1、單片機(jī)原理與應(yīng)用,北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院自動(dòng)化系 2012年11月,主講： 付文秀 辦公室：9教西506 電話： 51684087 E-mail: ,北京交通大學(xué),2,第6章 串行通信接口,本章主要內(nèi)容 串行數(shù)據(jù)通信基本原理 MCS-51單片機(jī)串行口 串行口應(yīng)用舉例 多機(jī)通信原理,北京交通大學(xué),3,計(jì)算機(jī)的兩種方式數(shù)據(jù)傳送：并行和串行 并行傳送的特點(diǎn)： 同時(shí)傳送，傳送速度快、效率高 數(shù)據(jù)線多，成本高 距離通常小于30米 串行傳送的特點(diǎn)是： 數(shù)據(jù)傳送按位順序進(jìn)行 一根傳輸線，成本低,速度慢 距離可以從幾米到幾千公里,一、串行數(shù)據(jù)通信基本原理,北京交通大學(xué),4,數(shù)據(jù)通信基本原理,異步傳送和同

2、步傳送兩種方式,北京交通大學(xué),5,1. 異步串行通信的字符格式,一位起始位,一位奇偶校驗(yàn)位,1、1.5、2 位停止位,一幀信息,58位數(shù)據(jù)位,北京交通大學(xué),6,具體： 1位起始位（為低電平）； 58位數(shù)據(jù)位（緊跟著起始位），表示要傳送的有效數(shù)據(jù)（低位在前）； 1位奇偶校驗(yàn)位（可有可無(wú)）； 1、1.5或2位停止位（為高電平）。 從起始位開(kāi)始到停止位結(jié)束的時(shí)間間隔稱為一幀。就是一個(gè)字符的完整通信格式。 因此也把串行通信的字符格式稱為幀格式,北京交通大學(xué),7,例如，采用串行異步通信方式傳送ASCII碼字符5，規(guī)定為7位數(shù)據(jù)位，1位偶校驗(yàn)位，1位停止位，無(wú)空閑位。 由于5的ASCII碼為35H，7位數(shù)

3、據(jù)位為0110101 傳送的字符格式為0101011001，其對(duì)應(yīng)的波形如圖所示,低位在前,高位在后,起始,停止,偶校驗(yàn),北京交通大學(xué),8,2.串行通信的數(shù)據(jù)通路形式 串行數(shù)據(jù)通信有三種數(shù)據(jù)通路形式： 單工形式: A發(fā),B接。 半雙工形式: A發(fā)或接,B接或發(fā)。 全雙工形式: A發(fā)、接，B接、發(fā)。,A,B,A,B,A,B,北京交通大學(xué),9,3.串行通信的傳送速率 傳送速率 ： 用于說(shuō)明數(shù)據(jù)傳送的快慢。 波特率（Baud）：每秒傳送二進(jìn)制代碼位數(shù)，即每秒傳送一個(gè)數(shù)據(jù)位就是一波特： 常用的波特率有：75，110，300，600，1200，2400，4800，9600，19200。,1波特=1bps

4、(位/秒）,北京交通大學(xué),10,例：數(shù)據(jù)傳送的速率每秒為120個(gè)字符，每個(gè)字符包含10個(gè)代碼位（1個(gè)起始位，1個(gè)停止位，8個(gè)數(shù)據(jù)位） 波特率=10 x120b/s=1200bps 每一位代碼的傳送時(shí)間=1/1200=0.833ms,4.串行通信接口電路 串行數(shù)據(jù)通信中主要有兩個(gè)技術(shù)問(wèn)題 數(shù)據(jù)傳送:標(biāo)準(zhǔn)格式及工作方式等 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換:數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是指數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換,北京交通大學(xué),11,串行接口電路基本組成邏輯框圖如下：,串行輸入 時(shí)鐘 復(fù)位,并行輸出,并行輸入 時(shí)鐘,串行輸出,控制信號(hào),狀態(tài)、控制信息,接收器,發(fā)送器,控制部件,北京交通大學(xué),12,通用異步接收發(fā)送器（UART）,發(fā),北京交通大學(xué),13,

