微机原理与接口技术10

1、微机原理与接口技术第10章 可编程串行通信芯片接口 8251A第10章 可编程串行通信芯片接口 8251A学习的意义 随着计算机系统的应用和微机网络的发展，通信功能越来越显的重要。由于串行通信是在一根传输线上一位一位的传送信息，所用的传输线少，并且可以借助现成的电话网进行信息传送，因此，不论是远距离通信还是近距离传输，用串行方式交换数据都很普遍。在采用多台微机处理机组成分级分布控制系统中，各CPU之间的通信一般都是串行方式。所以串行接口是微机应用系统常用的接口。掌握串行通信的基本概念，了解串行通信的接口标准，学会使用串行接口芯片有助于将来学习、应用、设计和解决串行通信中相关问题。第10章 可编

2、程串行通信芯片接口 8251A学习的目标掌握串行通信的基本概念和三种通信线路连接方式，掌握异步通信的字符格式，了解同步通信的帧格式，理解异步通信和同步通信的异同点。理解调制解调器的概念，了解调制解调器的原理及其应用场合。了解串行通信的接口标准，掌握EIA RS-232C标准引脚信号、接口连接及其电气特性，理解电流环接口原理，了解其他串行标准。掌握串行通信接口的任务及组成，掌握可编程通用串行通信接口 8251A芯片的结构、功能、编程和使用方法。10.1 串行通信的基本概念1. 串行通信的特点 CPU与外设的信息交换即通信有两种基本方式：并行通信和串行通信。在并行通信方式中，并行传输的数据各位同时

3、传送，数据有多少位，传输线至少就得有多少根。而串行 通信方式是将传输 数据一位一位顺序 传送。串行通信和 并行通信的区别如 图10.1所示。 源终点010010018位数据线源终点0 1 0 0 1 0 0 1（a）并行通信（b）并行通信图10.1 并行通信与串行通信的区别10.1 串行通信的基本概念一般来说，串行通信有以下一些特点； （1）由于在一根传输线上既传输数据信息又传送控制联络信息，这就需要串行通信中的一系列约定，从而来识别在一根线上传送的信息流中，哪一部分是联络信号，哪一部分是数据信号。 （2）串行通信的信息格式有异步和同步信息格式，与此对应，有异步串行通信和同步串行通信两种方式。

4、 （3）由于串行通信中的信息逻辑定义与TTL不兼容，故需要逻辑电平转换。（4）为降低通信线路的成本和简化通信设备，可以利用现有的信道(如电话信道等)，配备以适当的通信接口，便可在任何两点实现串行通信。10.1 串行通信的基本概念2. 串行通信涉及的常用术语（1）波特率指单位时间内通信线路上传输数据的位数，单位是比特/秒（B/s）或波特，它是一个用以衡量数据传送速率的量。尽管波特率在理论上可以是任意的，但考虑到接口的标准性，国际上还是规定了标准的波特率系列。常用的波特率有50、110、300、600、1200、2400、4800、9600和19200。CRT 终端能处理9600波特的传输，而点阵

5、打印机通常以2400波特来接收信号。大多数接口的接收波特率是可以分别设置的，它们可以分别由编程来设定。当然在一个串行通信系统中，应该设定接收方和发送方的波特率相同。10.1 串行通信的基本概念（2）发送时钟和接收时钟 在串行通信中，二进制数据以数字信号的形式出现,不论是发送还是接收，都必须有时钟信号对传送的数据进行定位。在TTL标准表示的二进制数中，传输线上高电平表示二进制1，低电平表示二进制0，且每一位持续时间是固定的，由发送时钟和接收时钟的频率决定。10.1 串行通信的基本概念1）发送时钟 发送数据时，先将要发送的数据送入移位寄存器，然后在发送时钟的控制下，将该并行数据逐位移位输出。通常是

