单片机原理及应用 蔡启仲 第7章 串行通信及应用

1、1第7章 串行通信及应用2 第第7章章 目录目录7.1 数据通信的基本概念 7.1.1根据通信方式分类 7.1.2根据同步方式分类 7.1.3根据数据传输方向分类7.2 51单片机串行口 7.2.1 串行口的结构 7.2.2 串行口控制寄存器SCON 7.2.3 电源控制寄存器PCON7.3 串行口工作方式 7.3.1 方式0 7.3.2 方式1 7.3.3 方式2和方式33 37.4 单片机串行口波特率 7.4.1波特率与字符传输速率 7.4.2 波特率的计算7.5 串行口的应用 7.5.1 串行口扩展并行I/O口 7.5.2 双单片机异步串行通信 7.5.3 多机通信 7.5.4 RS-2

2、32总线及接口电路习题47.1 7.1 数据通信的基本概念数据通信的基本概念 串行通信是信息交换的一种基本通信方式， 与并行通信对应。 常见应用较多的串行通信包括： I2C SPI USB RS232 等 。57.1.1 7.1.1 根据通信方式分类根据通信方式分类通信方式通信方式的基本分类包括以下两种两种：并行通信并行通信和串行通信串行通信。(a) 并行通信(b) 串行通信数据以组的方式在多条线路上同时传输同时传输的通信方式。一般并并行通信行通信按照字长组织传输，例如51单片机的内部总线和外部总线的并行通信一般以1个字节为宽度进行。数据以位位(bit，比特)方式按顺方式按顺序分时进行收、发数

3、据的通信序分时进行收、发数据的通信方式方式。并行数据发送前采用并并入串出入串出的移位寄存器；串行数据接收后采用串入并出串入并出的移位寄存器。67.1.2 7.1.2 根据同步方式分类根据同步方式分类 串行通信串行通信传输过程中，不可避免地存在一个同步问题同步问题。发送端将数据以位的形式不断发送，接收端如何从这一串连续的位信息流中正确的识别通信的开始与结束，这就归属为同步问题。 (a) 同步通信(b)异步通信 同步通信：同步通信：面向比特(位)同步通信方式特点：通信双方数据传输中，一起开始，一起结束。同步的关键就是发送或接收的时钟同步，通信双方采用同频同相的同步时钟信号，以固定的频率发送和接收数

4、据。 形式形式：同步通信一般以信息块为传输单位，因此又称为区块传输。同步通信传输数据帧由同步字符块、数据块、校验字符块、结束字符块等部分组成。 异步通信：异步通信：面向一个字符帧(也称为数据帧) 的通信方式。特点：发送字符时，发送端发送字符帧之间时间间隔可以任意，接收端时刻做好接收准备。每一帧的数据前后设置控制字符，通信双方的时钟可以彼此独立，但发送数据和接收数据的传输速率必须一致。 形式形式：异步通信的字符帧一般包括起始位、数据位、奇偶校验位和停止位4个部分。 7异步通信异步通信 异步通信中，字符帧具备一定的格式要求，发送或接收一个数据也是以这种帧格式的形式进行，异步通信的字符帧一般包括起始

5、位、数据位、奇偶校验位和停止位4个部分。 (1) (1) 起始位：起始位：字符帧的开始，逻辑“0”低电平有效，1位长度，表示本字符帧的开始。(2) (2) 数据位：数据位：紧跟起始位之后，根据实际需求，可取5位、6位、7位或8位，其中低位在前，高位在后。一般情况下，字符帧采用8位数据位。(3) (3) 奇偶校验位：奇偶校验位：紧跟数据位之后，1位长度，可选用奇校验或偶检验，由用户根据实际需要决定。 (4) (4) 停止位：停止位：紧跟奇偶校验位之后，表示结束。逻辑“1”高电平有效。停止位根据约定，可选择1位、1.5位、2位长度。8例例7171 采用异步通信方式连续发送字节数据“25H”(二进制

