單片機原理與接口技術第9章MCS-51單片機

串行通信7/28/202319.2MCS-51的串行口及其控制寄存器9.1計算機串行通信基礎9.3MCS-51的串行通信工作方式及其應用主要內容7/28/202329.1計算機串行通信基礎

隨著多微機系統(tǒng)的廣泛應用和計算機網(wǎng)絡技術的普及，計算機的通信功能愈來愈顯得重要。計算機通信是指計算機與外部設備或計算機與計算機之間的信息交換。通信有并行通信和串行通信兩種方式。在多微機系統(tǒng)以及現(xiàn)代測控系統(tǒng)中信息的交換多采用串行通信方式。7/28/20233計算機通信是將計算機技術和通信技術的相結合，完成計算機與外部設備或計算機與計算機之間的信息交換?？梢苑譃閮纱箢悾翰⑿型ㄐ排c串行通信。并行通信通常是將數(shù)據(jù)字節(jié)的各位用多條數(shù)據(jù)線同時進行傳送。并行通信控制簡單、傳輸速度快；由于傳輸線較多，長距離傳送時成本高且接收方的各位同時接收存在困難。

1.數(shù)據(jù)通信方式

7/28/20234串行通信是將數(shù)據(jù)字節(jié)分成一位一位的形式在一條傳輸線上逐個地傳送。串行通信的特點：傳輸線少，長距離傳送時成本低，且可以利用電話網(wǎng)等現(xiàn)成的設備，但數(shù)據(jù)的傳送控制比并行通信復雜。

7/28/20235兩種方式：異步通信與同步通信1、異步通信

異步通信是指通信的發(fā)送與接收設備使用各自的時鐘控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收過程。為使雙方的收發(fā)協(xié)調，要求發(fā)送和接收設備的時鐘盡可能一致。

2.串行通信的通信方式

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異步通信是以字符（構成的幀）為單位進行傳輸，字符與字符之間的間隙（時間間隔）是任意的，但每個字符中的各位是以固定的時間傳送的，即字符之間不一定有“位間隔”的整數(shù)倍的關系，但同一字符內的各位之間的距離均為“位間隔”的整數(shù)倍。7/28/20237異步通信的數(shù)據(jù)格式：異步通信的特點：不要求收發(fā)雙方時鐘的嚴格一致，實現(xiàn)容易，設備開銷較小，但每個字符要附加2～3位用于起止位，各幀之間還有間隔，因此傳輸效率不高。7/28/20238串行通信的錯誤校驗

1、奇偶校驗在發(fā)送數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)位尾隨的1位為奇偶校驗位（1或0）。奇校驗時，數(shù)據(jù)中“1”的個數(shù)與校驗位“1”的個數(shù)之和應為奇數(shù)；偶校驗時，數(shù)據(jù)中“1”的個數(shù)與校驗位“1”的個數(shù)之和應為偶數(shù)。接收字符時，對“1”的個數(shù)進行校驗，若發(fā)現(xiàn)不一致，則說明傳輸數(shù)據(jù)過程中出現(xiàn)了差錯。2、代碼和校驗代碼和校驗是發(fā)送方將所發(fā)數(shù)據(jù)塊求和（或各字節(jié)異或），產(chǎn)生一個字節(jié)的校驗字符（校驗和）附加到數(shù)據(jù)塊末尾。接收方接收數(shù)據(jù)同時對數(shù)據(jù)塊（除校驗字節(jié)外）求和（或各字節(jié)異或），將所得的結果與發(fā)送方的“校驗和”進行比較，相符則無差錯，否則即認為傳送過程中出現(xiàn)了差錯。7/28/202392、同步通信同步通信時要建立發(fā)送方時鐘對接收方時鐘的直接控制，使雙方達到完全同步。此時，傳輸數(shù)據(jù)的位之間的距離均為“位間隔”的整數(shù)倍，同時傳送的字符間不留間隙，即保持位同步關系，也保持字符同步關系。7/28/202310面向字符的同步格式：此時，傳送的數(shù)據(jù)和控制信息都必須由規(guī)定的字符集（如ASCII碼）中的字符所組成。圖中幀頭為1個或2個同步字符SYN（ASCII碼為16H）。SOH為序始字符（ASCII碼為01H），表示標題的開始，標題中包含源地址、目標地址和路由指示等信息。STX為文始字符（ASCII碼為02H），表示傳送的數(shù)據(jù)塊開始。數(shù)據(jù)塊是傳送的正文內容，由多個字符組成。數(shù)據(jù)塊后面是組終字符ETB（ASCII碼為17H）或文終字符ETX（ASCII碼為03H）。然后是校驗碼。典型的面向字符的同步規(guī)程如IBM的二進制同步規(guī)程BSC。