6、在发送时钟的下降沿将移位寄存器中的数据串行输出，每个数据位的时间间隔由发送时钟的周期来划分，参见图10.2所示。发送时钟数字信号波形（TTL标准）二进制数据 0 1 1 0 0 1 1 0 图10.2 串行数据发送10.1 串行通信的基本概念2）接收时钟 在接收串行数据时，接收时钟的上升沿对接收数据采样，进行数据位检测，并将其移入接收器的移位寄存器中，最后组成并行数据输出，如图10.3所示。接收时钟 数字信号波形（TTL标准）二进制数据 0 1 1 0 0 1 1 0 图10.3 串行数据接收 10.1 串行通信的基本概念（3）位周期Td是指每个数据位传送所需要的时间，它与波特率的关系是：Td

7、=1/波特率。它用以反映连续二次采样数据之间的间隔时间。（4）波特率因子 接收时钟和发送时钟与波特率有如下关系：F=nB，这里F是发送时钟或接收时钟的频率；B是数据传输的波特率；n称为波特率因子，即为时钟脉冲频率与波特率的比。设发送或接收时钟的周期为Tc，频率为F的位传输时间为Td，则：Tc=1/F,Td=1/B，得到：Tc=Td/n。在实际串行通信中，波特率因子可以设定。在异步传送时，n=1，16，64，实际常采用n=16，即发送或接收时钟的频率要比数据传送的波特率高n倍，其示意图如图10.4所示。在同步通信时，波特率因子n必须等于1。 10.1 串行通信的基本概念起始位TdTc111000

8、000000连续 8 个 0第9个仍为 0以后每隔16个Tc检测一次数据的其他位图10.4 波特率因子n=16示意图10.1 串行通信的基本概念（5）DTE（Data Terminal Equipment）数据终端设备，它是数据源和接收信息的目的。在通信系统中，计算机系统和外围设备都可作为DTE。 （6）DCE（Data Communication Equipment）数据通信设备，它是DTE同通信线路之间的信号匹配器，实现DTE与通信线线之间通信连接的建立、维持和终止，并完成信号变换和编码。DCE通常是指调制解调器（MODEM）。10.1 串行通信的基本概念3. 两种通信方式（1）异步通信异

9、步通信中，在发送端是以固定的字符格式发送数据的，如图10.5所示，每个字符包括1个起始位、58个数据位，1个奇偶校验位和12个停止位 。图10.5 异步串行通信字符格式 10.1 串行通信的基本概念由于线路或程序出错等原因，使得通信过程中经常产生传送错误。因为异步通信的实质是字符的发送是随机的，接收方通常可检测到如下一些错误：1）奇偶错在通信线路上因噪声干扰而引起的某些数据位的改变，则会引起奇偶检验错。2）溢出错 在上一个字符还未被处理器读出之前，本次又接受到了一个字符，则会引起溢出错。如果处理器周期检测“接收数据就绪”的速率小于串行接口从通信线上接收字符的速率，就会引起溢出错。溢出错也称为超

10、越错。 3）帧格式错若接收方在停止位的位置上检测到一个空号（信息0），则会引起一个帧格式错。一般来说，帧格式错的原因较复杂，可能是双方协议的数据格式不匹配；或线路噪声改变了停止位的状态；因时钟不匹配或不稳未能按照协议装配成一个完整的字符帧等等。10.1 串行通信的基本概念（2）同步通信由于异步通信每传送一个字符都加起、止信号等附加位，使其传输效率比较低，因此异步通信一般用在数据速率较慢的场合。在高速传送时，一般应采取同步协议。同步通信是采用数据块成帧方式实现的，按照控制规程不同可分为面向字符型和面向位（比特）型两类。SYNSYN消息头消息CRCCRC图10.7 面向字符型同步串行通信帧格式8位

11、 8位 8位 0位 16位 8位 图10.8 面向比特同步协议的帧格式 10.1 串行通信的基本概念4. 串行通信线路连接方式（1）单工传输方式（2）半双工传输方式（3）全双工传输方式（4）多工传输方式图10.10 串行通信的数据传送方式 10.1 串行通信的基本概念 5. 信号的调制和解调计算机在进行远距离的数据通信时，通信线路通常是用已有的公用电话网。为此发送方要将二进制的数字信号变换成适合在电话线上传输的音频模拟信号，称为调制。接收方还必须从线路上测出这个模拟信号，还原成数字信号，称为解调。由于串行通信大都是双向进行的，通信线路的任意端既需要调制器，也需要解调器，故将调制器和解调器合而为

