《單片機控制系統(tǒng)開發(fā)訓練》授課對象：電氣自動化技術1801/02主講教師：劉旭東電氣工程系

第8章串行口的工作原理及應用

8.1串行通信基礎隨著單片機的廣泛應用與計算機網(wǎng)絡技術的普及，單片機與個人計算機或單片機與單片機之間的通信使用較多。8.1.1并行通信和串行通信并行通信是指數(shù)據(jù)的各位同時進行傳送（發(fā)送或接收）的通信方式。其優(yōu)點是傳遞速度快；缺點是數(shù)據(jù)有多少位，就需要多少根傳送線。并行通信在位數(shù)多、傳送距離又遠時就不太適宜。串行通信指數(shù)據(jù)是一位一位按順序傳送的通信方式，它的突出優(yōu)點是只需一對傳送線（利用雙絞線就可作為傳送線），這樣就大大降低了傳送成本，特別適用于遠距離通信。其缺點是傳送速度較低。8.1.2同步通信與異步通信串行通信又有2種方式：同步串行通信與異步串行通信。同步串行通信是采用一個同步時鐘，通過一條同步時鐘線，加到收發(fā)雙方，使收、發(fā)雙方達到完全同步，此時，傳輸數(shù)據(jù)的位之間的距離“位間隔”的整數(shù)倍，同時傳送的字符間不留間隙，即保持同步關系。異步串行通信是指收、發(fā)雙方使用各自的時鐘控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，這樣可省去連接收、發(fā)雙方的一條同步時鐘信號線，使得異步串行通信連接更加簡單且容易實現(xiàn)，為使收發(fā)雙方協(xié)調(diào)，要求收發(fā)雙方的時鐘盡可能一致。8.1.3串行通信的傳輸模式串行通信按照數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蚣皶r間關系可分為單工、半雙工和全雙工。(l)單工方式●信息只能沿一個方向傳輸，而不能沿相反方向傳輸。(2)半雙工方式●信息可以沿著兩個方向傳輸，但在指定時刻，信息只能沿一個方向傳輸。(3)全雙工方式●信息可以同時沿著兩個方向傳輸。8.1.4串行通信的錯誤校驗在串行通信過程中，往往要對數(shù)據(jù)傳送的正確與否進行校驗，校驗是保證數(shù)據(jù)準確無誤的關鍵。常用的校驗方法有奇偶校驗與循環(huán)冗余碼校驗等方法。1.奇偶校驗是一種校驗代碼傳輸正確性的方法。根據(jù)被傳輸?shù)囊唤M二進制代碼的數(shù)位中“1”的個數(shù)是奇數(shù)或偶數(shù)來進行校驗。采用奇數(shù)的稱為奇校驗，反之，稱為偶校驗。采用何種校驗是事先規(guī)定好的。通常專門設置一個奇偶校驗位，用它使這組代碼中“1”的個數(shù)為奇數(shù)或偶數(shù)。若用奇校驗，則當接收端收到這組代碼時，校驗“1”的個數(shù)是否為奇數(shù)，從而確定傳輸代碼的正確性。2.代碼和校驗代碼和和校驗是發(fā)送方將所發(fā)數(shù)據(jù)塊求和或各字節(jié)異或，然后將產(chǎn)生一個字節(jié)的校驗字符附加到數(shù)據(jù)塊末尾。接收方接受數(shù)據(jù)時同時對數(shù)據(jù)塊求和或各字節(jié)異或，將所得結果與發(fā)方的“校驗和”進行比較，則無差錯，否則即認為在輸出過程中出現(xiàn)了差錯。3.循環(huán)冗余碼校驗循環(huán)冗余碼校驗糾錯能力強，容易實現(xiàn)。該校驗是通過某種數(shù)學運算實現(xiàn)有效信息與校驗位之間的循環(huán)校驗，常用于對磁盤信息的傳輸、存儲區(qū)的完整性校驗等。它是目前應用最廣的檢錯碼編碼方式之一，廣泛用于同步通信。8.2串行口結構AT89S51集成一個全雙工通用異步收發(fā)（UART）串行口。全雙工：兩個單片機之間串行數(shù)據(jù)可同時雙向傳輸。異步通信：收、發(fā)雙方使用各自時鐘控制發(fā)送和接收，省去收、發(fā)雙方的1條同步時鐘信號線，使異步串行通信連接更簡單且易實現(xiàn)。AT89S51串行口內(nèi)部結構見圖8-1。有兩個物理上獨立的接收、發(fā)送緩沖器SBUF（特殊功能寄存器），可同時收發(fā)數(shù)據(jù)。發(fā)送緩沖器只寫不讀，接收緩沖器只讀不寫，兩個緩沖器共用一個特殊功能寄存器字節(jié)地址（99H）?？刂萍拇嫫鞴灿?個：特殊功能寄存器SCON和PCON。下面詳細介紹各位功能。

