第08章串行通信技术

第8章串行通信技术 第8章串行通信技术 任务十五串行口通信8 1串行通信基础8 2串行通信总线标准及其接口习题 任务十五串行口通信 任务目的 了解串行通信的基本概念 掌握串行通信的纵向标准和接口电路 任务描述 完成单片机双机串行口通信的软 硬件设计 1 系统的硬件设计双机串行口通信的硬件结构如图8 1所示 任务十五串行口通信 图8 1双机串行口通信硬件系统电路图 其中 U3为主机 主要任务为通过串行口间隔1s向从机U1循环发送数字0 9 从机实时接收主机发过来的显示数据 并通过P0口输出并显示接收数据 2 系统软件设计软件设计部分包括主机发送和从机接收两部分 在程序设计中 应注意两机保持一致的波特率 在这里 我们约定了两机的波特率为9600b s 晶振频率11 0592MHz 这样 定时器初值的具体计算方法为初值 2n 任务十五串行口通信 由于定时器作为波特率发生器时 一般工作于方式2 故将n 8带入即可计算出初值为253 即FDH 主机发送程序 ORG0000Hmain MOVTMOD 20H 定时器方式2MOVTH1 0FDH 波特率设定为9600bit sMOVTL1 0FDHMOVSCON 40HSETBTR1 任务十五串行口通信 MOVA 0LOOP PUSHACCMOVDPTR TABMOVCA A DPTRMOVSBUF AWAIT JBCTI OUTSJMPWAITOUT ACALLDELAYPOPACC 任务十五串行口通信 INCACJNEA 0AH LOOPCLRASJMPLOOPDELAY MOVR3 04HL1 MOVR2 0FAHL2 MOVR1 0FAHDJNZR1 DJNZR2 L2 任务十五串行口通信 DJNZR3 L1RETTAB DB3FH 06H 5BH 4FH 66H CCODEDB6DH 7DH 07H 7FH 6FHEND从机接收程序 ORG0000HAJMPMAIN 任务十五串行口通信 ORG0023HAJMPSERIALORG0030HMAIN MOVP0 00HMOVTMOD 20HMOVTH1 0FDHMOVTL1 0FDHMOVSCON 50H 串行口设置为方式1 允许接收 任务十五串行口通信 SETBTR1SETBEASETBESCLRRISJMP SERIAL CLRRIMOVA SBUFNOPMOVP0 ARETIEND 任务十五串行口通信 3 调试结果将两源程序编译生成机器码后 分别与主机 从机连接 调试运行观察结果 调试效果如图8 2所示 任务十五串行口通信 图8 2双机串行口通信仿真结果 任务十五串行口通信 8 1串行通信基础 8 1 1并行通信与串行通信8 1 2异步通信和同步通信8 1 3串行通信的制式 8 1串行通信基础 8 1 1并行通信与串行通信实际应用中 不但计算机与外部设备之间常常要进行信息交换 而且计算机之间也需要交换信息 所有这些信息的交换均称为 通信 通信的基本方式分为并行通信和串行通信两种 如图8 3所示 8 1串行通信基础 a 并行通信 b 串行通信图8 3并行通信与串行通信 并行通信是构成1组数据的各位同时进行传送 例如8位数据或16位数据并行传送 其特点是传输速度快 但当距离较远 位数又多时导致了通信线路复杂且成本高 串行通信是数据一位接一位地顺序传送 其特点是通信线路简单 只要一对传输线就可以实现通信 如电话线 从而大大地降低了成本 特别适用于远距离通信 缺点是传送速度慢 8 1串行通信基础 8 1 2异步通信和同步通信串行通信又分为两种基本通信方式 即异步通信和同步通信 1 异步通信 在异步通信中 被传送的信息通常是一个字符代码或一个字节数据 它们都以规定的相同传送格式 字符帧格式 一帧一帧地发送或接收 字符帧格式由4部分组成 起始位 数据位 奇偶校验位和停止位 如图8 4所示 8 1串行通信基础 图8 4串行通信字符帧格式 8 1串行通信基础 起始位 在没有数据传送时 通信线上处于逻辑1状态 数据位 在起始位之后 发送端发出 接收端接收 的是数据位 数据的位数没有严格限制 如5位 6位 7位或8位等 由低位到高位逐位传送 奇偶校验位 数据位发送完 接收完 之后 可发送奇偶校验位 它只占帧格式的一位 用于传送数据的有限差错检测 表示数据的一种性质 是发送和接收双方预先约定好的一种检验 检错 方式 停止位 字符帧格式的最后部分为停止位 逻辑1电平有效 位数可以是1位 1 2位或2位 表示一个字符帧信息的结束 也为发送下一个字符帧信息做好准备 8 1串行通信基础 在串行异步传送中 通信双方必须事先约定以下内容 才能保证正常通信 1 字符格式 双方要事先约定字符的编码形式 奇偶校验形式及起始位和停止位的规定 例如用ASCII码通信 有效数据为7位 加1个奇偶校验位 1个起始位和1个停止位共10位 2 波特率 Baudrate 波特率就是数据的传送速率 