第七章UART串行接口

1、第第7 7章章UART UART 串行接口串行接口 教学目的：了解80C51系列单片机UART串行接口的结构、原理及应用；能够采用查询方式进行串行通信。教学重点：1. UART串行接口的工作原理； 2. UART串行接口的4种工作方式的编 程、应用。教学难点：1 .多机通信方式 2.波特率值的设置7.1 串行通信概述 在实际应用中,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”。 通信有并行通信和串行通信两种方式。在多微机系统以及现代测控系统中信息的交换多采用串行通信方式。并行通信 并行通信：所传送数据的各位用多条数据线同时发送或接收

2、 。 并行通信控制简单、传输速度快；由于传输线较多，长距离传送时成本高且接收方的各位同时接收存在困难。串行通信 串行通信串行通信：所传送数据的各位按顺序一位一位地发送或接收。 串行通信的特点串行通信的特点：传输线少，长距离传送时成本：传输线少，长距离传送时成本低，且可以利用电话网等现成的设备，但数据的低，且可以利用电话网等现成的设备，但数据的传送控制比并行通信复杂。传送控制比并行通信复杂。7.1.1 同步通信和异步通信方式1 1、异异步通信步通信ASYNCASYNC（Asynchronous Data CommunicatioAsynchronous Data Communication n）

3、 异步通信是以字符（构成的帧）为单位进行传输（也称为帧格式），字符与字符之间的间隙（时间间隔）是任意的，但每个字符中的各位是以固定的时间传送的，即字符之间是异步的（字符之间不一定有“位间隔”的整数倍的关系），但同一字符内的各位是同步的（各位之间的距离均为“位间隔”的整数倍）。一个字符由起始位、数据位、奇偶校验位和停止位4个部分组成。起始位为0信号占1位；其后接着的就是数据位,它可以是5位、6位、7位或8位，传送时低位在先、高位在后；再后面的1位为奇偶校验位,可要也可以不要；最后是停止位,它用信号1来表示字符的结束,可以是1位、1位半或2位。p 起始位：通信线上没有数据传送时，为高电平（逻辑1）

4、；当要发送数据时，首先发1个低电平信号（逻辑0），此信号称为“起始位”，表示开始传输1帧数据。p 数据位：起始位之后的位即数据位。一般从最低位开始传送，最高位在最后。p 奇偶校验位：通过对数据奇偶性的检查，可用于判别字符传送的正确性，有3种可能的选择，即奇、偶、无校验。通信双方须事先约定是采用奇校验还是偶校验。p 停止位：表示一帧结束，用高电平（逻辑1）表示。停止位可以是1、1.5或2位。 例如，采用串行异步通信方式传送ASCII码字符5，规定为7位数据位，1位偶校验位，1位停止位，无空闲位。 由于5的ASCII码为35H，其对应7位数据位为0110101，如按低位在前、高位在后顺序排列应为1

5、010110。前面加1位起始位，后面配上偶校验位1位0，最后面加1位停止位1，因此传送的字符格式为0101011001，其对应的波形如图所示。传送ASCII码字符5的波形图 在串行异步传送中,CPU与外设之间事先必须约定：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。当然停止位也可大于1位。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。 异步通信的特点：不要求收发双方时钟的严格一致，实现容易，设备开销较小，但每个字符要附加2

6、3位用于起止位，各帧之间还有间隔，因此传输效率不高。2 2、同步通信、同步通信SYNCSYNC（Synchronous Data CommunicationSynchronous Data Communication） 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（12个）来加以指示,实现发送端和接收端同步。一旦检测到约定同步字符，下面就连续、顺序地发送和接受数据。 同步通信时要建立发送方时钟对接收方时钟的直接控制，使双方达到完全同步。此时

7、，传输数据的位之间的距离均为“位间隔”的整数倍，同时传送的字符间不留间隙，即保持位同步关系，也保持字符同步关系。 同步通信所传输的一帧数据可以是任意位。所以传输的效率较高，但实现的硬件设备比异步通信复杂。7.1.2 串行通信的数据传送速率 传送速率是指数据传送的速度。 在串行通信中数据传送速率的单位用波特率（Baud rate）表示，其意义是每秒钟传送多少位二进制数。单位为b/s或bps 波特率与字符的传送速率(字符/秒)之间存在如下关系： 波特率=位/字符字符/秒=位/秒 例如,假设字符传送的速率为120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120字符/秒=1200