5、異步串行通信常用接口,TTL電平直接連接,RS-232C: 傳輸速度為20kbit/s，傳輸距離15英尺,RS-422、RS-485： 傳輸速度為10Mbit/s，傳輸距離300m1200m并能抑制共模信號(hào)干擾,20mA電流環(huán)： 能降低對(duì)噪聲敏感程度,光纖: 光纖介質(zhì)可減少噪聲干擾，光電隔離提高安全性,北京交通大學(xué),14,二、MCS-51單片機(jī)串行口,片內(nèi)有一個(gè)全雙工串行口（P3.0接收、P3.1發(fā)送） 功能：異步串行通信 其中：發(fā)送和接收的速率與移位時(shí)鐘同步 說(shuō)明：定時(shí)器T1作為串行通信波特率發(fā)生器， 移位脈沖的速率為波特率。,北京交通大學(xué),15,TI發(fā)送中斷標(biāo)志,RI接收中斷，允許接收RE

6、N,串行口中斷,1.串行口寄存器結(jié)構(gòu),發(fā)送寄存器（只能寫(xiě)）,接收寄存器（只能讀）,(P3.1),(P3.0),SBUF全雙工方式進(jìn)行通信，這兩個(gè)寄存器共用一個(gè)地址（99H）。,北京交通大學(xué),16,雙緩沖結(jié)構(gòu)，防止產(chǎn)生重疊錯(cuò)誤,MOV SBUF，A,MOV A，SBUF,北京交通大學(xué),17,例如： 說(shuō)明： 接收采用雙緩沖結(jié)構(gòu)，以避免在數(shù)據(jù)接收過(guò)程中出現(xiàn)幀重疊錯(cuò)誤, 數(shù)據(jù)發(fā)送CPU主動(dòng)發(fā)送，不會(huì)發(fā)生幀重疊錯(cuò)誤,不需雙緩沖結(jié)構(gòu)。 2.串行通信控制有關(guān)的寄存器 SCON：串行控制，用來(lái)設(shè)定串行口的工作方式 PCON：電源控制，可控制波特率。 IE： 設(shè)置串行中斷允許。,啟動(dòng)發(fā)送 ：MOV SBUF，A

7、 ；SBUF （A） 啟動(dòng)接收 ：MOV A，SBUF ；A （SBUF）,北京交通大學(xué),18,（1）串行控制寄存器SCON SCON格式如下：,SM0 SM1 SM2 REN TB8 RB8 TI RI （98H）,9F 9E 9D 9C 9B 9A 99 98,工作方式選擇位,多機(jī)通信控制位,允許接收控制位,發(fā)送數(shù)據(jù)第九位,接收數(shù)據(jù)第九位,發(fā)送中斷標(biāo)志,接收中斷標(biāo)志,北京交通大學(xué),19,各位功能說(shuō)明如下： SM0 SM1：串口工作方式選擇位,00 方式0: 同步移位寄存器 波特率=主振頻率/12,01 方式1: 8位異步，波特率可變,10 方式2：9位異步 波特率=主振頻率/32 或主振頻

8、率/64,11 方式3：9位異步，波特率可變,北京交通大學(xué),20,REN=1：允許串行接收,用軟件置位或清除。 TB8：發(fā)送數(shù)據(jù)位8,D0 D7 D8,TB8/RB8,在工作方式、3中，TB8是發(fā)送的第位數(shù)據(jù)， 由軟件置位（SETB TB8）或復(fù)位（CLR TB8） 在雙機(jī)通信中，該位作為奇偶校驗(yàn)位； 在多機(jī)通信中用來(lái)表示D7-D0是地址幀或數(shù)據(jù)幀 D80：表示數(shù)據(jù)幀； D81：表示地址幀,北京交通大學(xué),21,RB8：接收數(shù)據(jù)位8 TI：發(fā)送中斷標(biāo)志。,在工作方式,，該位是接收到的第位數(shù)據(jù) 方式1，SM2=0（雙機(jī)），停止位 方式0，不用 在多機(jī)通信中用來(lái)表示D7-D0是地址幀或數(shù)據(jù)幀 RB8