即每秒钟传送的二进制位数 单位为位 秒 bit s 它与字符的传送速率 字符 秒 之间存在如下关系波特率 位 字符 字符 秒 位 秒 8 1串行通信基础 通信过程中 要求发送端与接收端的波特率必须一致 例如 假设字符传送的速率为960字符 秒 而每1个字符为10位 那么传送的波特率为10 位 字符 960 字符 秒 9600位 秒 2 同步通信 在异步传送中 每1个字符都要用起始位和停止位作为字符开始和结束的标志 占用了一定的时间 为了提高传送速度 有时就去掉这些标志 而采用同步传送 即1次传送1组数据 在这1组数据的开始处要用同步字符SYN来加以指示 如图8 5所示 8 1串行通信基础 图8 5同步通信数据格式 8 1串行通信基础 8 1 3串行通信的制式 1 单工 Halfduplex 制式 在单工方式下 通信双方一方只能发送数据 另一方只能接收数据 如图8 6所示 通信线的A端只有发送器 B端只有接收器 信息数据只能单方向传送 即只能由A端传送到B端 而不能反传 图8 6单工通信方式 8 1串行通信基础 2 半双工 Halfduplex 制式 半双工方式中 通信线路两端的设备都有一个发送器和一个接收器 即收发一体 如图8 7所示 数据可双方向传送但不能同时传送 即A端发送 B端接收或B端发送 A端接收 A B两端的发送 接收只能通过半双工通信协议切换交替工作 图8 7半双工通信方式 8 1串行通信基础 3 全双工 Fullduplex 制式 全双工通信方式简称双工通信方式 在全双工方式下 通信线路A B两端都有发送器和接收器 A B之间有两个独立通信的回路 两端数据可以同时发送和接收 因此通信效率比前两种要高 该方式下所需的传输线至少要有3条 一条用于发送 一条用于接收 一条用于公用信号地 如图8 8所示 图8 8全双工通信方式 8 1串行通信基础 8 2串行通信总线标准及其接口 8 2 1RS232C总线接口简介8 2 2MCS 51单片机的串行接口 8 2 1RS232C总线接口简介RS232C总线是目前广泛使用的串行通信接口 如PC上的COM1 COM2接口 就是RS232C接口 RS232C总线标准是1970年由美国电子工业协会 EIA 联合贝尔系统 调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通信的标准 它的全名是 数据终端设备 DTE 和数据通信设备 DCE 之间串行二进制数据交换接口技术标准 该标准规定采用一个25脚的DB25连接器 对连接器的每个引脚的信号内容加以规定 还对各种信号的电平加以规定 8 2串行通信总线标准及其接口 8 2串行通信总线标准及其接口 1 接口的信号内容 实际上RS232C的25条引线中有许多是很少使用的 在计算机与终端通信中一般只使用9条引线 RS232C最常用的9条引线的信号内容见表8 1 2 接口的电气特性 在RS232C中 任何一条信号线的电压均为负逻辑关系 即逻辑 1 5 15V 逻辑 0 5 15V 噪声容限为2V 即要求接收器能识别低至 3V的信号作为逻辑 0 高到 3V的信号作为逻辑 1 表8 1RS232C接口引脚说明 8 2串行通信总线标准及其接口 3 接口的物理结构 RS232C接口连接器一般使用型号为DB25的25芯插头座 通常插头在DCE端 插座在DTE端 一些设备与PC连接的RS232C接口 因为不使用对方的传送控制信号 只需3条接口线 即 发送数据 接收数据 和 信号地 所以采用DB9的9芯插头座 传输线采用屏蔽双绞线 两种插头具体引脚排列如图8 9所示 8 2串行通信总线标准及其接口 图8 9DB25和DB9两种插头引脚分布 8 2串行通信总线标准及其接口 4 单片机与计算机的串行通信 单片机与计算机的串行通信通常采用RS232C接口协议 由于单片机与计算机串行口的电平特性不同 因此在硬件上应设计电平转换电路 典型应用如图8 10所示 8 2串行通信总线标准及其接口 图8 10单片机与计算机串口通信 8 2串行通信总线标准及其接口 图中 计算机与单片机的通信只使用了3条线 即数据线TXD RXD和公共地SG MAX232为电平转换芯片 8 2 2MCS 51单片机的串行接口MCS 51单片机内部有1个功能很强的全双工串行口 可同时发送和接收数据 它有4种工作方式 可供不同场合使用 波特率由软件设置 通过片内的定时 计数器产生 接收 发送均可工作在查询方式或中断方式 使用十分灵活 MCS 51的串行口除了用于数据通信外 还可以非常方便地构成1个或多个并行输入 输出口 或作串并转换 用来驱动键盘与显示器 其内部结构如图8 11所示 8 2串行通信总线标准及其接口 图8 1151单片机串行口内部结构图 8 2串行通信总线标准及其接口 8 2 2 1串行接口的特殊功能寄存器 1 串行口数据缓冲器SBUF SBUF是两个在物理上独立的接收 发送缓冲器 