单片机串行数据通信技术研讨

单片机串行数据通信技术第八章教学内容8.1串行通信基础知识8.2MCS-51的串行口及控制寄存器8.3MCS-51串行通信工作方式及其应用8.4单片机多机通信8.5PC机与8051间的通信一、数据通信的概念在实际工作种，计算机的CPU与外部设备之间常常要进行信息交换，一台计算机与其他计算机也往往要交换信息，所有这些信息交换均可称为通信。通信实际上也是计算机的数据的传送。数据通信方式有两种：并行数据通信和串行数据通信，如下图所示。串行数据通信是指数据按位顺序进行传送的通信方式。其特点是：数据传送是一位一位进行传送的，最少只需一根传输线即可完成，成本低但速度慢。计算机与外界的数据传送大多数是串行的，其传送的距离可以从几m到几千km。下图两种通信方式连接

并行数据传送是指数据的各位同时进行传送的通信方式。其特点是：各数据位同时传送，传送速度快、效率高。但并行数据传送有多少数据位就需多少根数据线，因此传送成本高。并行数据传送的距离通常小于30m，在计算机内部的数据传送都是并行的。8.1串行通信基础知识图8-1两种通信方式连接8.1串行通信基础知识一、异步串行通信的字符格式

异步串行通信以字符为单位，即一个字符一个字符的传送。帧图515异步串行通信的字符格式起始位数据位[0~（n1）位]奇偶位停止位起始位位时间8.1串行通信基础知识⑶奇偶效验位——用于对字符的传送作正确性检查，因此奇偶效验位是可选择的，共有3种可能，即奇效验、偶效验和无效验，由用户根据需要选定。

⑴起始位——开始一个字符的传送的标志位。起始位使数据线处于“0”状态。⑵数据位——起始位之后传送的数据信号位。在数据位中，低位在前（左）高位在后（右）。由于字符编码方式的不同，数据位可以是5、6、7或8位。⑷停止位——用以标志一个字符的结束，它对应于“1”状态。停止位在一帧的最后，它可能是1、1.5或2位，在实际中根据需要确定。

8.1串行通信基础知识⑸位时间——一个格式位的时间宽度。⑹帧（frame）——从起始位开始到停止位结束的全部内容称之为一帧。帧是一个字符的完整通信格式，因此也就把串行通信的字符格式称之为帧格式。8.1串行通信基础知识同步通信下图同步通信的数据格式同步通信中，在数据开始传送前用同步字符来指示（常约定1～2个），并由时钟来实现发送端和接收端同步，即检测到规定的同步字符后，下面就连续按顺序传送数据，直到通信告一段落。同步传送时，字符与字符之间没有间隙，也不用起始位和停止位，仅在数据块开始时用同步字符SYNC来指示，其数据格式如图8-3所示。同步字符的插入可以是单同步字符方式或双同步字符方式，如图8-3所示，然后是连续的数据块。同步字符可以由用户约定，当然也可以采用ASCII码中规定的SYN代码，即16H。按同步方式通信时，先发送同步字符，接收方检测到同步字符后，即准备接收数据。二、同步串行通信8.1串行通信基础知识图8-3同步通信的数据格式

在同步传送时，要求用时钟来实现发送端与接收端之间的同步。为了保证接收正确无误，发送方除了传送数据外，还要把时钟信号同时传送。同步传送的优点是可以提高传送速率（达56kbps或更高），但硬件比较复杂。8.1串行通信基础知识三、串行通信的数据通路形式