9、=1地址幀和RB8=0數(shù)據(jù)幀,在方式中，發(fā)送完第8位數(shù)據(jù)后，該位由硬件置位； 在方式1,2,3中，在發(fā)送停止位之前，該位由硬件置位， 申請(qǐng)中斷，CPU響應(yīng)中斷后，可以發(fā)送下一幀數(shù)據(jù)。 注：該位必須由軟件清零。,北京交通大學(xué),22,RI：接收中斷標(biāo)志。,在方式中，接收完第8位數(shù)據(jù)后，該位由硬件置位 在方式1,2,3中，在接收到停止位的一半時(shí)，該位由硬件 置位（還需考慮SM2的設(shè)定），申請(qǐng)中斷，CPU響應(yīng)中斷后， 可以接收下一幀數(shù)據(jù)。 注：該位也必須由軟件清零。,北京交通大學(xué),23,SM2：多機(jī)通信控制位，主要用于方式2、3中。,在方式0中：SM2設(shè)置為0，不用TB8和RB8 在方式1中： 當(dāng)SM

10、20，則RB8是接收到的停止位； 當(dāng)SM21，則只有接收到有效的停止位時(shí)，RI才被激活。,在方式2、3中： TB8和RB8為發(fā)送和接收的第九位數(shù)據(jù) 當(dāng)SM21時(shí)，接收到的第九位數(shù)據(jù)RB8=1時(shí), 接收到的前8位數(shù)據(jù)送入SBUF，表示接收到地址幀; 當(dāng)RB80時(shí),將接收到的前8位數(shù)據(jù)丟棄。 當(dāng)SM20時(shí), 則不論RB8為還是1,都將前8位數(shù)據(jù)裝入SBUF中, 表示接收到命令或數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生中斷請(qǐng)求。,總結(jié)：SM21，RB8=1時(shí)，表示接收到地址幀; RB8=0時(shí)，數(shù)據(jù)丟棄 SM20時(shí)， RB8=1（0）接收到命令或數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生中斷請(qǐng)求,北京交通大學(xué),24,說(shuō)明： 用軟件可以改變?cè)O(shè)置SCON內(nèi)容，并

11、在下一條指令的第一個(gè)周期的S1P1期間才鎖存到SCON中。 一幀發(fā)送完，發(fā)送中斷標(biāo)志置位（TI），向CPU請(qǐng)求中斷。 一幀接收完，接收中斷標(biāo)志置位（RI），向CPU請(qǐng)求中斷。,北京交通大學(xué),25,功能：CHMOS型單片機(jī)的電源控制而設(shè)置 HMOS型單片機(jī)，SMOD是串行口波特率的倍增位,其它位無(wú)意義 PD ：PD=l，系統(tǒng)進(jìn)入掉電保護(hù)方式； IDL:IDL=1，系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)方式 當(dāng)：SMOD1時(shí)，串行口波特率加倍（x2） 系統(tǒng)復(fù)位時(shí)，SMOD0 可由下列指令設(shè)置： MOV PCON，#80H ；SMOD 1 MOV PCON，#00H ；SMOD 0,（2）電源控制寄存器PCON,SMOD,(

12、87H),格式:,IDL,PD,北京交通大學(xué),26,(1)方式0：同步移位寄存器方式 RXD端作為數(shù)據(jù)移位的入口或出口 TXD端提供移位時(shí)鐘脈沖,移位數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收以8位為一幀，不設(shè)起始位和停止位，低位在前高位在后，波特率是固定的波特率 即一個(gè)機(jī)器周期移位一次。,3.串行口的工作方式,RXD TXD,DATA CLK,RXD TXD,DATA CLK,并行輸出,并行輸入,8051,CD4096,8051,CD4014,下圖 串并，并串轉(zhuǎn)換方法電路,P1.0,STB,P1.0,STB,fOSC/12,北京交通大學(xué),27,說(shuō)明： 1.REN=1,允許接收。 RXD數(shù)據(jù)輸入，TXD移位脈(fosc