圖8-6

串行口的內(nèi)部結構8.2.1串行口控制寄存器SCON串行口控制寄存器SCON，字節(jié)地址98H，可位尋址，位地址為98H～9FH，即SCON的所有位都可用軟件來進行位操作清“0”或置“1”。SCON格式見圖8-2。圖8-2

串口控制寄存器SCON格式寄存器SCON各位功能：（1）SM0、SM1—串口4種工作方式選擇

SM0、SM12位編碼對應4種工作方式見表8-1。(2）SM2—多機通信控制位多機通信是在方式2和方式3下進行，因此SM2位主要用于方式2或方式3。當串口以方式2或方式3接收時，如SM2=1，則只有當接收到的第9位數(shù)據(jù)（RB8）為“1”時，才使RI置“1”，產(chǎn)生中斷請求，并將收到的前8位數(shù)據(jù)送入SBUF；當收到的第9位數(shù)據(jù)（RB8）為“0”時，則將收到的前8位數(shù)據(jù)丟棄。當SM2=0時，則不論第9位數(shù)據(jù)是“1”還是“0”，都將接收的前8位數(shù)據(jù)送入SBUF中，并使RI置“1”，產(chǎn)生中斷請求。方式1時，如果SM2=1，則只有收到有效的停止位時才會激活RI。方式0時，SM2必須為0。(3）REN—允許串行接收位，由軟件置“1”或清“0”。

REN=1，允許串行口接收數(shù)據(jù)。

REN=0，禁止串行口接收數(shù)據(jù)。 （4）TB8—發(fā)送的第9位數(shù)據(jù)在方式2和方式3時，TB8是要發(fā)送的第9位數(shù)據(jù)，其值由軟件置“1”或清“0”。

在雙機串行通信時，TB8一般作為奇偶校驗位使用；也可在多機串行通信中表示主機發(fā)送的是地址幀還是數(shù)據(jù)幀，TB8=1為地址幀，TB8=0為數(shù)據(jù)幀。（5）RB8—接收的第9位數(shù)據(jù)在方式2和方式3時，RB8存放接收到的第9位數(shù)據(jù)。在方式1，如果SM2=0，RB8是接收到的停止位。在方式0，不使用RB8。（6）TI—發(fā)送中斷標志位方式0時，串行發(fā)送的第8位數(shù)據(jù)結束時，TI由硬件置“1”，在其他工作方式中，串行口發(fā)送停止位的開始時，置TI為“1”。TI=1，表示1幀數(shù)據(jù)發(fā)送結束。TI位狀態(tài)可供軟件查詢，也可申請中斷。CPU響應中斷后，在中斷服務程序向SBUF寫入要發(fā)送的下一幀數(shù)據(jù)。注意：TI必須由軟件清“0”。（7）RI—接收中斷標志位串口在方式0時，接收完第8位數(shù)據(jù)時，RI由硬件置“1”。在其他工作方式中，串行接收到停止位時，該位置“1”。RI=1，表示一幀數(shù)據(jù)接收完畢，并申請中斷，要求CPU從接收SBUF取走數(shù)據(jù)。該位狀態(tài)也可供軟件查詢。注意：RI必須由軟件清“0”。8.2.2特殊功能寄存器PCON字節(jié)地址為87H，不能位尋址。格式見圖8-3。僅最高位SMOD與串口有關，低4位功能在第2章中已介紹。