1、单工（Simplex）形式单工形式的数据传送是单向的，通信双方中一方固定为接收端。单工形式的串行通信，只需要一条数据线，如图所示数据线2接收发送端接收发送端数据线1全双工形式串行通信数据线接收发送端接收发送端半双工形式串行通信发送端接收端数据线单工形式串行通信8.1串行通信基础知识2、半双工工（Half-duplex）形式半双工形式式的数据传传送也是双向的，但任何时刻只只能由其中中的一方发发送数据，，另一方接接收数据。因此半双双工形式既既可以使用用一条数据据线，也可可以使用两两条数据线线，如上图图所示。3、全双工工（Full-duplex）形式全双工形式式的数据传传送是双向的，且可以同时发送和和接收数据据，因此全双双工形式的的串行通信信需要两条条数据线，，如上图所所示。8.1串串行通信基基础知识四、异步串串行通信的的信号形式式1、近程通通信近程通信又又称本地通通信。近程通信采采用数字信号直接传送形形式，即在在传送过程程中不改变原数数据代码的的波形和频频率。这种数据传传送方式称称之为基带传送方方式。计算机内部部的数据信信号是TTL电平标标准，而通通信线上的的数据信号号却是RS232C电电平标准。。然而，尽尽管电平标标准不同，，但数据信号的的波形和频频率并没有有改变。近程串行行通信只需需用传输线线把两端的接接口电路直直接连起来来即可实现，，既方便又又经济。8.1串串行通信基基础知识寄存器串行接口TTL电平寄存器串行接口TTL电平计算机A计算机BRS-232电平标准近程串行通信8.1串串行通信基基础知识2、远程通通信在远程串行行通信中，，应使用专用的通信信电缆，但出于经经济上的考考虑也可以以使用电话话线作为传传输线。数字信号计算机MODEM计算机电话线MODEM图517远程串行通信模拟信号数字信号远距离直接接传送数字字信号，信信号会发生生畸变，因因此要把数字信号号变为模拟拟信号再进进行传送。信号形式式的转变通通常使用频率调制法法，即以不同频率率的载波信信号代表数数字信号的的两种不同同电平状态态。这种数据据传送方式式就称为频带传送方式。8.1串串行通信基基础知识五、波特率率和接收/发送时钟钟（一）波特特率波特率，即即数据传送送速率，表表示每秒钟钟传送二进进制代码的的位数，它它的单位是是位/秒（（bps））。波特率率对于CPU与外界界的通信是是很重要的的。假设数数据传送速速率是120bps，而每个个字符格式式包含10个代码位位（1个起起始位、1个终止位位、8个数数据位），，这时传送送的波特率率为：l0×l20bps=1200bps每一位代码码的传送时时间td为波特率的的倒数。波特率是衡衡量传输通通道频宽的的指标，它它和传送数数据的速率率并不一致致。如上例例中，因为为除掉起始始位和终止止位，每一一个数据实实际只占8位，所以以数位的传传送速率为为：8×120bps=960bps异步通信的的传送速度度在50～～9200bps之间，常常用于计算算机到终端端机和打印印机之间的的通信、直直通电报以以及无线电电通信的数数据发送等等。8.1串串行通信基基础知识（二）接收收/发送时时钟在串行通信信过程中二二进制数字字系列以数数字信号波波形的形式式出现，不不论接收还还是发送，，都必须有有时钟信号号对传送的的数据进行行定位。接接收/发送送时钟就是是用来控制制通信设备备接收/发发送字符数数据速度的的，该时钟钟信号通常常由微机内内部时钟电电路产生。。在接收数据据时，接收收器在接收收时钟的上上升沿对接接收数据采采样，进行行数据位检检测；在发发送数据时时，发送器器在发送时时钟的下降降沿将移位位寄存器的的数据串行行移位输出出。如下图图所示。接收/发送送时钟频率率与波特率率有如下关关系：收/发时钟钟频率=n×收/发波波特率收/发波特特率其中中频率系数数n=1,16,64。对于同步传传送方式，，必须取n=l，即接接收/发送送时钟的频频率等于收收/发波特特率。对于于异步传送送方式,n=1，16，64，，即可以选选择的接收收/发送时时钟频率是是波特率的的1，16或64倍倍。因此，，可由要求求的传送波波特率及所所选择的倍倍数n来确定接收收/发送时时钟的频率率。8.1串串行通信基基础知识（a）接收时钟（b）发送时钟图8-7接收/发送时钟8.1串串行通信基基础知识（三）允许许的波特率率误差六、串行通通信的过程程及通信协协议（一）串-并转换与与设备同步步发送时的串串-并转换换8.1串串行通信基基础知识接收时的串串-并转换换8.1串串行通信基基础知识（二）串行行通信协议议1．起始位位当通信线上上没有数据据被传送时时处于逻辑辑“1”状状态。当发发送设备要要发送一个个字符数据据时，首先先发出一个个逻辑“0”信号，，这个逻辑辑低电平就就是起始位位。起始位位通过通信信线传向接接收设备，，接收设备备检测到这这个逻辑低低电平后，，就开始准准备接收数数据位信号号。起始位位所起的作作用就是使使设备同步步，通信双双方必须在在传送数据据位前协调调同步。2．．数数据据位位当接收设设备收到到起始位位后，紧紧接着就就会收到到数据位位。数据据位的个个数可以以是5、、6、7或8，，PC机机中经常常采用7位或8位数据据传送，，8051串行行口采用用8位或或9位数数据传送送。这些些数据位位被接收收到移位位寄存器器中，构构成传送送数据字字符。在在字符数数据传送送过程中中，数据据位从最最低有效效位开始始发送，，依次在在接收设设备中被被转换为为并行数数据。8.1串串行通通信基础础知识3．奇偶偶校验位位数据位发发送完之之后，便便可以发发送奇偶偶校验4．停止止位约定定在奇偶位位或数据据位(当