13、/12)。 接收（發(fā)送）完8位數(shù)據(jù)時(shí)硬件將RI（TI)置位，CPU響應(yīng)中斷， 2.TI，RI必須由用戶程序清零。 3.方式0時(shí)：SM2=0，TB8、RB8不用 4.作用：擴(kuò)展I/O 串行輸入，串行輸出，并串、串并轉(zhuǎn)換,北京交通大學(xué),28,MOV SBUF，A,fosc=1/12,發(fā)送完8位數(shù)據(jù),REN=“1”，方式0，RI=“0” RXD數(shù)據(jù)輸入端,接收到8位數(shù)據(jù),北京交通大學(xué),29,數(shù)據(jù)發(fā)送工作原理 1.數(shù)據(jù)發(fā)送是由一條寫(xiě)發(fā)送寄存器（MOV SBUF，A）指令開(kāi)始的。 2.在串行口由硬件自動(dòng)加入起始位和停止位，構(gòu)成一個(gè)完整的幀格式。 3.然后在移位脈沖的作用下，由TXD端串行輸出。 4.一個(gè)

14、字符幀發(fā)送完后，使TXD端輸出線維持高電平，并將TI置位，通知CPU可以發(fā)送下一個(gè)字符。,起始 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 停止,（2）方式1 幀格式：,北京交通大學(xué),30,數(shù)據(jù)接收工作原理 1.接收數(shù)據(jù)時(shí)，REN1，串行口采樣RXD端，當(dāng)采樣到從1到0的跳變時(shí)，就認(rèn)定是接收到了起始位。 2.在移位脈沖的控制下，把接收到的數(shù)據(jù)位移入接收寄存器中。 3.直到停止位到來(lái)之后把它送入到RB8中，并置位RI，通知CPU從SBUF取走接收到的一個(gè)字符。,北京交通大學(xué),31,發(fā)送十位信息,啟動(dòng),發(fā)送完置1,REN=“1”，SM0=0，SM1=1,RI=0,7，8，9 共3次采樣數(shù)據(jù),采

15、樣到1變0，啟動(dòng)接收,波特率16倍速率,條件：1.RI=0 2.停止位=1，或SM2=0、停止位進(jìn)入RB8，并RI=1,北京交通大學(xué),32,波特率的設(shè)定 方式1的波特率可變,由下式?jīng)Q定：,確定波特率,計(jì)算T1的計(jì)數(shù)初值。即：,其中： smod為PCON寄存器最高位的值 fOSC為晶振頻率, X為當(dāng)T1工作于方式2（8位自動(dòng)加載）時(shí)的計(jì)數(shù)初值,北京交通大學(xué),33,(3) 方式2和方式3 串行口工作在方式2、3時(shí)，為9位異步通信口，發(fā)送和接收幀信息由11位組成,D0 D2 . . . D7 D8,一幀,1位起始位(0)、 位數(shù)據(jù)位(D0-D7)、 1位可編程位(D8)和1位停止位(1)。 D8位既

16、可作為奇偶校驗(yàn)位,也可作為控制位使用,功能由用戶確定 發(fā)送時(shí),可編程位D8(TB8)可設(shè)置為0（CLR TB8）或1（SETB TB8） 接收時(shí),TB8送入SCON寄存器中RB8位。,北京交通大學(xué),34,方式2、3的區(qū)別是：波特率設(shè)置不同 方式2的波特率是固定的。即： 波特率=fosc/32或fosc/64 方式3的波特率是可變的。即：,北京交通大學(xué),35,波特率 fosc smod,1200 11.0592 0 2 E8H 2400 11.0592 0 2 F4H 4800 11.0592 0 2 FAH 9600 11.0592 0 2 FDH 19200 11.0592 1 2 FDH,