7/28/202311面向位的同步格式：此時，將數(shù)據(jù)塊看作數(shù)據(jù)流，并用序列01111110作為開始和結束標志。為了避免在數(shù)據(jù)流中出現(xiàn)序列01111110時引起的混亂，發(fā)送方總是在其發(fā)送的數(shù)據(jù)流中每出現(xiàn)5個連續(xù)的1就插入一個附加的0；接收方則每檢測到5個連續(xù)的1并且其后有一個0時，就刪除該0。

典型的面向位的同步協(xié)議如ISO的高級數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程HDLC和IBM的同步數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程SDLC。同步通信的特點是以特定的位組合“01111110”作為幀的開始和結束標志，所傳輸?shù)囊粠瑪?shù)據(jù)可以是任意位。所以傳輸?shù)男瘦^高，但實現(xiàn)的硬件設備比異步通信復雜。

7/28/2023121、單工單工是指數(shù)據(jù)傳輸僅能沿一個方向，不能實現(xiàn)反向傳輸。2、半雙工半雙工是指數(shù)據(jù)傳輸可以沿兩個方向，但需要分時進行。3、全雙工全雙工是指數(shù)據(jù)可以同時進行雙向傳輸。（MCS-51為全雙工方式）

單工半雙工全雙工3.串行通信的數(shù)據(jù)傳送方式

7/28/2023131、傳輸速率比特率是每秒鐘傳輸二進制代碼的位數(shù)，單位是：位／秒（bps）。如每秒鐘傳送240個字符，而每個字符格式包含10位(1個起始位、1個停止位、8個數(shù)據(jù)位)，這時的比特率為：

10位×240個/秒=2400bps4.串行通信的數(shù)據(jù)傳送速率

7/28/2023142、傳輸距離與傳輸速率的關系串行接口或終端直接傳送串行信息位流的最大距離與傳輸速率及傳輸線的電氣特性有關。當傳輸線使用每0.3m（約1英尺）有50PF電容的非平衡屏蔽雙絞線時，傳輸距離隨傳輸速率的增加而減小。當比特率超過1000bps時，最大傳輸距離迅速下降，如9600bps時最大距離下降到只有76m（約250英尺）。7/28/202315一、RS-232C接口

RS-232C是EIA（美國電子工業(yè)協(xié)會）1969年修訂RS-232C標準。RS-232C定義了數(shù)據(jù)終端設備（DTE）與數(shù)據(jù)通信設備（DCE）之間的物理接口標準。1、機械特性RS-232C接口規(guī)定使用25針連接器，連接器的尺寸及每個插針的排列位置都有明確的定義。5.串行通信總線標準接口7/28/2023162、功能特性7/28/2023173.遠程通信舉例過程特性規(guī)定了信號之間的時序關系，以便正確地接收和發(fā)送數(shù)據(jù)

。遠程通信連接7/28/2023184.信號的調制與解調

利用調制器（Modulator）把數(shù)字信號轉換成模擬信號，然后送到通信線路上去，再由解調器（Demodulator）把從通信線路上收到的模擬信號轉換成數(shù)字信號。由于通信是雙向的，調制器和解調器合并在一個裝置中，這就是調制解調器MODEM。7/28/2023195、RS-232C電平與TTL電平轉換驅動電路7/28/2023206、采用RS-232C接口存在的問題1、傳輸距離短，傳輸速率低