8.1串串行通通信基础础知识5.波波特率设设置通信线上上传送的的所有位位信号都都保持一一致的信信号持续续时间，，每一位位的宽度度都由数数据传送送速率确确定，而而传送速速率是以以每秒多多少个二二进制位位来度量量的，这这个速率率叫波特特率。如如果数据据以每秒秒300个二进进制位在在通信线线上传送送，那么么这个传传送速率率为300bps。6.软软件挂钩钩（握手手）信号号约定8.1串串行通通信基础础知识七、RS-232C总总线标准准标准异步步串行通通信接口口有以下下几类:①RS-232C，，RS-232E；②RS-449（RS-422,RS-423和RS-485③20mA电流环；④USB通用接口。所谓标准接口，就是明确定义若干信号线，使接口电路标准化、通用化，借助串行通信标准接口，不同类型的数据通信设备可以很容易实现它们之间的串行通信连接。8.1串串行通通信基础础知识RS-232C标准中中的许多多信号是是为通信信业务联联系或信信息控制制而定义义的，在在计算机机串行通通信中主主要使用用如下信信号:下下图DB25连接接器机械械结构图图（1）数数据传送送信号发送数据据（TXD）接收信号号（RXD）（2）调调制解调调器控制制信号清除发送（CTS）数据通信设备准备就绪（DSR）数据终端设备准备就绪（DTR）（3）定位信号接收时钟（RXC）发送时钟（TXC）（4）信号地和保护

8.1串串行通通信基础础知识①除信信号定义义外，RS-232标标准的其其他规定定还有：：RS-232C是一种种电压型型总线标标准，以以不同极极性的电电压表示示逻辑值值：－3～－－25V表示逻逻辑l（（mark）＋3～+25V表示示逻辑0（space）②标准准数据传传送速率率有50、75、110、150、、300、6