12、一，称为调制解调器（MODEM），兼具有发送方的调制和接收方的解调两种功能。调制解调器是利用模拟通信线路进行长距离数据通信中的重要设备，如图10.11所示。10.1 串行通信的基本概念图10.11 调制与解调示意图 10.1 串行通信的基本概念调制的方法很多，按照调制技术的不同，有调频（FM）、调幅（AM）和调相（PM）三种。 图10.12 数字信号与三种调制载波10.1 串行通信的基本概念6. 串行通信的校验方法 串行通信主要适用于远距离通信，因而噪声和干扰较大，同时也存在衰减和信号畸变，为了保证高效而无差错地传送数据，对传送的数据进行校验就成了串行通信中必不可少的重要环节，对通信差错控制能

13、力也成为衡量一个通信系统的重要指标。通常，把如何发现传输中的错误，叫检错。发现错误之后，如何消除和纠正错误，叫纠错。在基本通信规程中一般采用奇偶校验或方阵码检错，以反馈重发方式纠错。在高级通信控制规程中一般采用循环冗余码CRC（Cycle Redundacy Code）检验，以自动纠错方式来纠错。（1）奇偶校验（2）循环冗余校验CRC (循环冗余码/多项式编码)10.1 串行通信的基本概念7. 串行通信的实现图10.14 串行通信的基本硬件结构 串行通信实际上是把数据一位一位地发送和接收，这是依赖于计算机和串行接口有机配合来完成的。串行通信在硬件上的核心部件是移位寄存器，其中在发送端要有一个并

14、入串出移位寄存器，在接收端要有一个串入并出移位寄存器。 10.2 串行接口标准 在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同的设备可以方便地连接起来进行通讯。串行通信的接口标准一般包括三种： 机械特性：连接器的尺寸、引脚分布； 信号特性：信号电平、通信速率； 功能特性：引脚功能、控制时序。 在进行串行通信的线路连接时，通常要解决两个问题：一是计算机与外设之间要共同遵守的某种约定，这种约定称为物理接口标准，包括电缆的机械特性、电气特性、信号功能及传送过程的定义。二是按接口标准设置计算机与外设之间进行串行通信的接口电路。 10.2 串行接口标准1. RS-232-CRS-232C标准（协议

15、）的全称是EIA-RS-232C标准。RS-232C标准是美国EIA与BELL等公司一起开发的通信协议，它适合于数据传输速率在020000b/s范围内的通信。它规定了连接电缆和机械、电气特性、信号功能及传送过程。例如，目前在IBM PC机上的COM1、COM2接口，就是RS-232C接口。（1）电气特性在TxD和RxD上：逻辑1（MARK）=-3V-15V 逻辑0（SPACE）=+3V+15V在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上：信号有效（接通，ON状态，正电压）=+3V+15V信号无效（断开，OFF状态，负电压）=-3V-15V10.2 串行接口标准EIA-RS-232C与TT

16、L转换：EIA-RS-232C是用正负电压来表示逻辑状态，与TTL以高低电平表示逻辑状态的规定不同。因此，为了能够同计算机接口或终端的TTL器件连接，必须在EIA-RS-232C与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的变换。目前较为广泛地使用集成电路转换器件，如MC1488、SN75150芯片可完成TTL电平到EIA电平的转换，而MC1489、SN75154可实现EIA电平到TTL电平的转换。图10.15显示了1488和1489的内部结构和引脚。MC1488的输入引脚接TTL电平，输出引脚接EIA-RS-232C。MC1498的输入引脚接EIA输入，而输出引脚接TTL输出。具体连接方法如图10.1

17、6所示。 10.2 串行接口标准图10.15 MC1488、1489内部结构和引脚 图10.16 TTL与RS233C电平转换连接图10.2 串行接口标准由于MC1488/1489要求使用15V高压电源，不太方便，现在常用的RS-232C/TTL转换芯片是MAX232。MAX232内部有电压倍增电路和转换电路，只需5V电源便可实现TTL电平与RS-232C电平转换，使用起来十分方便。 MAX232的引脚图和内部逻辑框图如图10.17所示。 图 10.17 MAX232引脚图10.2 串行接口标准（2）连接器的机械特性：连接器：由于RS-232C并未定义连接器的物理特性，因此，出现了DB-25、