RS-232C總線標準受電容允許值的約束，使用時傳輸距離一般不要超過15米（線路條件好時也不超過幾十米）。最高傳送速率為20Kbps。2、有電平偏移

RS-232C總線標準要求收發(fā)雙方共地。通信距離較大時，收發(fā)雙方的地電位差別較大，在信號地上將有比較大的地電流并產(chǎn)生壓降。3、抗干擾能力差

RS-232C在電平轉換時采用單端輸入輸出，在傳輸過程中當干擾和噪聲混在正常的信號中。為了提高信噪比，RS-232C總線標準不得不采用比較大的電壓擺幅。7/28/202321二、RS-422A接口

RS-422A輸出驅動器為雙端平衡驅動器。如果其中一條線為邏輯“1”狀態(tài)，另一條線就為邏輯“0”，比采用單端不平衡驅動對電壓的放大倍數(shù)大一倍。差分電路能從地線干擾中拾取有效信號，差分接收器可以分辨200mV以上電位差。若傳輸過程中混入了干擾和噪聲，由于差分放大器的作用，可使干擾和噪聲相互抵消。因此可以避免或大大減弱地線干擾和電磁干擾的影響。RS-422A傳輸速率（90Kbps）時，傳輸距離可達1200米。

7/28/202322三、RS-485接口

RS-485是RS-422A的變型：RS-422A用于全雙工，而RS-485則用于半雙工。RS-485是一種多發(fā)送器標準，在通信線路上最多可以使用32對差分驅動器/接收器。如果在一個網(wǎng)絡中連接的設備超過32個，還可以使用中繼器。

RS-485的信號傳輸采用兩線間的電壓來表示邏輯1和邏輯0。由于發(fā)送方需要兩根傳輸線，接收方也需要兩根傳輸線。傳輸線采用差動信道，所以它的干擾抑制性極好，又因為它的阻抗低，無接地問題，所以傳輸距離可達1200米，傳輸速率可達1Mbps。7/28/2023239.2MCS-51串行通信接口

MCS-51串行口結構由串行口發(fā)送/接收電路和串口控制寄存器等兩部分電路組成?，F(xiàn)分述如下：

1、串行口的結構

2、串行口控制寄存器---SBUF7/28/202324

MCS-51單片機串行口是由以下部分構成：發(fā)送緩沖寄存器（SBUF），發(fā)送控制器，發(fā)送控制門，接收緩沖寄存器（SBUF），接收控制寄存器，移位寄存器，中斷等部分組成。1．串行口結構9.2MCS-51串行通信接口---串行口結構7/28/202325

MCS-51單片機內部有一個全雙工的串行通信口，即串行接收和發(fā)送緩沖器（SBUF），這兩個在邏輯上獨立的接收發(fā)送器，既可以接收數(shù)據(jù)，也可以發(fā)送數(shù)據(jù)。但接收緩沖器只能讀出不能寫入，而發(fā)送緩沖器則只能寫入不能讀出。在物理上，SBUF只有一個，既表示發(fā)送寄存器，又表示接收寄存器。具有同一個單元地址99H。在邏輯上，SBUF有兩個，一個是發(fā)送寄存器，另一個是接收寄存器。9.2MCS-51串行通信接口接收/發(fā)送緩沖器（SBUF）----接收/發(fā)送緩沖器（SBUF）7/28/202326串行口數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收9.2MCS-51串行通信接口---串行口結構7/28/202327與串行通信有關的控制寄存器共有3個：（1）串行控制寄存器SCON（2）電源控制寄存器PCON（3）中斷允許控制寄存器IE9.2MCS-51串行通信接口2.串行通信控制寄存器7/28/202328