8、位/秒=1200波特 每1位二进制位的传送时间Td就是波特率的倒数，例如上例中： Td=1/1200=0.833ms7.1.3 串行通信的方式串行通信的数据传送方向有3种形式。单工（Simplex）：只允许单方向传送，只需一条数据线。半双工（Half Duplex） ：接收和发送分时双向进行，只需一条数据线。全双工（Full Duplex） ：甲、乙两机之间数据的发送和接收可以同时进行，通信必须使用二根数据线 。图7-2 通信方式示意图7.1.4 通信协议 计算机之间进行数据传输时的一些约定，包括通信方式、帧格式、波特率、命令码的约定等 。7.2 80C51串行口简介 80C51的串行口是一个

9、可编程的全双工串行通信接口，通过软件编程它可以做通用异步接收和发送器UART（Universal Asynchronous ReceiverTransmitter），也可做同步移位寄存器用。其帧格式可设置8位、10位或11位，并能设置不同的波特率 。7.2.1 串行口结构与工作原理图 73 串行口结构框图 主要由接收与发送缓冲寄存器SBUF、输入移位寄存器以及串行控制寄存器SCON等组成。 波特率发生器可以利用定时器T1或T2控制发送和接收的速率。 SCON用于存放串行口的控制和状态信息。 发送数据缓冲寄存器SBUF用于存放准备发送出去的数据；接收数据缓冲寄存器SBUF用于接收由外部输入到输入

10、移位寄存器中的数据。 80C51串行口正是通过对上述专用寄存器的设置、检测与读取来管理串行通信。 串行口的接收发送操作：首先对串行口初始化。发送时CPU写SBUF ，一方面修改发送寄存器，同时启动数据串行发送到TXD端，发送完毕后置标志位TI；接收时置允许接收位REN才开始接受操作，接受完毕置位RI，这时CPU可以读SBUF，即读接收到的数据。 发送操作：数据写入发送缓冲寄存器SBUF（99H），串行口即把8位数据以fosc 12 波特率从RXD端送出（低位在前）， TXD端送出同步移位脉冲，发送完后置中断标志TI=1。MOV TMOD, #00HMOV SBUF, #dataJNB TI,

11、$CLR TIRET 接收操作：REN是串行口接收器允许接收控制位。当RI=0，软件置REN为1时，即开始从RXD端以fosc 12波特率输入数据（低位在前）， TXD端送出同步移位脉冲，当接收到8位数据时，置中断标志RI=1。RECV：MOV TMOD，#00H CLR RI SETB REN JNB RI， $ MOV A，SBUF CLR RI RET7.2.2 串行口寄存器 与串行口工作有关的寄存器有6个：串行口控制寄存器SCON、接收与发送缓冲寄存器SBUF、电源控制寄存器PCON、中断允许控制寄存器IE、中断优先级寄存器IP。1、串行口控制寄存器 SCON用于串行通信的方式选择、接

12、收和发送控制，并可反映串行口的工作状态SM0、SM1：串行方式选择位SM2：多机通信控制位 主要用于方式2和方式3。当接收机的SM2=1时可以利用收到的RB8来控制是否激活RI（RB80时不激活RI，收到的信息丢弃；RB81时收到的数据进入SBUF，并激活RI，进而在中断服务中将数据从SBUF读走）。当SM2=0时，不论收到的RB8为0和1，均可以使收到的数据进入SBUF，并激活RI（即此时RB8不具有控制RI激活的功能）。通过控制SM2，可以实现多机通信。 在方式0时，SM2必须是0。在方式1时，若SM2=1，则只有接收到有效停止位时，RI才置1。REN：允许串行接收位 由软件置REN=1，

13、则启动串行口接收数据；若软件置REN=0，则禁止接收。TB8：发送数据的第9位 在方式2或方式3中，是发送数据的第九位，可以用软件规定其作用。可以用作数据的奇偶校验位，或在多机通信中，作为地址帧/数据帧的标志位。在方式0和方式1中，该位未用。RB8：接收数据的第9位在方式2或方式3中，是接收到数据的第九位，双机通信是奇偶位，多机通信是地址数据标识位。 TI：发送中断标志位 在方式0时，当串行发送第8位数据结束时，或在其它方式，串行发送停止位的开始时，由内部硬件使TI置1，向CPU发中断申请。在中断服务程序中，必须用软件将其清0，取消此中断申请。RI：接收中断标志位 在方式0时，当串行接收第8位

