模式0 • 特点:同步移位寄存器方式。波特率：固定为 fosc/12. RXD(P3.0)：数据口线（发送和接收）；先移数据的低位。 TXD(P3.1)：移位脉冲输出端。 （注意:移位脉冲的频率就是模式0的波特率） • 主要功能:使用串行口扩展并行口， 理论上可以扩展n*8 位的并行口。 并行的数据(8位) MCS-51 RXD TXD 串行数据 Data 外部移位寄存器 cp 移位脉冲

21. 51内部总线 模式0 电路框图 写SBUF P3.0 RXD D S Q CP SBUF 1 零检测器 S6P2 MOV SBUF,A START SHIFT 发送控制器 TXCLOCK TI SEND S6 串行口中断 P3.1 TXD 移位 时钟 START RI RECEIVE RX 接收控制器 SHIFT CLOCK 1 1 1 1 1 1 1 0 REN /RI P3.0 RXD 输入移位寄存器 装载SBUF SBUF 读SBUF 51内部总线

22. 模式0的发送与接收 • 单片机执行mov sbuf,a指令启动“发送控制器”开始发送。完毕，TI被置位。 • 在满足REN=1且RI=0的条件下（实际上是一条写SCON指令），就会引发一次接收过程。完毕，RI置位，向CPU发中断申请。

23. 模式0的时序信号（发送） 写SBUF SEND SHIFT RXD端数据 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 TXD端同步脉冲 TI中断标志 mov sbuf,a 指令从发送到结束的10个机器周期

24. 模式0的时序信号（接收） 写SCON（RI=0） RI RECEIVE SHIFT 对RXD采样 TXD同步脉冲 RI中断标志

25. 串行口模式1 • 特点:10位传输格式 (1个起始位+8个数据位+1个停止位)； 用于通讯的异步方式； 可变波特率（定时器T1的溢出率来确定,所以在此种模式下,首先要对T1进行初始化以确定串行口的波特率）。 • 发送操作：在TI=0，执行mov sbuf ,a 指令后从TXD端开始发送数据。当发送完8位数据后自动的添加一个高电平的停止位，并将TI置位。

26. 接收操作：在REN=1且RI=0的条件下进行。 串行口的接收控制器对RXD线进行采样，其采样频率是接收时钟的16倍。当连续8次采集到RXD线上为低电平时，检测电路便认定RXD线上有了“起始位”，在此后，便开始在每次第7 、 8 、9三个脉冲时进行RXD采样，采取“三中取二”的原则来确定接收的数据（如图所示）。 数据装载条件： 当接收到停止位时，必须满足：RI=0且SM2=0，才能把接收的数据送到SBUF中（停止位送SCON的RB8中，并使RI=1），否则数据丢失。 要想得到接收的数据，在接收前必须事先清零RI。

27. 串行口模式1时数据帧格式及接收采样示意图 起始位 8位数据 停止位 7.8.9 当连续8次采集到低电 平时，便确认起始位到来 在每个第7,8,9个脉冲对RXD采样 并采用“以三取二”来确定采集的数据 对RXD线的数据以16倍速度采样

28. 串行口模式1时序图

29. 特点:模式2、3都是11位传输格式 （1个起始位+9个数据位+1个停止位)，它们的不同之处是波特率。 波特率: 模式2：固定为fosc/64或fosc/32。 (具体由PCON中的SMOD位来确定）。 模式3：可变，由定时器T1的溢出波特率来确定。 串行口模式2、3 起始位 停止位 8+1位数据 第9 位

30. 模式2、3的发送过程类似于模式1，唯一的区别在于数据帧中数据是9位。这样，在发送一帧数据时，CPU除了要把8位数据送SBUF外（mov sbuf,a),还要事先将第9位数据送到SCON.TB8中。 • 如：第9位（TB8 ）=1时，SETB SCON.TB8 若第9位（TB8 ）=0时：CLR SCON.TB8 例如： SETB SCON.TB8或： CLR SCON.TB8 MOV SBUF,AMOV SBUF,A