SCON是MCS-51的一個可位尋址的專用寄存器，用于串行數(shù)據(jù)通信的控制。單元地址98H，位地址9FH～98H。SCON各位的定義如下表所示。

9.2MCS-51串行通信接口（1）串行控制寄存器（SCON）----串行控制寄存器（SCON）7/28/202329

9.2MCS-51串行通信接口SCON各位的定義----串行控制寄存器（SCON）7/28/2023301)串行口工作方式選擇位SM0、SM1SM0、SM1由軟件置1或清0，用于選擇串行口的4種工作方式。9.2MCS-51串行通信接口----串行控制寄存器（SCON）7/28/2023312)多機通信控制位SM2

SM2=1時，接收到一幀信息，如果接收到的第9位數(shù)據(jù)為1，硬件將RI置1，申請中斷；如果第九位數(shù)據(jù)為0，則RI不置1，且所接收的數(shù)據(jù)無效。SM2=0時，只要接收到一幀信息，不管第九位數(shù)據(jù)是0還是1，硬件都置RI=1，并申請中斷。RI由軟件清0，SM2由軟件置1或清0。多機通信時，各從機先將SM2置l。接收并識別主機發(fā)來的地址，當?shù)刂放c本機相同時，將SM2清0，與主機進行數(shù)據(jù)傳遞。各機所發(fā)送的數(shù)據(jù)第9位必須為0。9.2MCS-51串行通信接口----串行控制寄存器（SCON）7/28/2023323)允許接收控制位RENREN=1時允許并啟動接收，REN=0時禁止接收。REN由軟件置1或清0。4)發(fā)送數(shù)據(jù)D8位TB8TB8是方式2、方式3中要發(fā)送的第九位數(shù)據(jù)，事先用軟件寫入1或0。方式0、方式1不用。9.2MCS-51串行通信接口----串行控制寄存器（SCON）7/28/2023335)接收數(shù)據(jù)D8位RB8方式2、方式3中，由硬件將接收到的第九位數(shù)據(jù)存入RB8。方式1中，停止位存入RB8。6)發(fā)送中斷標志位TI發(fā)送完一幀信息，由硬件使TI置1，TI必須由軟件清0。7)接收中斷標志位RI接收完一幀有效信息，由硬件使RI置1，RI必須由軟件清0。9.2MCS-51串行通信接口----串行控制寄存器（SCON）7/28/2023349.2MCS-51串行通信接口（2）電源控制寄存器（PCON）

PCON主要是為CHMOS型單片機的電源控制而設置的專用寄存器。單元地址為87H，不能位尋址。PCON是一個8位寄存器，其最高位SMOD為波特率控制位：該位為1時，波特率增大一倍。---PCON7/28/202335

IE的地址是A8H，其內容在中斷系統(tǒng)中已介紹。其中串行口允許中斷的控制位為ES，當ES=1，允許串行口中斷；當ES=0，禁止串行中斷。9.2MCS-51串行通信接口（3）中斷允許控制寄存器IE---IE7/28/2023363．波特率的設定9.2MCS-51串行通信接口---串行口結構1．方式0的波特率2．方式2的波特率7/28/2023373．波特率的設定9.2MCS-51串行通信接口---串行口結構3．方式1、3的波特率式中，K為定時器T1的計數(shù)器位數(shù)，它和T1工作方式的關系為：方式0時，K=13

方式1時，K=16

方式2/3時，K=8

使用時，常根據(jù)波特率來計算T1的TC（時間常數(shù)初值）。7/28/2023389.2MCS-51串行通信接口---串行口結構3．方式1、3的波特率例5.5：fosc=11.0592MHz，工作在方式1下，選定用定時器T1工作方式2作為波特率發(fā)生器，若波特率為9600b/s,求計數(shù)初值。所以：TH1=TL1=FDH7/28/2023399.2MCS-51串行通信接口---串行口結構3．方式1、3的波特率

使用時，為避免計數(shù)，波特率和TC間的關系常列成表格，供用戶查閱：7/28/202340串行通信工作方式的4種工作方式：9.3MCS-51串行通信工作方式----工作方式7/28/202341

在方式0下，串行口作為同步移位寄存器使用。這時用RXD（P3.0）引腳作為數(shù)據(jù)移位的入口和出口，而由TXD（P3.1）引腳提供移位脈沖。移位數(shù)據(jù)的