③采用标准的25芯插头座（DB-25）进行连接，因此该插头座也称之为RS-232C连接器，DB25连接器机械结构见下图。8.1串串行通通信基础础知识表8-1RS-232信信号引脚脚定义8.1串串行通通信基础础知识八、串行行接口电电路———通用的的异步接接收/发发送器(UART)FE控制电路发送数据缓冲器TBEETXCRXCCOEPERXDTXD奇偶错溢出错帧错UART接收数据缓冲器接收移位寄存器发送移位寄存器INTDBUART硬件框图RESTWERDCS8.1串串行通通信基础础知识图8-11URAT基本本组成框框图8.1串串行通通信基基础知知识现把UART的的主要要功能能综述述如下下1．数数据的的串行行化/反串串行化化所谓串串行化化处理理就是是把并并行数数据变变换为为串行行数据据。所所谓反反串行行化就就是把把串行行数变变换为为并行行数据据。在在UART中，，完成成数据据串行行化的的电路路属发发送器器，而而实现现数据据反串串行化化处理理的电电路则则属接接收器器。2．格格式信信息的的插入入和滤滤除格式信信息是是指异异步通通信格格式中中的启启始位位、奇奇偶位位和停停止位位等。。在串串行化化过程程中，，按格格式要要求把把格式式信息息插入入，与与数据据位一一起构构成串串行数数据位位串，，然后后进行行串行行数据据传送送。在在反串串行化化过程程中，，则把把格式式信息息滤除除而保保留数数据位位。3．错错误检检验错误检检验的的目的的在于于检验验数据据通信信过程程是否否正确确。在在串行行通信信中可可能出出现的的错误误包括括奇偶偶错和和帧错错等。。8.1串串行通通信基基础知知识MCS-51串串行口口寄存存器结结构串行口口寄存存器结结构MCS-51单单片机机串行行口中中寄存存器的的基本本结构构如下下图所所示。。图中SBUF是是串行行口的的缓冲冲寄存存器，，它是是一个个可寻寻址的的专用用寄存存器，，其中中包括括发送送寄存存器和和接收收寄存存器，，以便便能以以全双双工方方式进进行通通信。。这两两个寄寄存器此外，在接收寄存器之前还有移位寄存器，从而构成了串行接收的双缓冲结构，以避免在数据接收过程中出现帧重叠错误。与接收数据情况不同，发送数据时，由于CPU是主动的，不会发生帧重叠错误，因此发送电路就不需双重缓冲结构。8.2MCS-51的的串串行行口口及及控控制制寄寄存存器器图8-12MCS-51串串行行口口寄寄存存器器结结构构8.2MCS-51的的串串行行口口及及控控制制寄寄存存器器发送SBUF（99H）接收SUBF（99H）输入移位寄存器TI（发送中断）TXD串行输出8051内部总线RXD串行输入RI（接收输入）移位时钟图5-23MCS-51串行口寄存器结构8.2MCS-51的的串串行行口口及及控控制制寄寄存存器器在接接收收方方式式下下，，串串行行数数据据通通过过引引脚脚RXD（（P3.0）进入。由由于在接收收寄存器之之间还有移移位寄存器器，从而构构成了串行行接收的双双缓冲结构构，以避免免在数据接接收过程中中出现帧重叠错误误，即在下一一帧数据来来时，前一一帧数据还还没有读走走。在发送方式式下，串行行数据通过过TXD（P3.1）送出。与与接收数据据情况不同同，发送数数据时，由由于CPU是主主动的，不不会发生帧帧重叠错误误，因此发发送电路就就不需双重缓缓冲结构，，这样可以以提高数据据发送速度度。8.2MCS-51的串行行口及控制制寄存器二、串行通通信控制寄寄存器1、串行控控制寄存器器SCON（99H）位地址9FH9EH9DH9CH9BH9AH99H98H位符号SM0SM1SM2RENTB8RB8TIRISM0SM1工作方式功能波特率00方式0同步移位寄存器fosc/1201方式18位异步收发由定时器T1控制10方式29位异步收发fosc/32或/6411方式39位异步收发由定时器T1控制8.2MCS-51的串行行口及控制制寄存器SM2是多机通信信控制位。。因多机通通信是在方方式2和方方式3下进进行，所以以SM2位主要用于于方式2和和方式3。。当串行口口以方式2或方式3接收时，，如SM2=1，则只有当接接收到的第第9位数据（RB8）为“1”时，才将接收到的的前8位数据送入SBUF，并置位RI产生中断请请求；否则则，将接收收到的前8位数据丢丢弃。而当当SM2=0时，不论第第9位数据为““0”还是为““1”，都将前8位数数据装入SBUF中中，并产生中中断请求。在方式1时时，若SM2=1，则则只有接收收到有效停停止位时，，RI才置置1，以便便接收下一一帧数据。。在方式0时时，SM2必须为0。。REN是允允许接收位位，当REN=1时，允允许接收数数据，当REN=0时，，禁止接收收数据。该该位由软件件置位位或复复位。。8.2MCS-51的的串行行口及及控制制寄存存器TB8是发送送数据据的第第9位位。在方式式2、、3时时，其其值由由用户户通过过软件件设置置。在双双机通通信时时，TB8一般作作为奇奇偶效效验位位使用用；在在多机通通信中中，常常以TB8位的状状态表表示主主机发发送的的是地地址帧帧还是是数据据帧，，且一一般约约定：：TB8=0为数数据帧帧，TB8=1为地地址帧帧。RB8是接收收数据据第9位。。在方式式2、、3时时，RB8存放接接收到到的第第9位位数TI是是发送送中断断标志志位。。在方方式0时，，发送送完第第8位位后，，该位位由硬件置置位。在其其它方方式下下，于于发送送停止止位之之前，，由硬件置置位。。8.2MCS-51的的串行行口及及控制制寄存存器TI=1表示示帧发发送结结束，其状状态既既可供供软件件查询询使用用，也也可请请求中中断。。发送送中断断被响响应后后，TI不不会自自动复复位，，必须须由软件复复位。RI是是接收收中断断标志志位。在方方式0时，，接收收完第第8位位数据据后，，该位位由硬件置置位。在其其它方方式下下，当当接收收到停停止位位时，，该位位由硬件置置位。因此此，RI=1表表示帧帧接收收结束束。其其状态态既可可供软软件查查询使使用，，也可可以请请求中中断。。RI亦必必须由由软件清清“0”。2、电电源控控制寄寄存器器PCON电源控控制寄寄存器器是为为CHMOS型型单片片机（（如80C51）的的电源源控制制而设设置的的专用用寄存存器。。字节节地址址为87H。其其格式式如下下：8.2MCS-51的的串行行口及及控制制寄存存器位序D7D6D5D4D3D2D1D0位符SMOD///GF1GF0PDID在HMOS的单单片机机中，，该寄寄存器器中除除最高高位之之外，，其它它位都都没有有定义义。最高位位（SMOD））是串串行口口波3、中中断允允许寄寄存器器IEES=0禁禁止止串行行中断断ES=1允允许串行行中断8.2MCS-51的串行行口及控控制寄存存器位序AFAEADACABAAA9A8位符号EA//ESET1EX1ET0EX08.2MCS-51的串行行口及控控制寄存存器一、串行行口工作作方式0在方式0下,是是把串行行口作为为同步移位位寄存器器使用,这这时以RXD(P3.0)端端作为数数据移位位的入口和出口,而由由TXD(P3.1)端端提供移位时钟钟脉冲.移位数数据的发发送和接接收以8位为一一组,低低位在前前高位在在后。1、数据据的发送送与接收收DATACD4094CLKSTB并行输出80C51RXD

