單片機的串行接口

串行通信基本知識串行接口結(jié)構(gòu)及控制串行接口工作方式與波特率串行口應用舉例單片機串行口全文共53頁，當前為第1頁。數(shù)據(jù)通信

計算機與外界的信息交換稱為通信。基本的通信方法有并行通信和串行通信兩種。

1．并行通信 單位信息（通常指一個字節(jié)）的各位數(shù)據(jù)同時傳送的通信方法稱為并行通信。

2．串行通信 單位信息的各位數(shù)據(jù)被分時一位一位依次順序傳送的通信方式稱為串行通信。

單片機串行口全文共53頁，當前為第2頁。圖1并行通信示意圖圖2串行通信示意圖單片機串行口全文共53頁，當前為第3頁。

1．異步通信 異步通信中，傳送的數(shù)據(jù)可以是一個字符代碼或一個字節(jié)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)以幀的形式一幀一幀傳送。

異步通信和同步通信異步通信的一幀數(shù)據(jù)格式單片機串行口全文共53頁，當前為第4頁。

2．同步通信 在同步通信中，每一數(shù)據(jù)塊發(fā)送開始時，先發(fā)送一個或兩個同步字符，使發(fā)送與接收取得同步，然后再順序發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)塊的各個字符間取消起始位和停止位，所以通信速度得以提高。單片機串行口全文共53頁，當前為第5頁。串行通信的制式單片機串行口全文共53頁，當前為第6頁。串行通信接口種類

根據(jù)串行通信格式及約定（如同步方式、通信速率、數(shù)據(jù)塊格式等）不同，形成了許多串行通信接口標準，如常見的：

UART（串行異步通信接口）、

USB（通用串行總線接口）、

I2C（集成電路間的串行總線）、

SPI（串行外設(shè)總線）、

485總線、CAN總線接口等。單片機串行口全文共53頁，當前為第7頁。RS-232C接口RS-232C標準接口是EIA（美國電子工業(yè)協(xié)會）于1969年頒布的串行通信接口標準。RS是“RecommendedStandard”（推薦標準）的縮寫，232為標準的編號，C為版本號。在RS-232C之前為RS-232A與RS-232B，1987年修訂為EIA-232D，1991年修訂為EIA-232E，1997年又修訂為EIA-232F。其中，RS-232C最為常用。單片機串行口全文共53頁，當前為第8頁。RS-232C接口在遠程數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中的應用

當兩臺計算機（DTE）借助公用電話網(wǎng)進行遠程數(shù)據(jù)通信時。RS-232C用于將DTE和DCE進行連接，使兩者能進行串行通信。

RS-232C接口在遠程數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中的應用單片機串行口全文共53頁，當前為第9頁。RS-232C的機械特性RS-232C接口規(guī)定使用25針連接器（DB-25），連接器的尺寸及每個插針的排列位置都有明確的定義。由于一般的應用中很少用到RS-232C標準的全部信號線，所以在實際應用中常常使用9針連接器（DB-9）替代25針連接器。兩者的外形與引腳排列如圖9-7所示。通常一端做成插針，另一端做成插孔。單片機串行口全文共53頁，當前為第10頁。DB-25和DB-9連接器DB-25和DB-9連接器單片機串行口全文共53頁，當前為第11頁。RS-232C的引腳功能引

腳序

號信

號名

稱功

能信

號

方

向1PGND保護（屏蔽）接地2（3）TXD發(fā)送數(shù)據(jù)（串行輸出）DTE→DCE3（2）RXD接收數(shù)據(jù)（串行輸入）DTE←DCE4（7）RTS請求發(fā)送DTE→DCE5（8）CTS允許發(fā)送DTE←DCE6（6）DSRDCE就緒（數(shù)據(jù)建立就緒）DTE←DCE7（5）SGND信號接地8（1）DCD載波檢測DTE←DCE9—保留供測試用10—保留供測試用注：引腳序號欄中帶括號的序號為DB-9連接器的引腳序號。單片機串行口全文共53頁，當前為第12頁。引

腳序

號信

號名

稱功

能信

號

方

向11—未定義12SDCD輔助信道載波檢測DTE←DCE13SCTS輔助信道允許發(fā)送DTE←DCE14STXD輔助信道發(fā)送數(shù)據(jù)DTE→DCE15TXC發(fā)送時鐘DTE←DCE16SRXD輔助信道接收數(shù)據(jù)DTE←DCE17RXC接收時鐘DTE←DCE18—未定義19SRTS輔助信道請求發(fā)送DTE→DCE20（4）DTRDTE就緒（數(shù)據(jù)終端準備就緒）DTE→DCE21SQD信號質(zhì)量檢測DTE←DCE22（9）RI振鈴指示DTE←DCE23DRS數(shù)據(jù)信號速率選擇DTE→DCE24ETXC外部發(fā)送時鐘DTE→DCE25—未定義注：引腳序號欄中帶括號的序號為DB-9連接器的引腳序號單片機串行口全文共53頁，當前為第13頁。RS-232C的電氣特性