SMOD位：波特率選擇位。

圖8-3特殊功能寄存器PCON的格式例如，方式1的波特率計算公式為

當SMOD=1時，比SMOD=0時波特率加倍，所以也稱SMOD位為波特率倍增位。8.3串行口的4種工作方式

4種工作方式由特殊功能寄存器SCON中SM0、SM1位定義，編碼見表8-1。8.3.1方式0方式0為同步移位寄存器輸入/輸出方式。該方式并不用于兩個AT89S51單片機間的異步串行通信，而是用于外接移位寄存器，用來擴展并行I/O口。

方式0以8位數(shù)據(jù)為1幀，沒有起始位和停止位，先發(fā)送或接收最低位。波特率是固定的，為fosc/12。幀格式見圖8-4。圖8-4方式0幀格式1．方式0輸出（1）方式0輸出的工作原理當單片機執(zhí)行將數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖器SBUF指令時，產(chǎn)生一個正脈沖，串口把8位數(shù)據(jù)以fosc/12固定波特率從RXD腳串行輸出，低位在先，TXD腳輸出同步移位脈沖，當8位數(shù)據(jù)發(fā)送完，中斷標志位TI置“1”。方式0的發(fā)送時序見圖8-5。圖8-5方式0發(fā)送時序（2）方式0輸出的應用案例典型應用是串口外接串行輸入/并行輸出的同步移位寄存器74LS164，實現(xiàn)并行端口的擴展。圖8-6為串口方式0，通過74LS164輸出控制8個外接LED發(fā)光二極管亮滅的接口電路。當串口設置在方式0輸出時，串行數(shù)據(jù)由RXD端（P3.0）送出，移位脈沖由TXD端（P3.1）送出。在移位脈沖的作用下，串行口發(fā)送緩沖器的數(shù)據(jù)逐位地從RXD端串行地移入74LS164中。

圖8-6方式0輸出外接8個LED發(fā)光二極管接口電路【例8-1】如圖8-6，控制8個發(fā)光二極管流水點亮。圖中74LS164的8腳（CLK端）為同步脈沖輸入端，9腳為控制端，9腳電平由單片機的P1.0控制，當9腳為0時，允許串行數(shù)據(jù)由RXD端（P3.0）向74LS164的串行數(shù)據(jù)輸入端A和B（1腳和2腳）輸入，但是74LS164的8位并行輸出端關閉；當9腳為1時，A和B輸入端關閉，但是允許74LS164中的8位數(shù)據(jù)并行輸出。當串行口將8位串行數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，申請中斷，在中斷服務程序中，單片機向通過串行口輸出下一個8位數(shù)據(jù)。參考程序：

#include<reg51.h>

#include<stdio.h>

sbitP1_0=0x90;

unsignedcharnSendByte;

voiddelay(unsignedinti)//延時子程序

{

unsignedcharj;

for(;i>0;i--)//變量i由實際參數(shù)傳入一個值，因此i不能賦初值

for(j=0;j<125;j++);

}

main()//主程序

{

SCON=0x00;//設置串行口為方式0

EA=1; //全局中斷允許

ES=1;//允許串行口中斷

nSendByte=1;//點亮數(shù)據(jù)初始為00000001送入nSendByte

SBUF=nSendByte;//向SBUF寫入點亮數(shù)據(jù)，啟動串行發(fā)送

P1_0=0;//允許串口向74LS164串行發(fā)送數(shù)據(jù)

while(1)