31. 模式2、3的接收过程也类似于模式1，不同的是：模式1时，SCON中的RB8是接收到的停止位（“1”）；而模式2、3时，RB8是接收到的第9位。模式2、3的接收过程也类似于模式1，不同的是：模式1时，SCON中的RB8是接收到的停止位（“1”）；而模式2、3时，RB8是接收到的第9位。 在模式1，接收操作只有在RI=0,且REN=1时数据可以接收。而模式2、3的接收装载条件是： a）RI=0且SM2=0（与RB8的状态无关）； 或： b）RI=0且RB8=1（SM2=1时）。 只有满足a）或满足b）的条件时,接收到的数据才能送到SBUF，并使RI=1激活，否则接收无效且RI不能置位。

32. RI=0是保证SBUF空（每次取走数据时通过软件复位RI，如果没有取走数据则RI=1），保证接收到的数据不丢失。RI=0是保证SBUF空（每次取走数据时通过软件复位RI，如果没有取走数据则RI=1），保证接收到的数据不丢失。 利用后一个条件SM2和RB8来控制接收，可用于多机通信。 令SM2=1可以利用接收到的RB8控制接收是否有效。 即 RB8=1时接收有效；RB8=0时接收无效。 SM2也称“多机通讯使能位” 。 在没有多机通信的场合，RB8可用于奇偶效验，以防止串行通信出错。

33. 发送时：将SCON中的TB8作为第9位数据发送； 接收时：将接收来的第9位送到SCON中的RB8中。 串行口模式2、3时数据帧格式 起始位 停止位 9位数据

34. 串行口模式2和模式3时序图

35. 奇偶校验：收到的第9位RB8是发送方送来的奇偶校验位。奇偶校验：收到的第9位RB8是发送方送来的奇偶校验位。 在这种情况下必须令SM2=0，否则接收的校验位RB8=0时，将影响数据的接收（因为RB8有时为“1”，而有时为“0”）。 当接收数据后，对 PSW.0（P标志）和 RB8位进行判断。检查结果是否与约定的相符合。 模式2、3的应用之一带奇偶校验位的数据传送

36. 例如：发送、接收双方约定为奇校验(数据中1的个数为奇）：例如：发送、接收双方约定为奇校验(数据中1的个数为奇）： 则发送方的第9位要根据前8位数据来确定。 若发送的8位数据是：00011010，则TB8为0。 发送程序如下： : MOV C,P CPL C MOV TB8,C MOV SBUF,A : 接收时将 PSW.0（P标志）位与RB8进行“异或”，结果为1，说明校验结果正确。

37. 利用模式2,3进行带奇校验的串行通讯程序流程图利用模式2,3进行带奇校验的串行通讯程序流程图 发送端程序（原始TI=0） 接收端程序（原始RI=0） 数据送累加器A N YES RI=1 ? PSW.P=1 ? Y NO MOV A,SBUF SET SCON.TB8 CLR SCON.TB8 NO PSW.P⊕RB8=1? MOV SBUF,A YES CLR SCON.RI 出错处理 TI=1 ? NO 数据送内存 YES CLR SCON.TI 使用“查询法”编制的发送、接收程序

38. 如果系统采用多CPU结构，并且有一个做主机，其它为从机时，它们之间可以通过多机通信的方式进行数据交换。如：多路数据采集系统。如果系统采用多CPU结构，并且有一个做主机，其它为从机时，它们之间可以通过多机通信的方式进行数据交换。如：多路数据采集系统。 我们选一台单片机作为主机，专门负责接收从机传回的数据，并进行数据的后期处理（保存、打印和显示等）； 而从机则完成对传感器的信号检测、A/D转换，最后将数据采用串行通讯的形式上传给主机。 模式2、3的应用之二多机通信

39. 传统方式的多路数据采集系统 检测现场 传感器 1 机房 或 仪表室 传感器 2 接口 电路 单片机系统 或 微型计算机系统 传感器 3 传感器 4 引线 （模拟信号） 传感器 N

40. 采用“智能传感器”组成的多路数据采集系统 主机 串行数据线（2条） RXD TXD TXD RXD 从机 1 从机 2 从机 3 从机 4 从机 N 从机做智能传感器

41. 在模式2、3中， 1，SM2=0时：RB8=1或RB8=0都可以激活RI。 2，SM2=1时：RB8=1才能激活RI。 RB8=0时，RI不能激活。 多机通讯中SM2的设定