RS-232C的信號電平：RS-232C標準規(guī)定采用負邏輯電平。信號源點的邏輯0電平范圍為+5V～+15V，邏輯1電平范圍為?5V～?15V；信號目的點的邏輯0電平范圍為+3V～+15V，邏輯1電平范圍為?3V～?15V，噪聲容限為2V。RS-232C的信號電平下圖所示。單片機串行口全文共53頁，當前為第14頁。RS-232C的信號電平RS-232C的信號電平

通常，RS-232C的邏輯電平采用＋12V表示邏輯0，?12V表示邏輯1。單片機串行口全文共53頁，當前為第15頁。RS-232C的傳輸距離與傳輸速率：

RS-232C的傳輸距離：DTE和DEC之間采用RS-232C傳輸?shù)淖畲缶嚯x不大于15m。

RS-232C的傳輸速率：小于20kbit/s。單片機串行口全文共53頁，當前為第16頁。RS-232C與51系列單片機的連接

由于51系列單片機的串行口不是標準RS-232C接口，采用的是正邏輯TTL電平：即邏輯1為＋2.4V；邏輯0為＋0.4V。所以使用RS-232C接口將51系列單片機與計算機或其他具有RS-232C接口的設(shè)備進行連接時，必須考慮電平轉(zhuǎn)換問題。通常使用專用的電平轉(zhuǎn)換芯片來進行電平轉(zhuǎn)換。單片機串行口全文共53頁，當前為第17頁。MAXIM公司生產(chǎn)MAX232。它僅需要+5V電源，由內(nèi)置的電子泵電壓轉(zhuǎn)換器將

+5V轉(zhuǎn)換成

?10V～+10V。該芯片與TTL/CMOS電平兼容，片內(nèi)有2個發(fā)送器和2個接收器，使用比較方便。由它構(gòu)成的電平轉(zhuǎn)換電路如圖所示。MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片單片機串行口全文共53頁，當前為第18頁。由MAX232構(gòu)成的電平轉(zhuǎn)換電路由MAX232構(gòu)成的電平轉(zhuǎn)換電路單片機串行口全文共53頁，當前為第19頁。RS-232C的缺點

接口的信號電平值較高，易損壞接口電路的芯片。與TTL電平不兼容，與TTL電平接口連接需進行電平轉(zhuǎn)換。傳輸距離短，使用時傳輸距離一般不超過15m，線路條件好時也不超過幾十米。傳輸速率較低，最高傳送速率為20kbit/s。由于收發(fā)信號采用共地傳輸，容易產(chǎn)生共模干擾，所以抗干擾能力較差。單片機串行口全文共53頁，當前為第20頁。51單片機串行口的結(jié)構(gòu)串行接口的結(jié)構(gòu)單片機串行口全文共53頁，當前為第21頁。

串行口由發(fā)送電路和接收電路兩部分組成。圖中有兩個物理上獨立的串行口接收、發(fā)送緩沖器SBUF。

SBUF（發(fā)送）用于存放將要發(fā)送的字符數(shù)據(jù)；SBUF（接收）用于存放串行口接收到的字符數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收可同時進行。

SBUF（發(fā)送）和SBUF（接收）同屬于特殊功能寄存器SBUF，占用同一個地址99H。但發(fā)送緩沖器只能寫入，不能讀出；接收緩沖器只能讀出，不能寫入。因此，對SBUF進行寫操作時，是把數(shù)據(jù)送入SBUF（發(fā)送）中；對SBUF進行讀操作時，讀出的是SBUF（接收）中的數(shù)據(jù)。單片機串行口全文共53頁，當前為第22頁。串口發(fā)送過程

當單片機執(zhí)行“寫”SBUF命令時，將欲發(fā)送的字符送入SBUF（發(fā)送）后，發(fā)送控制器在發(fā)送時鐘的作用下，自動在發(fā)送字符前后添加起始位、停止位和其他控制位，然后在發(fā)送時鐘的控制下，逐位從TXD線上串行發(fā)送字符幀。發(fā)送完后使發(fā)送中斷標志TI=1，發(fā)出串口發(fā)送中斷請求。單片機串行口全文共53頁，當前為第23頁。串口接收過程