17、定時(shí)器1 方式 時(shí)間常數(shù),表1 波特率與時(shí)間常數(shù),北京交通大學(xué),36,MCS-51串行通信波特率：,方式0 波特率= fOSC/12，fOSC 為主機(jī)頻率 方式2 SMOD=1,波特率= fOSC/32; SMOD=0,波特率= fOSC/64; 方式1,3,T1溢出率=,北京交通大學(xué),37,方式2發(fā)送程序： 以TB8為偶校驗(yàn)位，處理方法是數(shù)據(jù)寫(xiě)入SBUF之前，先將P寫(xiě)入TB8 CLR TI ;發(fā)送中斷標(biāo)志TI清零 MOV A，R0 ;取數(shù)據(jù) MOV C，P ;奇偶校驗(yàn)位送TB8 MOV TB8，C MOV SBUF，A ;數(shù)據(jù)寫(xiě)入，啟動(dòng)發(fā)送,北京交通大學(xué),38,接收程序 若附加第九位數(shù)據(jù)為偶

18、校驗(yàn)位，接收程序中應(yīng)作校驗(yàn)處理 CLR RI ;收到一幀數(shù)據(jù)后清RI MOV A，SBUF ;前八位數(shù)據(jù)送A MOV C，P ;正確P=0，RB=0。P=1，RB=1 JNC PD0 ；P=0，判RB8=0否 JNB RB8，ERROR ；P=1，RB8=0出錯(cuò) AJMP POK PD0：JB RB8，ERRO ；P=0， RB8=1出錯(cuò) POK：MOVRO，A ERROR: ,北京交通大學(xué),39,利用串行口工作方式0擴(kuò)展I/O口,SETB P1.0 CLR P1.0 ;下降沿并入 SETB P1.0 ；移位 MOV SCON,#10H；方式0，啟動(dòng)接收 MOV R0,#02H ；每組字節(jié)數(shù)2

19、 WAIT: JNB RI,WAIT,CLR RI MOV A,SBUF MOV R1,A INC R1 DJNZ R0,WAIT,北京交通大學(xué),40,利用串行口工作方式0擴(kuò)展I/O口,MOV R6，#02H MOV R0，#30H MOV SCON，#00H;方式0 SEND：MOV A，R0 MOV SBUF，A；啟動(dòng)發(fā)送 WAIT:JNB TI,WAIT,CLR TI；清發(fā)送中斷標(biāo)志 INC R0 DJNZ R6,WAIT,北京交通大學(xué),41,三、串行口應(yīng)用舉例,例 6-1 雙機(jī)通信 設(shè):甲機(jī)發(fā)送乙機(jī)接收，串行口工作在方式1，波特率為 1200， fosc=11.0592MHz，smod

20、=0 硬件連接如圖 計(jì)算時(shí)間常數(shù),TXD RXD GND,RXD TXD GND,T1作為波特率發(fā)生器，工作于方式2。由表1查得時(shí)間常數(shù)為E8H。,圖 雙機(jī)通信,乙,甲,北京交通大學(xué),42,甲機(jī)發(fā)送程序 甲機(jī)將內(nèi)部RAM單元20H-3FH的32個(gè)字節(jié)的ASCII碼數(shù)據(jù)，在最高位上加奇校驗(yàn)位后，由串行口TXD發(fā)送給乙機(jī)。即可采用8位異步通信。 START:MOV TMOD,#20H ;T1為方式2 MOV TL1,#0E8H ;時(shí)間常數(shù)低8位 MOV TH1,#0E8H ; SETB TR1 ;啟動(dòng)T1工作 MOV SCON,#01000000B ;串行口方式1 MOV PCON,#00H ;波