18、DB-15和DB-9各种类型的连接器，其引脚的定义也各不相同。DB-25连接器用于异步通信的信号有9个（含信号地SG）：2，3，4，5，6，7，8，20，22，因此采用DB-9的9芯插头座，传输线采用屏蔽双绞线。电缆长度：在通信速率低于20kb/s时，RS-232C所直接连接的最大物理距离为15m（50英尺）。图10.18 DB-25和DB-9的外形及信号线分配10.2 串行接口标准（3）RS-232C的接口信号RS-232C标准接口用于异步通信的9根信号线的符号和功能等列于下表中。10.2 串行接口标准（4）连接方式1）近距离通信：当通信距离较近时，通信双方可以直接连接，这种情况下，只需使用

19、少数几根信号线。最简单的情况，在通信中根本不需要RS-232C的控制联络信号，只需三根线(发送线、接收线、信号地线)便可实现全双工异步串行通信。下图10.19列出几种简化的连接方式。无Modem时，最大通信距离15m。这一距离的计算，是偏于保守的，实际应用中，当使用9600bps，普通双绞屏蔽线时，距离可达3035米。传输距离短的另一原因是RS-232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于20m以内的通信。 10.2 串行接口标准图10.19 串行通信RS-232近距离通信接线方式10.2 串行接口标准2）远距离通信：当传输距离大于15m时，一般要加调制解调器MOD

20、EM，因此使用的信号线较多。若在双方MODEM之间采用普通电话交换线进行通信，除了需要28号信号线外还要增加RI和DTR两个信号线进行联络，如图10.20所示。其中DTE信号为RS-232-C信号，DTE与计算机间的电平转换电路未画出。10.2 串行接口标准计 算 机接 口 电 路调 制 解 调 器电 话 机DTEDCETxDRxDRTSCTSDSRSGDCDDTRRI电 话 机计 算 机调 制 解 调 器接 口 电 路DCETxDRxDRTSCTSDSRSGDCDDTRRI公用电话网DTE图10.20采用Modem和电话网远程通信时的信号连接图 10.2 串行接口标准2. 20mA电流环 电

21、流环也是串行接口中的一种以电流进行的驱动形式。电流环是以其中流动的20电流的有、无来表示信号的逻辑状态的“1”和“0”。与RS-232C接口比较，它内在的双端传输具有对共模噪音的抑止作用，而且电流环接口采用了光电耦合技术，具有隔离作用，能消除接地回路引起的一些问题，使直接数据传输距离比RS232C接口长。20mA电流环是目前远程通讯广泛使用的另一种接口。其原理如图10.21所示，发送正和负，接收正和负4根线组成一个输入回路和一个输出回路。 PC终端20mA发送+20mA20mA20mA发送-接收+接收数据数据图10.21 20mA 电流环接口原理图10.2 串行接口标准3. RS-449与RS

22、-422/423/485接口标准 （1）RS-4491977年EIA制定了RS-449。它除了保留与RS-232C兼容的特点外，还在提高传输速率，增加传输距离及改进电气特性等方面作了很大努力，并增加了10个控制信号。与RS-449同时推出的还有RS-422和RS-423，它们是RS-449的标准子集。另外，还有RS-485，它是RS-422的变形。不过，RS-449是一种物理接口功能标准，而RS-423/422/485则是电气标准。RS-422、RS-423是全双工的，而RS-485是半双工的。 10.2 串行接口标准（2）RS-422RS-422总线标准又称双端接口电气标准或平衡传输电气标准