14、数据结束时，或在其它方式，串行接收停止位的中间时，由内部硬件使RI置1，向CPU发中断申请。也必须在中断服务程序中，用软件将其清0，取消此中断申请。复位时，SCON的所有位均清02、数据缓冲寄存器SBUF 数据缓冲寄存器SBUF实际上是2个独立的寄存器：接收数据缓冲寄存器和发送数据缓冲寄存器，采用同一个地址代码99H,寄存器名都是SBUF。 CPU通过不同的操作指令区别这2个寄存器，CPU发出写SBUF命令时，即向发送缓冲寄存器中装载新的信息，同时启动数据串行发送，51系列单片机没有专门的启动发送状态的指令；当CPU发出读SBUF命令时，即读接收缓冲寄存器的内容。 接收寄存器是双缓冲的,以避免

15、在接收下一帧数据之前,CPU未能及时响应接收器的中断,没有把上一帧数据读走,而产生两帧数据重叠的问题。3、电源控制寄存器PCON PCON中只有一位（最高位）SMOD与串行口的工作有关, 该位是串行口的波特率倍增位； SMOD=1 时, 波特率加倍, 否则不加倍；复位时，SMOD=0。4、中断允许控制寄存器IE IE用于控制与管理单片机的中断系统。IE的ES位用于控制串行口的中断:ES=0时，禁止串行口中断；ES=1时，允许串行口中断。5、中断优先级寄存器IP IP用于管理单片机中各中断源中断优先级。IP的PS位用于设置串行口中断的优先级：PS=0时，串行口中断为低优先级；PS=1时，串行口中

16、断为高优先级。7.2.3 80C51的帧格式 80C51串行口通过编程可设置4种工作方式，三种帧格式。 方式0以8位数据为一帧，不设起始位和停止位，先发送或接收最低位。 方式1以10位为一帧传输，设有一个起始位“0”，8个数据位和一个停止位“1”。 方式2和3以11位为一帧传输，设有1个起始位“0”，8个数据位，1个可编程位（第九数据位）D8和1个停止位“1”。7.2.4 波特率的设置 在串行通信中，收发双方对发送或接收数据的速率要有约定。通过软件可对单片机串行口编程为四种工作方式，其中方式0和方式2的波特率是固定的，而方式1和方式3的波特率是可变的，由定时器T1的溢出率来决定。 串行口的四种

17、工作方式对应三种波特率。由于输入的移位时钟的来源不同，所以，各种方式的波特率计算公式也不相同。方式0的波特率 = fosc/12方式2的波特率 =（2SMOD/64） fosc 方式1的波特率 =（2SMOD/32）（T1溢出率）方式3的波特率 =（2SMOD/32）（T1溢出率） 当T1作为波特率发生器时，最典型的用法是使T1工作在自动再装入的8位定时器方式（即方式2，且TCON的TR1=1，以启动定时器）。为了避免因溢出而产生不必要的中断，此时应禁止T1中断。这时溢出率取决于TH1中的计数值。 T1 溢出率 = fosc /12256 （TH1） 在单片机的应用中，常用的晶振频率为：12M

18、Hz和11.0592MHz。所以，选用的波特率也相对固定。常用的串行口波特率以及各参数的关系如表所示。7.3 串行口通信工作方式7.3.1 方式0 方式0时，串行口为同步移位寄存器的输入输出方式。以8位数据为一帧，发送和接收均为8位数据，低位在先，高位在后。数据由RXD（P3.0）引脚输入或输出，同步移位脉冲由TXD（P3.1）引脚输出。波特率固定为fosc/12。主要用于扩展并行输入或输出口。方式0发送 数据从RXD引脚串行输出,TXD引脚输出同步脉冲。当1个数据写入串行口发送缓冲器SBUF时,串行口将8位数据以fosc/12的固定波特率从RXD引脚输出,从低位到高位。发送完后置中断标志TI