可同时发送 接收数据 两个缓冲器只用一个字节地址99H 可通过指令对SBUF的读写来区别是对接收缓冲器的操作还是对发送缓冲器的操作 CPU写SBUF 就是修改发送缓冲器 读SBUF 就是读接收缓冲器 串行口对外有两条独立的收发信号线RXD P3 0 和TXD P3 1 因此可以同时发送 接收数据 实现全双工传送 8 2串行通信总线标准及其接口 2 串行口控制寄存器SCON SCON寄存器用来控制串行口的工作方式和状态 它可以是位寻址 在复位时所有位被清0 字地址为98H SCON的格式如下 8 2串行通信总线标准及其接口 SM0 SM1 串行口工作方式选择位 SM0SM1 00时 串行口工作在方式0 SM0SM1 01时 为方式1 SM0SM1 10 为方式2 SM0SM1 11 为方式3 SM2 多机通信控制位 主要用于工作方式2和方式3 在方式2和方式3中 如SM2 1 则接收到的第9位数据 RB8 为0时不启动接收中断标志RI 即RI 0 并且将接收到的前8位数据丢弃 RB8为1时 才将接收到的前8位数据送入SBUF 并置位RI产生中断请求 当SM2 0时 则不论第9位数据为0或1 都将前8位数据装入SBUF中 并产生中断请求 在方式0时 SM2必须为0 8 2串行通信总线标准及其接口 REN 允许串行接收控制位 若REN 0 则禁止接收 若REN 1 则允许接收 该位由软件置位或复位 TB8 发送数据位8 在方式2和方式3时 TB8为所要发送的第9位数据 在多机通信中 以TB8位的状态表示主机发送的是地址还是数据 TB8 0为数据 TB8 1为地址 也可用作数据的奇偶校验位 该位由软件置位或复位 RB8 接收数据位8 TI 接收中断标志位 该标志位需由软件清零 RI 接收中断标志位 方式0中 在接收完第8位数据时由硬件置位 该标志位也需由软件清零 8 2串行通信总线标准及其接口 3 特殊功能寄存器PCON PCON为电源控制寄存器 单元地址为87H 不能位寻址 其格式如下 其中 最高位SMOD为串行口波特率选择位 当SMOD 1时 串行口工作在方式1 2 3时的波特率加倍 8 2串行通信总线标准及其接口 8 2 2 2串行通信的工作方式串行口有4种工作方式 它是由SCON中的SM0 SM1来定义的 见表8 2 表8 2串行口的4种工作方式 8 2串行通信总线标准及其接口 1 工作方式0 在方式0下 串行口是作为同步移位寄存器使用的 其波特率固定为单片机振荡频率fosc的1 12 串行传送数据8位为一帧 没有起始 停止 奇偶校验位 由RXD P3 0 端输出或输入 低位在前 高位在后 TXD P3 1 端输出同步移位脉冲 可以作为外部扩展的移位寄存器的移位时钟 因而串行口方式0常用于扩展外部并行I O口 串行发送时 外部可扩展一片 或几片 串入并出的移位寄存器 用来扩展一个并行口 典型应用如图8 12所示 8 2串行通信总线标准及其接口 图8 12串行口方式0应用1 8 2串行通信总线标准及其接口 串行接收时 外部可扩展一片 或几片 并入串出的移位寄存器 如图8 13所示 当由软件使REN置为1 RI 0时 即启动串行口以方式0接收数据 图8 13串行口方式0应用2 8 2串行通信总线标准及其接口 2 工作方式1 在方式1下 串行口工作在10位异步通信方式 发送或接收一帧信息中 除8位数据移位外 还包含一个起始位 0 和一个停止位 1 其波特率是可变的 工作方式1的波特率由定时器T1的计数溢出率决定 相应的计算公式为波特率 8 2串行通信总线标准及其接口 其中 SMOD是波特率选择位 当SMOD 0时 波特率 T1溢出率 当SMOD 1时 波特率 T1溢出率 所谓定时器的溢出率 就是定时器一秒钟计满溢出的次数 若将定时器当作一个可编程的分频器来理解 则溢出率就等于定时器对系统时钟分频后的信号的频率 具体计算公式为T1溢出率 2n 预置初值 8 2串行通信总线标准及其接口 其中 n为定时器的计时宽度 如T1在方式0时 n 13 在方式2时 n 8 2n 预置初值 即可看做定时器的分频系数 3 工作方式2 在方式2下 串行口工作在11位异步通信方式 一帧信息包含一个起始位0 8个数据位 一个可编程第9数据位和一个停止位1 其中可编程位是SCON中的TB8位 在8个数据位之后 可作奇偶校验位或地址 数据帧的标志位使用 由使用者确定 方式2的波特率是固定的 参见表8 2 8 2串行通信总线标准及其接口 4 工作方式3 在方式3下 串行口同样工作在11位异步通信方式 其通信过程与方式2完全相同 所不同的是波特率 方式3的波特率由定时器T1的计数溢出率决定 确定方法与工作方式1中的完全一样 8 2 2 3串行的应用方式0应用举例 如图8 14所示 使用单片机的串行口扩展了一位数码管的接口 这种连接方法由于节约单片机口线 显示亮度较动态扫描接法高 因而在数码管要求不多的场合也有较广泛的使用