6、00100101B)，规定1位起始位，8位数据位，1位奇校验位，1位停止位，组成11位的字符帧，无空闲位。 分析分析：奇校验，而待发送字节数据25H中“1”的个数为奇数，所以此时奇偶校验位为“0”。 异步通信发送25H波形图 97.1.3 7.1.3 根据数据传输方向分类根据数据传输方向分类 按照数据传输的方向，串行通信可分为:1. 单工通信单工通信2. 半双工通信半双工通信3. 全双工通信全双工通信10单工通信单工通信 实现数据的单向传输，即数据通过单向通道，仅能实现由发送端向接收端的传输，并且始终保持单一方向传送。11半双工通信半双工通信 实现数据的分时双向传输，即数据通过双向通道，满足通

7、信双方发送端向接收端的数据传输，即在任一时刻，只能够传输一个方向的数据。12全双工通信全双工通信 实现数据的双向同时传输，即数据通过双向通道，满足双方发送端向接收端的数据传输要求，实现真正意义上的两个方向的数据同时传送。从本质上看，全双工通信就是两个单工通信的组合体。137.2 517.2 51单片机串行口单片机串行口 51单片机内部有一个可编程的全双工串行通信接口UARTUART，可同时进行数据的发送和接收。RXD端端(P3.0)：作为串行数据接收端TXD端端(P3.1)：作为串行数据发送端147.2.1 7.2.1 串行口的结构串行口的结构15(1) 发送部分与接收部分独立独立控制，分开操

8、作。(2) 发送中断标志位TI与接收中断标志位RI单独产生，但共用共用一个中断申请。(3) 需要依赖于额外的额外的波特率发生器波特率发生器。一般由单片机内部的定时器T1产生。(4) 具备两个在物理上相互独立的物理上相互独立的数据缓冲器：发送发送SBUF和接收接收SBUF，但是两者的特殊功能寄存器字节地址相同。(5) 发送部分：并行数据发送部分：并行数据转换转换成串行数据串行数据通过TXD(P3.1)引脚发送；接收部分通过RXD(P3.0)引脚接收串行数据，并将串行数据串行数据转换转换为并并行数据行数据进行处理。(6) 工作状态受SCON和和PCON两个寄存器的配置配置决定。7.2.1 7.2.

9、1 串行口的结构串行口的结构167.2.2 7.2.2 串行口控制寄存器串行口控制寄存器SCON SCON (1) SM0和和SM1 串行口工作方式选择位串行口工作方式选择位 SM0SM1工作方式工作方式特点特点波特率波特率00方式0同步移位寄存器固定(fOSC/12)01方式110位异步收发通信可变(波特率发生器)10方式211位异步收发通信固定(fOSC/32或fOSC/64)11方式311位异步收发通信可变(波特率发生器)17(2) SM2 多机通信控制位多机通信控制位 方式方式0：SM2必须配置为0。 方式方式1：发送发送时设置设置SM2无意义无意义；接收时一般设置设置SM2=0，此时

10、，不考虑接收到的停止位电平状态。如果SM2=1，则只有收到有效的停止位时才能置位RI=1，请求中断。 方式方式2和方式和方式3：SM2的配置配置在接收接收状态下起重要作用起重要作用。 SM2=1：只有接收到第接收到第9位数据位数据(RB8)为1时，才可以将已接收的8位数位数据送入据送入SBUF，并置位置位RI=1，产生中断请求中断请求，等待接收完成的处理。若接收接收到的第第9位数据位数据(RB8)为0时，则接收的8位数据不会送入位数据不会送入SBUF，将被丢弃丢弃，也不会置位不会置位RI。 SM2=0：不考虑不考虑接收到的第第9位数据位数据(RB8)状态状态，直接将已接收的8位数位数据送入据送

11、入SBUF，并置位置位RI=1，产生中断请求中断请求，等待接收完成的处理。 (SM2被定义为多机通信控制位，主要是考虑多机通信协议的规定。被定义为多机通信控制位，主要是考虑多机通信协议的规定。)(3) REN 允许接收控制位允许接收控制位 REN=1：允许允许串行口接收数据。REN=0：禁止禁止串行口接收数据。18(4) TB8 发送的第发送的第9位数据位数据 方式方式0和方式方式1中不使用不使用TB8。 方式2和方式3中的TB8由软件置软件置1或清清0。发送的字符帧中，TB8即发送发送的第第9位数据位数据。通信过程中，该位既可以作为奇偶校验位使用，也可以在多机通信中作为声明地址帧/数据帧使用