19、为1,呈中断请求状态,在再次发送数据之前,必须用软件将TI清0。方式0接收 在满足REN=1和RI=0的条件下,串行口处于方式0输入。此时,RXD为数据输入端,TXD为同步信号输出端,接收器也以fosc/12的波特率采样RXD引脚输入的数据信息。当接收器接收完8位数据后，置中断标志RI=1为请求中断,在再次接收之前,必须用软件将RI清0。 在方式0工作时,必须使SCON寄存器中的SM2位为“0”；TB8和RB8在方式0中也未用。 方式0发送或接收完8位数据后由硬件置位TI或RI中断请求标志,CPU在响应中断后要用软件清除TI或RI标志。方式0接收和发送电路7.3.2 方式1 方式1是10位通用

20、异步通信接口。TXD（P3.1）为数据发送引脚，RXD（ P3.0）为数据接收引脚，传送一帧数据的格式如图所示。其中1位起始位，8位数据位，1位停止位。 波特率是可变的, 它取决于定时器 T1 的溢出速率及SMOD的状态。方式1的波特率=(2SMOD/32)定时器T1的溢出率方式1发送 用软件清除 TI后, CPU执行任何一条以 SBUF为目标寄存器的指令, 就启动发送过程。数据由TXD引脚输出。一帧信号发送完时, 将置位发送中断标志TI=1, 向CPU申请中断, 完成一次发送过程 用软件置REN为1时，且RI=0，接收器以所选择波特率的16倍速率采样RXD引脚电平，检测到RXD引脚输入电平发

21、生负跳变时，则说明起始位有效，将其移入输入移位寄存器，并开始接收这一帧信息的其余位。接收过程中，数据从输入移位寄存器右边移入，起始位移至输入移位寄存器最左边时，控制电路进行最后一次移位。当RI=0，且SM2=0（或接收到的停止位为1）时，将接收到的9位数据的前8位数据装入接收SBUF，第9位（停止位）进入RB8，并置RI=1，向CPU请求中断。方式1接收7.3.3 方式2和方式3 方式2或方式3时为11位的异步通信方式。TXD为数据发送引脚，RXD为数据接收引脚 。 方式2和方式3时起始位1位，数据9位（含1位附加的第9位，发送时为SCON中的TB8，接收时为RB8），停止位1位，一帧数据为1

22、1位。 方式2的波特率固定为晶振频率的1/64或1/32，方式3的波特率由定时器T1的溢出率决定。发送 发送前，先根据通信协议由软件设置TB8（如作奇偶校验位或地址数据标识位），然后执行任何一条以SBUF作为目的寄存器的写指令即启动发送器，同时TB8自动装到发送移位寄存器的第9位位置上 ，从TXD端输出一帧数据 ，发送完毕，TI标志=1。多机通信中，TB8=1为地址帧； TB8=0为数据帧。接收 先置位REN为1，使串行口处于允许接收状态，同时还要将RI清0。在满足这个条件的前提下，再根据SM2的状态和所接收到的RB8的状态决定是否会使RI置1，并申请中断，接收数据。 当SM20时，不管RB8

23、为0还是为1，RI都置1，此串行口将接收发来的信息。 当SM21，且RB8为l时，表示在多机通信情况下，接收的信息为地址帧，此时RI置1。串行口将接收发来的地址。 当SM21，且RB8为0时，表示接收的信息为数据帧，但不是发给本从机的，此时RI不置1，因而SBUF中所接收的数据帧将丢失。 8 位数据装入接收缓冲器SBUF,第9位数据装入SCON中的RB8以及置位 RI的信号只有在产生最后一个移位脉冲且同满足下列两个条件, 才会产生: RI=0; SM2=0或接收到的第9位数据为“1”。 上述两个条件中任一个不满足, 所接收的数据帧就会丢失, 不再恢复。 两者都满足时, 第9位数据装入 TB8, 前8位数据装入SBUF。7.3.4 多机通信图7-4多机通信连接图主从多机通信的具体过程如下：(1) 使所有的从机的SM2位置1，以便接收主机发来的地址。(2) 主机发出一帧地址信息，其中包括8位需要与之通信的从机地址，第9位为1。(3) 所有从机接收到地址帧后，各自将所接收到的地址与本机地址相比较，对于地址相同的从机，使SM2位清零以接收主机随后发来的所有信息；对于地址不符合的从机，仍保持SM2=1的状态，对主机随后发来的数据不予理睬，直至发送新的地址帧。(4) 主机给已被寻址的从机发送控制指令和数据(数据帧的第9位为0)。(5)本次通信结束后，主、从机重置SM2