{;}

}voidSerial_Port()interrupt4using0//串行口中斷服務程序

{

if(TI) //如果TI=1，1個字節(jié)串行發(fā)送完畢

{P1_0=1;//P1_0=1，允許74LS164并行輸出，流水點亮二極管SBUF=nSendByte;//向SBUF寫入數(shù)據(jù)，啟動串行發(fā)送delay(500);//延時，點亮二極管持續(xù)一段時間P1_0=0;//P1_0=0，允許向74LS164串行寫入nSendByte=nSendByte<<1;//點亮數(shù)據(jù)左移1位if(nSendByte==0)nSendByte=1;//點亮數(shù)據(jù)是否左移8次？是，重新送點亮數(shù)據(jù)SBUF=nSendByte; //向74LS164串行發(fā)送點亮數(shù)據(jù)

}

TI=0;

RI=0;

} 程序說明：（1）程序中定義了全局變量nSendByte，以便在中斷服務程序中能訪問該變量。nSendByte用于存放從串行口發(fā)出的點亮數(shù)據(jù)，在程序中使用左移1位操作符“<<”對nSendByte變量進行移位，使得從串口發(fā)出的數(shù)據(jù)為0x01、0x02、0x04、0x08、0x10、0x20、0x40、0x80，從而流水點亮各個發(fā)光二極管。（2）程序中if語句的作用是當nSendByte左移1位由0x80變?yōu)?x00后，需對變量nSendByte重新賦值為1。（3）主程序中SBUF=nSendByte語句必不可少，如果沒有該語句，主程序并不從串行口發(fā)送數(shù)據(jù)，也就不會產(chǎn)生隨后的發(fā)送完成中斷。（4）兩條語句“while（1）{;}”實現(xiàn)反復循環(huán)的功能。2．方式0輸入

(1）方式0輸入的工作原理:方式0輸入時，REN為串行口允許接收控制位，REN=0，禁止接收；REN=1，允許接收。當CPU向串行口SCON寄存器寫入控制字（設置為方式0，并使REN位置“1”，同時RI=0）時，產(chǎn)生一正脈沖，串口開始接收數(shù)據(jù)。引腳RXD為數(shù)據(jù)輸入端，TXD為移位脈沖信號輸出端，接收器以fosc/12固定波特率采樣RXD引腳數(shù)據(jù)信息，當接收器接收完8位數(shù)據(jù)時，中斷標志RI置“1”，表示一幀接收完畢，可進行下一幀接收，時序見圖8-7。圖8-7方式0接收時序（2）方式0輸入應用舉例

【例8-2】圖8-8為串口外接一片8位并行輸入、串行輸出同步移位寄存器74LS165，擴展一個8位并行輸入口的電路，可將接在74LS165的8個開關S0~S7的狀態(tài)通過串行口的方式0讀入到單片機內(nèi)。74LS165的SH/LD*端（1腳）為控制端，由單片機的P1.1腳控制。若SH/LD*=0，則74LS165可以并行輸入數(shù)據(jù)，且串行輸出端關閉；當SH/LD*=1，則并行輸入關斷，可以向單片機串行傳送。當P1.0連接的開關K合上時，可進行開關S0~S7狀態(tài)數(shù)字量的并行讀入。由圖8-8，采用中斷方式來對S0~S7狀態(tài)讀取，并由單片機P2口驅(qū)動二極管點亮（開關S0~S7中的任何一個按下，則對應的二極管點亮）。圖8-8串口方式0外接并行輸入、串行輸出的同步移位寄存器參考程序如下：

#include<reg51.h>

#include"intrins.h"

#include<stdio.h>

sbitP1_0=0x90;

sbitP1_1=0x91;

unsignedcharnRxByte;

voiddelay(unsignedinti)//延時子程序

{

unsignedcharj;

for(;i>0;i--)//變量i由實際參數(shù)傳入一個值，因此i不能賦初值

for(j=0;j<125;j++);

}

main()

{

SCON=0x10；//串行口初始化為方式0

ES=1; //允許串行口中斷

EA=1; //允許全局中斷 for(;;);

}

voidSeri