12、。(5) RB8 接收到的第接收到的第9位数据位数据 方式方式0：不使用不使用RB8。 方式方式1：如果SM2=0，则RB8存放的是已接收已接收的停止位停止位。 方式方式2和方式方式3：由接收接收到的第第9位位来决定RB8是“1”还是还是“0”。(6) TI 发送中断标志位发送中断标志位 方式方式0：串行发送完第8位数据时TI由硬件置硬件置1。 方式方式1、2 、3：发送停止位发送停止位开始时由硬件置硬件置1。 TI必须通过软件清软件清0。(7) RI 接收中断标志位接收中断标志位 方式方式0：串行接收完第8位数据时RI由硬件置硬件置1。 方式方式1、2 、3：接收停止位中间时刻由硬件置硬件置

13、1。 RI必须通过软件清软件清0。 197.2.3 7.2.3 电源控制寄存器电源控制寄存器PCONPCON PCON寄存器中与串行口工作相关的部分仅涉及SMOD位。SMOD 波特率倍增位方式方式0：波特率固定模式，与与SMOD无关无关。方式方式1、2、3：串行通信的波特率波特率受SMOD影响，与2SMOD成正比成正比关系。SMOD=0：串行通信波特率在设定的基础上不倍增不倍增；SMOD=1：波特率波特率在设定的基础上提高一倍提高一倍。 207.3 7.3 串行口工作方式串行口工作方式 单片机串行口根据实际需要，由SCON寄存器的SM0和SM1组合设置为方式方式0 0、方式、方式1 1、方式、

14、方式2 2和方式和方式3 3四种工作方式四种工作方式。SM0SM1工作方式工作方式特点特点波特率波特率00方式0同步移位寄存器固定(fOSC/12)01方式110位异步收发通信可变(波特率发生器)10方式211位异步收发通信固定(fOSC/32或fOSC/64)11方式311位异步收发通信可变(波特率发生器)217.3.1 7.3.1 方式方式0 0 方式方式0：同步移位寄存器输入同步移位寄存器输入/ /输出方式输出方式，一般不用做单片机间的串行通信，而用作外部扩展移位寄存器实现串并转换外部扩展移位寄存器实现串并转换，达到扩展并行扩展并行I/O口口的目的。 方式方式0数据格式数据格式：一帧数据

15、包括8位信息，按照先发送/接收低位，后发送/接收高位的顺序通信，波特率固定为fOSC/12。 方式0帧格式 22方式方式0 0发送发送 执行执行指令MOV SBUF, A，单片机的TXD引脚输出移位脉冲，RXD引脚输出串行数据。串行口将SBUF内数据(8位)以固定的波特率(fOSC/12)按位从RXD引脚串行输出。 方式0发送时序图 23方式方式0 0接收接收 单片机的TXD引脚输出移位脉冲，RXD引脚输入串行数据。串行口以固定的波特率(fOSC/12)采样RXD引脚的电平信息，执行指令MOV A, SBUF读入数据。 方式0接收时序图 247.3.2 7.3.2 方式方式1 1 方式方式1：

16、波特率可变波特率可变的固定固定8位数据位数据的通用异步通信方式 。 通信数据格式通信数据格式：字符帧包括1位起始位位起始位(低电平低电平)，8位数据位位数据位、1位停止位位停止位(高电平高电平)，按照先发送/接收低位，后发送/接收高位的顺序通信，波特率波特率由具体的波特率发生器波特率发生器(定时器T1产生)设置设置决定。 方式0帧格式 25 执行执行指令MOV SBUF, A，内部发送控制信号SEND有效，按照设置的波特率，每经过一个TX发送时钟脉冲，产生一个移位脉冲，驱动TXD引脚依次输出字符帧的各位信息。 TXD引脚串行输出发送发送起始位起始位、8位数据位数据，1位停止位位停止位，低位在先