42. 主机是通信的发起者，主机发送的数据可以传送到各个从机，从机发送的数据只能为主机接收，从机之间不能直接通讯。主机是通信的发起者，主机发送的数据可以传送到各个从机，从机发送的数据只能为主机接收，从机之间不能直接通讯。 主机和从机的串口设置为模式2或3，其中主机的SM2=0，从机的SM2=1。 第九位数据用来作为地址数据标识位， RB8=1时为地址帧， RB8=0时为数据帧。从机的SM2=1时，当收到的RB8=1（地址帧）时，RI可以激活；如果RB8=0（数据帧），则RI不能激活。 主从式多机通信原理

43. 主机首先通过发送地址码来寻找从机（地址码的特征是第9位数据为“1”），所以所有的从机都能接收到主机发出的地址码（因为从机的RI=0，SM2=1,RB8=1），并使RI=1引发中断。从机在中断服务程序中，将接收到地址码与自己的地址进行比较，被选中的从机将自己的SM2=0；而未被选中的从机仍保持SM2=1，并退出中断服务程序。主机首先通过发送地址码来寻找从机（地址码的特征是第9位数据为“1”），所以所有的从机都能接收到主机发出的地址码（因为从机的RI=0，SM2=1,RB8=1），并使RI=1引发中断。从机在中断服务程序中，将接收到地址码与自己的地址进行比较，被选中的从机将自己的SM2=0；而未被选中的从机仍保持SM2=1，并退出中断服务程序。 当主机找到从机后，开始向从机发数据、命令（其特征为第9位=0）。由于被选中的从机SM2=0，所以尽管接收到的RB8=0，同样可以激活从机的RI，使其以查询的方式接收主机发出的数据或命令。当主机与从机的通讯完成后，从机再将其SM2=1，并退出中断服务程序。主机重新发出另一个从机的地址，所有从机可以马上响应并接收地址信息 。 通信过程

44. 在模式2、3中，可以实现较为特殊的通信方式，如带校验位的9位传送、多机通讯。注意：当SM2=0时，只能采用查询方式？？？在模式2、3中，可以实现较为特殊的通信方式，如带校验位的9位传送、多机通讯。注意：当SM2=0时，只能采用查询方式？？？ 模式2、3使用时要注意的问题

45. 模式0的波特率=fosc/12 模式2的波特率= 模式1和模式3的波特率= 9.2.3波特率的设计

46. TXD 发送SBUF(99H) ÷12 fosc 输入移位寄存器 RXD 模式0波特率的产生

48. 波特率及定时器T1的设定 • 在异步通信中，发送方与接收方是两个互相独立的系统，它们的系统时钟可以各不相同,此时确保通信正确的条件是： 1、要有相同的字符帧格式； 2、要有相同的波特率。 • MCS-51单片机的串行口四种模式其波特率各不相同。其中模式1、3的波特率就是由定时器T1的溢出率来决定的（PCON中的SMOD=1波特率加倍）。

49. 如何设定波特率？ • 在编制串行口通讯（模式1、3）程序时，在程序的初始化中，通过T1进行波特率的设定，既对T1进行初始化。 • T1初始化的主要任务是： 1、设置T1的工作方式为定时（C/T=0）； 工作模式为模式2 ：自动重装。 2、计算定时常数并分别送给TH1、TL1。 • 波特率计算公式： • T1溢出率：=（计数速率）/ [ 256-（TH1）] = (fosc/12) / [ 256-（TH1）]

50. 设：fosc为系统时钟频率，TH1为定时器T1的初值，B为波特率。设：fosc为系统时钟频率，TH1为定时器T1的初值，B为波特率。 可以推出初值： TH1=256-[ fosc/（384B）]； （SMOD=0时） 或： TH1=256-[ fosc/（192B）]； （SMOD=1时） 【举例】设系统时钟为11.059MHz，要求波特率为1200Hz，求TH1。 【解】设：SMOD=0，用上述公式 TH1=256-[11.059MHz /（384X1200）]=232=0E8H 注意：1、根据波特率计算定时器初值会存在一定的误差。 2、选用11.0592MHz晶振是为了产生精确的波特率。 根据波特率求定时器T1初值计算公式