串行口在接收時，接收控制器會自動對RXD線進行監(jiān)視。當確認RXD線上出現(xiàn)起始位后，接收控制器就從起始位后的數(shù)據(jù)位開始，將一幀字符中的有用位逐位移入接收緩沖寄存器SBUF（接收）中，自動去掉起始位、停止位或空閑位，并使接收中斷標志RI

=

1，發(fā)出串口接收中斷請求。這時，只要執(zhí)行“讀”SBUF命令，便可以得到接收的數(shù)據(jù)。單片機串行口全文共53頁，當前為第24頁。串行接口的控制寄存器1．串行口控制寄存器SCON2．電源控制寄存器PCON單片機串行口全文共53頁，當前為第25頁。串行口控制寄存器SCONSCON用于設(shè)定串行口的工作方式、接收/發(fā)送控制以及設(shè)置狀態(tài)標志等。它的字節(jié)地址為98H，可進行位尋址，其各位的定義如圖所示。圖9-15串行口控制寄存器

單片機串行口全文共53頁，當前為第26頁。SCON各位名稱和功能

SM0和SM1（SCON.7和SCON.6）：串行口工作方式選擇位?？蛇x擇4種工作方式，如表所示。SM0SM1工作方式功能波特率000移位寄存器fosc/1201110位異步收發(fā)（8位數(shù)據(jù)）可變，由定時器控制10211位異步收發(fā)（9位數(shù)據(jù)）fosc/64或fosc/3211311位異步收發(fā)（9位數(shù)據(jù)）可變，由定時器控制表 串行口的工作方式單片機串行口全文共53頁，當前為第27頁。

RI（SCON.0）：接收中斷標志位。用于指示一幀信息是否接收完畢它的工作過程是：當串行口接收到停止位時；由內(nèi)部硬件電路使RI=1。一旦RI被硬件置1，便產(chǎn)生串口中斷請求SCON各位名稱和功能單片機串行口全文共53頁，當前為第28頁。

TI（SCON.1）：發(fā)送中斷標志位。用于指示一幀信息是否發(fā)送完畢它的工作過程是：開始串行發(fā)送停止位時，由內(nèi)部硬件電路使TI=1，并向CPU發(fā)出串口中斷請求。與RI標志的清除方法相似，TI也必須通過軟件才能將其清0SCON各位名稱和功能單片機串行口全文共53頁，當前為第29頁。

RB8（SCON.2）：接收數(shù)據(jù)第9位。在方式2或方式3中，用于存放接收數(shù)據(jù)的第9位，此時，該位可能是奇偶校驗位，也可能是多機通信中的地址幀/數(shù)據(jù)幀的標志位。在方式1時，若SM2=0，則RB8為接收到的停止位。方式0時，不使用RB8。SCON各位名稱和功能單片機串行口全文共53頁，當前為第30頁。

TB8（SCON.3）：發(fā)送數(shù)據(jù)第9位。在方式2或方式3中，用于存放發(fā)送數(shù)據(jù)的第9位，此時，該位可以用作奇偶校驗位，在多機通信中，可以作為地址幀/數(shù)據(jù)幀的標志位。

REN（SCON.4）：允許接收控制位。若使REN=1，則啟動串行口接收數(shù)據(jù)；若使REN=0，則禁止串口接收。SCON各位名稱和功能單片機串行口全文共53頁，當前為第31頁。SM2（SCON.5）：多機通信控制位。主要用于方式2和方式3中。（一般設(shè)置為0）若接收方單片機的SM2

=

1，則由收到的RB8來控制是否使RI置1：當收到的RB8

=

0時，RI不被置1，收到的信息被丟棄；當收到的RB8

=

1時，收到的數(shù)據(jù)進入SBUF（接收），并將RI置1，向CPU發(fā)出串口中斷請求，接收方可在串口中斷服務中將數(shù)據(jù)從SBUF（接收）中讀走。也可以通過查詢RI的辦法，在發(fā)現(xiàn)RI為1后，將SBUF（接收）中的數(shù)據(jù)讀走。SCON各位名稱和功能單片機串行口全文共53頁，當前為第32頁。

若接收收方單片機的SM2

=

0，則RB8不再具有控制RI激活的功能，不論收到的RB8為0還是1，收到的數(shù)據(jù)都會進入SBUF，并使RI

=

1。運用SM2的控制功能，便可以實現(xiàn)多機通信在方式0時，不使用SM2控制位，應將SM2設(shè)定為0。在方式1時，通常也將SM2設(shè)為0，若使SM2