17、，高位在后，8位数据位数据和1位停止位位停止位发送完成后，中断标志位TI硬硬件置件置1，SEND失效 。 方式1发送时序图 方式方式1 1发送发送26 检测检测RXD(P3.1)引脚上的从1到0的下降沿下降沿跳变，然后持续采样检测，确认起始位确认起始位后，开始从RXD引脚按位接收数据按位接收数据，直到接收到有效接收到有效的8位数据位数据或检测到有效的停止位停止位，接收完成后硬件置位硬件置位RI，执行执行指令MOV A, SBUF，读入接收的8位数据。 方式1接收时序图 方式方式1 1接收接收27接收需满足的条件接收需满足的条件(1) 结束接收时，RI=0 (RI=0意味着之前接收的数据已经成功

18、 处理，接收缓冲器SUBF已空置，保证数据不冲突)。(2) SM2=0 或 SM2=1，接收到有效的停止位。(3) REN = 1允许接收状态。287.3.3 7.3.3 方式方式2 2和方式和方式3 3 方式方式2：波特率固定波特率固定的11位位通用异步通信方式 。 方式方式3：波特率可变波特率可变的11位位通用异步通信方式 。 通信数据格式通信数据格式：包括1位起始位位起始位(低电平)，8位数据位位数据位、1位程位程控位控位(TB8或或RB8)和1位停止位位停止位(高电平)，按照先发送/接收低位，后发送/接收高位的顺序通信 。方式2波特率固定为固定为fOSC/32或fOSC/64；方式3波

19、特率由具体的波特率发生器(定时器T1产生)设置决定。 方式2(方式3)帧格式 29 根据通信协议通信协议的约定约定由程序对TB8进行设置设置，然后再执行执行指令MOV SBUF, A，启动发送过程。发送完发送完数据的第第8位位(D7)之后，由硬件自动硬件自动将TB8作为第第9位数据发送位数据发送。发送完毕，硬硬件置位发送中断标志位件置位发送中断标志位TI，表示发送已完成。 方式2(方式3)发送时序图 方式方式2(2(方式方式3)3)发送发送30 首先设置设置允许接收控制位REN=1，检测检测到有效的起始位有效的起始位后，依次按先低位后高位的顺序接收接收8位数据位位数据位D0D7，再将接收的第第

20、9位数据位数据RB8。如果接收条件具备如果接收条件具备，硬件置位接收中断标志硬件置位接收中断标志位位RI，表示接收已完成，然后执行执行指令MOV A, SBUF，将接收的8位数据传输给累加器A。方式2(方式3)接收时序图 方式方式2(2(方式方式3)3)接收接收31(1) RI=0；(2) SM2=0 或 SM2=1，接收到的第9位数据RB8=1 。(3) REN = 1允许接收状态。接收需满足的条件接收需满足的条件327.4 7.4 单片机串行口波特率单片机串行口波特率 异步串行通信中，收发双方收发双方之间没有直接没有直接的同步信号同步信号，但是从数据传输快慢的角度看，两者必须步调一致，才能

21、保证数据的正确通信。因此，收发双方对数据传输速率的约定收发双方对数据传输速率的约定，就归结为波特率的设置波特率的设置。337.4.1 7.4.1 波特率与字符传输速率波特率与字符传输速率 波特率波特率：串行口每秒发送每秒发送或接收数据接收数据的位数位数，单位为位位/ /秒秒( (b/sb/s或或bps)bps)。设发送一位所需要的时间为t秒，则波特率为波特率为1/t。常见的波特率包括12001200、48004800、96009600、1920019200等。波特率越大，传输速率越快，单位时间内数据传输量就越大，效率越高。波特率波特率是二进制位的传输速率，字符速率字符速率是字符帧字符帧的传输速

22、率传输速率。在异步通信中，一个字符帧包括起始位、数据位、校验位、停止位等信息，所以字符传输速率不等同于波特率字符传输速率不等同于波特率，但两者之间存在具体的关系。 n波特率字符传输速率位 帧34例例72 采用异步通信方式发送ASCII码，规定字符帧格式为1位起始位，8位数据位，1位奇校验位，2位停止位。若字符传送速率为每秒100个字符，求该异步通信的波特率及传送一位二进制位所需要的时间。 分析分析：一个字符帧包括1+8+1+2=12位，即12位/帧，代 入公式：波特率=100帧/秒12位/帧=1200位/秒=1200bps。传送一位需要时间=1/1200bps=0.833ms/位传送一个字符需