21、特率不倍增 MOV R0,#20H ;數(shù)據(jù)首地址 MOV R7,#32 ;32字節(jié)數(shù)據(jù),北京交通大學(xué),43,LOOP: MOV A, R0 ;取數(shù)據(jù)，影響P標(biāo)志位 MOV C, P ;置奇校驗(yàn)位 CPL C MOV ACC.7, C MOV SBUF,A ;啟動(dòng)發(fā)送 DONE: JNB TI, DONE ;等待發(fā)完一幀 CLR TI ;清TI,允許再發(fā)送 INC R0 ;指向下一數(shù)據(jù) DJNZ R7, LOOP ;未送完,送下一個(gè)數(shù) AJMP LOOP ;循環(huán)發(fā)送,北京交通大學(xué),44,乙機(jī)接收程序 與甲機(jī)發(fā)送相呼應(yīng),接收器把接收到的32個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)存放在內(nèi)部RAM的20H-3FH中,波特率與晶振

22、頻率同上。若奇校驗(yàn)出錯(cuò),則置進(jìn)位位1。程序如下： START:MOV TMOD,#20H ;T1方式2 MOV TL,#OE8H MOV TH,#OE8H SETB TR1 MOV R0,#20H MOV R7,#32 LOOP:MOV SCON,#01010000B ;串行口方式1,能接收 MOV PCON,#00H ;波特率不倍增,北京交通大學(xué),45,DONE:JNB RI,DONE ;等待接收一幀 CLR RI ;清RI,再接收 MOV A,SBUF ;取數(shù)據(jù) JNB P, ERROR ;校驗(yàn)錯(cuò),轉(zhuǎn)出錯(cuò)處理 ANL A,#7FH ;去掉奇校驗(yàn)位 MOV R0,A ;奇校驗(yàn),存數(shù)據(jù) INC

23、 R0 ;指向下一數(shù)據(jù) DJNZ R7,LOOP ;數(shù)據(jù)塊,未接收完,循環(huán) AJMP LOOP ;循環(huán)接收 ERROR: ;出錯(cuò)處理,北京交通大學(xué),46,假定甲乙兩個(gè)MCS-51單片機(jī)以方式1進(jìn)行串行通信，其波特率為1200bps. 甲機(jī)發(fā)送，發(fā)送的數(shù)據(jù)在外部RAM中2000H-202FH單元。 已機(jī)接收，并把接收到的數(shù)據(jù)塊依次存入外RAM3000H開(kāi)始的區(qū)域。 設(shè)fosc=6MHz,波特率=1200bps，SMOD=0 分析： 1.定時(shí)器1計(jì)數(shù)初值 方式1,X=243=0F3H見(jiàn)書(shū)P140,北京交通大學(xué),47,2.發(fā)送的內(nèi)容包括數(shù)據(jù)塊的首末地址和數(shù)據(jù)兩部分。 首末地址以查詢方式傳送（禁止串行

24、中斷） 數(shù)據(jù)以中斷方式傳送（允許串行中斷） 3.數(shù)據(jù)為ASCII碼最高位為奇偶校驗(yàn)位（奇校驗(yàn)）。 當(dāng)A中1的個(gè)數(shù)是奇數(shù)時(shí)，P=1。 所以將P求反再送入最高位,北京交通大學(xué),48,多機(jī)通信,北京交通大學(xué),49,SM2的定義 在方式2、3中， TB8和RB8為發(fā)送和接收的第九位數(shù)據(jù),SM21時(shí) 當(dāng)RB8=1時(shí), 才將接收到的前8位數(shù)據(jù)送入SBUF,表示接收到地址幀; 當(dāng)RB80時(shí),將接收到的前8位數(shù)據(jù)丟棄。,SM20時(shí) 則不論RB8為還是1,都將前8位數(shù)據(jù)裝入SBUF中,表示接收到命令 或數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生中斷請(qǐng)求。,北京交通大學(xué),50,單片機(jī)多機(jī)通信原理 （1）全部從機(jī)初始化為工作方式2或方式，置位SM2，允許中斷，處于只接受地址幀。