=

1，則只有接收到有效的停止位時，RI才被置1。SCON各位名稱和功能單片機串行口全文共53頁，當前為第33頁。電源控制寄存器PCONPCON的字節(jié)地址為87H，不能按位尋址，只能按字節(jié)尋址。各位的定義如圖9-16所示。其中，只有一位SMOD與串行口工作有關(guān)。編程時只能使用字節(jié)操作指令對它賦值。圖9-16電源控制寄存器

單片機串行口全文共53頁，當前為第34頁。PCON控制位的名稱和功能

SMOD（PCON.7）：波特率倍增位。在串行口方式1、方式2、方式3中，用于控制是否倍增波特率。當SMOD

=

0時，波特率不倍增；當SMOD

=

1時，波特率提高一倍。

單片機串行口全文共53頁，當前為第35頁。串行接口的工作方式1．方式02．方式13．方式2和方式3單片機串行口全文共53頁，當前為第36頁。方式1

工作方式1時，串口被設(shè)定為10位異步通信口。TXD為數(shù)據(jù)發(fā)送引腳，RXD為數(shù)據(jù)接收引腳，所傳送的字符幀格式如圖所示。串口方式1的字符幀格式

單片機串行口全文共53頁，當前為第37頁。方式1發(fā)送

在TI

=

0時，當執(zhí)行一條寫SBUF的指令后，即可啟動串行口發(fā)送過程：發(fā)送電路自動在寫入SBUF中的8位數(shù)據(jù)前后分別添加1位起始位和1位停止位。在發(fā)送移位脈沖作用下，從TXD引腳逐位送出起始位、數(shù)據(jù)位和停止位。發(fā)送完一個字符幀后，自動維持TXD線為高電平。并使發(fā)送中斷標志TI置1，產(chǎn)生串口中斷請求。通過軟件將TI清0，便可繼續(xù)發(fā)送。單片機串行口全文共53頁，當前為第38頁。串口方式1的發(fā)送時序串口方式1的發(fā)送時序單片機串行口全文共53頁，當前為第39頁。方式1接收

當使用命令使RI

=

0，REN

=

1時，串口開始接收過程：接收控制器先以速率為所選波特率的16倍的采樣脈沖對RXD引腳電平進行采樣，當連續(xù)8次采樣到RXD線為低電平時，便可確認RXD線上有起始位。此后，接收控制器就改為對第7、8、9三個脈沖采樣到的值進行位檢測，并以三中取二原則來確定所采樣數(shù)據(jù)的值，如圖所示。單片機串行口全文共53頁，當前為第40頁。串口接收時對RXD引腳電平的采樣串口接收時對RXD引腳電平的采樣單片機串行口全文共53頁，當前為第41頁。方式1接收過程RXD上的數(shù)據(jù)被逐位移入接收移位寄存器，當接收到停止位時，將去除起始位和停止位后的8位數(shù)據(jù)裝入接收緩沖器SBUF，并使RI

=

1，向CPU發(fā)出串口中斷請求。方式1的接收時序如圖所示。圖9-23串口方式1的接收時序

單片機串行口全文共53頁，當前為第42頁。串行接口的波特率

在串行通信中，為了保證接收方能正確識別數(shù)據(jù)，收發(fā)雙方必須事先約定串行通信的波特率。51單片機在不同的串口工作方式下，其串行通信的波特率是不同的。其中，方式0和方式2的波特率是固定的；方式1和方式3的波特率是可變的，由定時器T1的溢出率決定。計算公式如下。

單片機串行口全文共53頁，當前為第43頁。波特率計算公式:

方式0的波特率

=

fosc/12

方式1的波特率

=

(2SMOD/32)×(T1溢出率)

方式2的波特率

=

(2SMOD/64)×

fosc方式3的波特率

=

(2SMOD/32)×(T1溢出率)

其中，T1溢出率是指定時器T1每秒鐘溢出的次數(shù)。SMOD=0表示波特率不增倍=1表示增倍單片機串行口全文共53頁，當前為第44頁。T1溢出率計算公式:

由于T1每溢出一次所需的時間即為T1的定時時間，所以T1溢出率等于T1定時時間的倒數(shù)。計算公式如下。T1的定時時間

=

(2n?計數(shù)初值)×12/foscT1溢出率

=

1/(T1的定時時間)

=

fosc/[(2n?計數(shù)初值)×12]

公式中，n是定時器T1的位數(shù)，取值與T1的工作方式有關(guān)：