23、要时间=0.833ms/位*12位=9.996ms357.4.2 7.4.2 波特率的计算波特率的计算 单片机串行口有四种工作方式：方式0和方式2的波特率固定，其值与系统振荡频率有关。方式1和方式3的波特率可变，其值由设定的定时器T1溢出速率确定。1. 方式0的波特率方式方式0的波特率固定的波特率固定，其值为fOSC/12。例如：时钟振荡频率fOSC=12MHz，则波特率为fOSC/12=1MHz。2方式方式2的波特率的波特率方式方式2的波特率固定的波特率固定，其值为fOSC/32或或fOSC/64。存在两种波特率的原因是PCON寄存器中SMOD位的设置。SMOD设置为设置为0：波特率为fOS

24、C/64，波特率正常；SMOD设置为设置为1：波特率为fOSC/32，波特率加倍。 264SMODOSCf波特率36 方式1和方式3的波特率可变，其值由设定的定时器T1溢出速率确定。2132SMODT波特率的溢出率11122OSCnfTX溢出率初值2132122SMODOSCnfX波特率-初值 实际使用中，T1一般采用采用自动装载初值的方式方式2。此种方式操作方便，可以避免软件重载初值引入的误差，从而保证波特率的稳定。 37串行口串行口工作方式工作方式波特率波特率时钟振荡频率时钟振荡频率fOSCSMOD位位定时器定时器T1工作方式工作方式初值初值X方式1或方式362500b/s12MHz102

25、FFH19200b/s11.0592MHz102FDH9600b/s11.0592MHz002FDH4800b/s11.0592MHz002FAH2400b/s11.0592MHz002F4H1200b/s11.0592MHz002E8H19200b/s6MHz102FEH9600b/s6MHz102FDH4800b/s6MHz002FDH表7-2 常用波特率与T1的定时初值X关系表 单片机时钟振荡频率fOSC=6MHz和12MHz时，定时器T1定时初值X计算的波特率和标称值存在一定的误差。 C/T38例例73 51单片机时钟振荡频率fOSC=11.0592MHz，T1作为波特率发生器，要求波

26、特率为4800b/s，求定时初值X。 分析：分析：设T1工作在方式2，选择SMOD=0。 08211.059214800 /32122MHzb sX波特率初值计算得到定时初值X=FAH 397.5 7.5 串行口的应用串行口的应用 7.5.1 7.5.1 串行口扩展并行串行口扩展并行I/OI/O口口例例7474 利用51单片机的串行口与移位寄存器芯片的连接，完成一路8位并行输出口的扩展，并行输出数据37H。74LS164：串行输入并行输出串行输入并行输出的同步移同步移位寄存器位寄存器芯片。CLR：同步清除输入端，低电平时输出端QAQH均锁定为低电平。A端口和端口和B端口端口：两个串行数据输入两

27、个串行数据输入端端，互为低电平锁定，即当A为低电平时，B输入不起作用，反之依然。CLK：时钟输入端时钟输入端，工作条件满足情况下，脉冲上升沿实现QAQH输出端状态的移位操作。40程序程序 执行MOV SUBF, A命令，8个移位脉冲后，37H出现在74LS164的QAQH输出端。417.5.2 7.5.2 双单片机异步串行通信双单片机异步串行通信 例例7575 编程实现1#单片机片内程序存储器中的0100H010FH 单元的数据块通过串行口发送给2#单片机，2#单片机将接收的数据依次存储在60H6FH的单元中。 1#和2#单片机都采用频率为fOSC=11.0592MHz的晶振，规定串行口为工作

28、方式1，波特率为9600b/s。421#单片机程序 432#单片机程序 447.5.3 7.5.3 多机通信多机通信 多机通信：一般采用一主一主多从多从构建多机通信系统。 多机通信中，一片单片机配置为主机主机M，多片单片机配置为从从机机S1、S2、S3，每个从机SxSx设置设置一个地址地址AxAx。主机发送的信息可以被选中被选中的从机从机SxSx接收接收，任何一个从机从机SxSx发送的信息发送的信息只能够主机主机M接收接收。即从机只能与主机通信，从机相互之间不能够通信。 主机主机M发送发送的字符帧字符帧可以是地址帧地址帧，也可以是数据帧数据帧。地址帧指向固定的从机，数据帧包括了发往该从机的内容