23、，是一种平衡驱动、差分接收的接口标准。RS-422电气连接不同于RS-232C的地方在于传输数据的是两条平衡导线。所谓“平衡”是指输出端为双端平衡驱动器，输入端为双端差分放大器。RS-422接口标准通过提供这种平衡电路来改进接口电气特性，通过传输线驱动器将逻辑电平变为电位差，实现信息传送。通过传输线接收器将电位差变为逻辑电平，实现信息接收。因而可以支持较高的传输速率和较长的传输距离，在最大传输率10Mbs的情况下，电缆允许长度为120m；如果采用低传输率，如90kbs时，最大距离可达1200m。RS-422 每个通道用两条信号线，一条为逻辑1，一条为逻辑0。目前RS-422 AA与TTL的电平

24、转换常用芯片是驱动器SN75174和接收器SN75175。该标准允许驱动器输出为土2土6V，接收器可以检测到的输入信息电平可低到200mA。10.2 串行接口标准（3）RS-423RS-423标准规定采用单端驱动差分接收电路，其电气性能与RS-232C几乎相同，并设计成可连接RS-232C和RS-422。它一端可与RS-422连接，另一端则可与RS-232C连接，提供了一种从旧技术到新技术过渡的手段。同时又提高位速率(最大为300Kb/s)和传输距离(最大为600m)。 10.2 串行接口标准（4）RS-485 RS-485的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+(2-6) V表示；逻辑“0

25、”以两线间的电压差为-(2-6)V表示。RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好。RS-485的数据最高传输速率为10Mbps，最大传输距离标准值为4000英尺，实际上可达 3000米。RS-485最重要的是增加了多点、双向通信能力，RS-232-C接口在总线上只允许连接1个收发器， 即单站能力。而RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器。即具有多站能力, 同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围，这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。因RS-485为半双工的，当用于多站互连时可节省信号线，便于

26、高速、远距离传送。许多智能仪器设备均配有RS-485总线接口，将它们联网也十分方便。因为RS-485接口组成的半双工网络，一般只需二根连线，所以RS-485接口均采用屏蔽双绞线传输。10.2 串行接口标准表10.3 常用串行接口标准的性能10.3 串行通信接口芯片8251A10.3.1 8251A的结构和引脚 1. Intel 8251A 的基本性能:可用于同步和异步传送、接收；同步：58 bit/字符, 可内同步或外同步, 能自动插入同步字符(只能面向字符) ，可以有一个或两个同步字符；异步：58 bit/字符, 时钟速率为波特率的1、16、64倍；可自动产生、检测和处理中止字符, 可产生1

27、、1.5或2个位的停止位；波特率：DC19.2K(异步) DC64K(同步) ；完全双工, 双缓冲发射/接收器；错误检测：具有奇偶错、溢出和帧错的检测能力；全部输入/输出与TTL兼容，+ 5V供电、28只引脚。 10.3.1 8251A的结构和引脚2. 8251A的内部逻辑与外部引脚 (1) 825lA的结构框图及工作原理 8251A是用同步/异步接收发送器 USART，适合作异步起止式协议和同步面向字符协议的接口。 8251A的结构如图10.22所示，分成5个主要部分：接收器、发送器、调制控制、读写控制以及系统数据总线缓冲器。825lA的内部由内部数据总线实现相互之间的通信。10.3.1 8

28、251A的结构和引脚图10.22 8251A 内部结构框图 10.3.1 8251A的结构和引脚(2) 8251A的引脚8251A是一个28个管脚的双列直插式大规模集成电路芯片，根据其内部结构，其管脚分别介绍如下。其管脚封装图参见图10.23所示。1) 控制信号管脚2)发送器部分管脚3）接收器部分管脚4）调制解调接口控制管脚图10.23 8251A管脚封装图10.3.2 8251A的控制字及工作方式 8251A是一个可编程的多功能串行通信接口芯片，在实际使用前必须对它初始化，用来确定其工作方式、传输速率、字符格式以及停止位长度等。8251A有3种控制字，分别为方式选择字、操作命令字和状态字。1

29、. 方式选择字8251A方式选择字的格式如图10.24所示，用于设置通信模式和通信格式，根据不同模式设置不同的模式控制字。 10.3.2 8251A的控制字及工作方式图10.24 8251A方式控制字格式10.3.2 8251A的控制字及工作方式例如，某异步通信中，其数据格式采用8位数据位，l位起始位，2位停止位，奇校验，波特率系数是16，其工作方式字为11011110B=DEH。 MOV DX，309H ；8251命令口 MOV AL，ODEH ；异步工作方式字 OUT DX，AL ； 又如，同步通信中，若帧数据格式为:字符长度8位，双同步字符，内同步方式，奇校验，则工作字是00011100