29、。根据设计，从从机机Sx只有接收到符合自己地址的地址帧，才能够接收主机只有接收到符合自己地址的地址帧，才能够接收主机M之后发之后发送的数据帧送的数据帧。45 关键关键在于从机Sx如何识别主机如何识别主机M发送发送的是地址帧还是数据地址帧还是数据帧帧。 方式方式2或方式或方式3：若SM2=1，工作在多机通信状态多机通信状态下，仅当串行口接收接收到的第第9位数据位数据RB8为为1时，才能将数据装入接收缓数据装入接收缓冲器冲器SBUF，完成一次接收过程，否则否则，将丢弃数据丢弃数据。 SM2=0：不管第9位数据RB8是0还是1，均将数据装入接收均将数据装入接收缓冲器缓冲器SBUF，完成一次接收过程。

30、应用这个特性应用这个特性，便可实现多多机通信机通信。 一主多从一主多从的多机通信中，规定规定：接收到的第第9位数据位数据(RB8)为1：该字符帧为地址帧地址帧；当接收到的第第9位数据位数据(RB8)为0：该字符帧为数据帧数据帧。 主机M首先发送地址帧地址帧由从机进行地址比对从机进行地址比对，然后从机根据比对结果对SM2进行相应设置。主机M再发送数据帧，交由成功比对地址的从机Sx处理。 46一主多从一主多从的多机通信的过程具体步骤具体步骤如下：(1) 设置所有从机从机工作在方式2或方式3，置位置位SM2=1和REN=1(主机M设置相对自由，SM2、REN可根据需要开启)。(2) 主机M若要发送数

31、据给某个从机Sx，首先发送发送一帧以该从机Sx地址为内容的地址帧地址帧(地址帧中第9位TB8=1)。(3) 所有从机的SM2=1，处于接收地址帧状态接收地址帧状态。此时，所有的从机接从机接收收到主机M地址帧地址帧后，将第第9位载入位载入RB8，然后将接收的8位地址与本机地址比较地址比较，只有地址相同地址相同的从机Sx设置设置本机SM2=0，其它保留保留SM2=1的状态。(4) 被选中的从机Sx 的SM2=0 ，其余从机仍为SM2=1。主机M发送地址帧之后，紧接着发送一个紧接着发送一个或多个数据帧或多个数据帧(数据帧中第9位TB8=0)，被选中的从机被选中的从机Sx能够接收这些数据帧接收这些数据

32、帧，其它从机则丢弃这些数据帧其它从机则丢弃这些数据帧，即不会将这些数据帧的数据传输给SBUF。 477.5.4 RS-2327.5.4 RS-232总线及接口电路总线及接口电路 1. RS-232C1. RS-232C标准接口总线标准接口总线 RS-232C总线标准接口总线标准接口(协议协议)的全称是EIA-RS-232C标准，定义是“数据终端设备数据终端设备(DTE)和数据通讯设备和数据通讯设备(DCE)之间串行二进制数据交换接口技术标准之间串行二进制数据交换接口技术标准”。其中EIA(Electronic Industry Association)代表美国电子工业协会，RS(Recomme

33、nded standard)代表推荐标准，232是标识号，C代表RS-232的最新一次修改。RS-232C标准描述了计算机及相关设备间较低速率的串行数据通信的物理接口及协议。 48RS-232C接口的具体规范具体规范包括：(1) 传输速率与传输距离 理论上最大传输速率为理论上最大传输速率为20Kbps，线缆最长为线缆最长为15米米。(2) 连接形式 通信距离较近时：不需要Modem，通信双方可以直接连接直接连接，这种情况下，只需使用少数几根信号线。(3) 信号特性 采用不同逻辑电平不同逻辑电平定义区分区分数据线上信号电平数据线上信号电平和控制线上信号电控制线上信号电平平。数据线上信号电平规定数据线上信号电平规定：3V至15V为逻辑“1”电平，+3V至+15V为“0”电平。控制线上信号电平规定控制线上信号电平规定：3V至15V为信号无