30、B=1CH。 MOV DX，309H ；8251命令口 MOV AL，1CH ；同步工作方式字 OUT DX，AL ；10.3.2 8251A的控制字及工作方式2. 操作命令控制字操作命令字可以使8251A处于预先规定（初始化设置）的工作状态，操作命令控制字的格式如图10.25所示。图10.25 8251A操作命令控制字格式10.3.2 8251A的控制字及工作方式例如，若要使8251A内部复位，并且允许接收，又允许发送，则程序段为：MOV DX， 309H；8251A命令口 MOV AL， 00H ；空操作，因写入8251中的第一个控 制字必须是工作方式字OUT DX， ALMOV AL，

31、01000000B ；置 D6=1，使内部复位OUT DX， ALMOV AL， 0DEH ；工作方式字OUT DX， ALMOV AL， 00000l01B ；置 D2=1，D0=1，允许接收和 发送 OUT DX， AL10.3.2 8251A的控制字及工作方式3. 状态控制字在8251A工作过程中，随时可以用指令读取当前8251A的状态控制字，了解8251A的工作情况。图10.26 8251A状态控制字格式10.3.2 8251A的控制字及工作方式例如，若要查询8251A接收器是否准备好，则用下列程序段： MOV DX， 309H ；状态口 L： IN AL， DX ；读状态字 AND

32、AL， 02H ；查D1=1？（RXRDY=l？） JZ L ；未准备好，则等待 MOV DX， 308H ；数据口 IN AL， DX ；已准备好，则读数若要检查出错信息，则用下列程序段： MOV DX， 309H ；状态口 IN AL， DX ； TEST AL， 38H ；检查D5 D4 D3三位（FE、OE、PE） JNZ ERROR ；若其中有一位为1，则出错10.3.2 8251A的控制字及工作方式4. 8251A的初始化编程 8251A的方式字、命令字和状态字之间的关系是：方式字只是约定了双方通信的方式（同步异步）及其数据格式（数据位和停止位长度，校验特性，同步字符特性）,传送速

33、率（波特率因子）等参数，但并没有规定数据传送的方向是发送还是接收，故需要命令字来控制发收。但何时才能发收,这就取决于 825lA的工作状态，即状态字。只有当 825lA进入发送接收准备好的状态，才能真正开始数据的传送。因为方式字和命令字均无特征位标志，且都是送到同一命令口地址，所以在向825lA写入方式字和命令字时，需要按一定的顺序。这种顺序是：复位方式字命令字1命令字2。8251A初始化编程框图可以用右图来描述。 10.3.3 8251A的应用举例1. 串行通信接口设计 （1）串行通信接口的基本任务 1) 进行串并转换。 2) 实现串行数据格式化。 3) 可靠性校验。 4) 实施接口与DCE

34、之间的联络控制。 （2）串行接口电路的组成 采用可编程串行接口芯片芯片为核心的串行通信接口电路比较简单，只需附加地址译码电路、波特率发生器以及EIA与TTL电平转换器就可以了。 Intel 8251A是通用同步异步接收发送器USART，适合于作异步起止式协议和同步面向字符协议的接口。利用8251A作为接口电路的主芯片再配置少量附加电路，如波特率发生器、RS232C与TTL电平转换电路、地址译码电路等便可构成串行通信接口电路。10.3.3 8251A的应用举例2. 应用举例【例10.1】异步方式下的初始化编程设在某8086系统中有一片8251A，其占用的端口地址分别为1A0H和1A2H，并要求其工作方式选择为：异步通信，字符用7位二进制数表示，奇校验，2个停止位，波特率系数为64。对其工作状态的要求是：使发送允许TxEN有效，接收允许RxE有效，使数据终端准备好信号有效，复位出错标志，将请求发送信号置于有效电平。分析：其方式选择控制字应该为DBH，操作命令控