TXDP1.0Q8CD4014CLKP/S并行输入80C51RXD

TXDP1.0串行口与CD4094配合串行口与CD4014配合8.3MCS-51串行通通信工作作方式及及其应用用DATACD4094CLKSTB80C51RXDTXDP1.0串行移位位输出电电路8.3MCS-51串行通通信工作作方式及及其应用用串行移位位输出电使用CD4094的并行输出端接8只发光二极管，利用它的“串入并出”功能，把发光二极管从左向右依次点亮，并反复循环。假定发光二极管为共阴极型，则电路连接如上图所示。当串行口把8位状态码串行移位输出后，TI置1。如把TI作为状态查询标志，则使用查询方法完成的参考程序如下：8.3MCS-51串行通通信工作作方式及及其应用用MOVSCON，#00H；串行口方式0工作CLRES；禁止串行中断MOVA，#80H；发光管从左边亮起DELR：CLRP1.0；关闭并行输出MOVSBUF，A；串行输出JNBTI，$；状态查询SETBP1.0；开启并行输出ACALLDELAY；状态维持CLRTI；清发送中断标志RRA；发光右移AJMPDELR；继续8.3MCS-51串行通通信工作作方式及及其应用用二、串行行口工作作方式1方式1是是10位位为一帧帧的异步步串行通通信方式式。共包包括1个个起始位位，8个个数据位位和1个个停止起始D0D1D2D3D4D5D6D7停止⑴数据据的发送送与接收收方式1的的数据发发送是由由一条写发送缓缓冲器（（SBUF）的指令开开始的，，随后在在串行口口由硬件自自动加入入起始位位和停止止位，构成一一个完整整的帧格格式，然然后在移移位脉冲冲的作用用下，由由TXD端串行行输出。。一个字符符帧发送送完后，，使TXD输出线线维持在在“1””状态下下，并将SCON寄存器器的TI置““1”，通知CPU可可以接着着发送下下一个字字符。8.3MCS-51串行通通信工作作方式及及其应用用接收收数数据据时时，，SCON的的REN位位应应处处于于允允许许接接收收状状态态（（REN=1））。。在在此此前前提提下下，，串串行行口口采采样样RXD端端，，当当采样样到到从从““1””向向““0”的状状态态跳跳变变时时，，就就认认定定是是接接收收到到⑵波波特方式式0的的波波特特率率是是固固定定的的（（fosc/12）），，但但方方式式1的的波波特特率率则则是是可可变变的的。。若若以以定定时时器器1作作波波特特率率发发生生器器，，则则方式1的波波特率率=2SMOD×（定时器1溢出率）32当定时时器1作波波特率率发生生器使使用时时，选用定定时方方式2。之所所以选选择工工作方方式2，是是因为为方式式2具具有自动加加载功功能，可以以避免免通过过程序序反复复装入入初值值所引引起的的定时误误差，使波波特率率更稳稳定。。8.3MCS-51串串行通通信工工作方方式及及其应应用假定计计数初初值为为X，，则定定时器器1溢溢出周周期为为：12fosc=（256-X）溢出率率为溢溢出周周期的的倒数数。故波波特率率计算算公式式为：：实际使使用时时，总总是先先确定定波特特率，，再计计算定定时器器1的的计数数初值值，然然后进进行定定时器器的初初始化化。根根据上上述波波特率率计算算公式式，得得出波特率=2SMOD32×fosc12×（256-X）X=2SMOD×fosc32×12×波特率256-8.3MCS-51串行通通信工作作方式及及其应用用三、串串行工作作方式2和方式式3⑴方式2方式2是是11位位为一帧帧的串行行通信方方式。起始D0D1D2D3D4D5D6D7D8停止在方式2下，字字符还是是8个数数据位，，只不过过增加了一一个第9数据8.3MCS-51串行通通信工作作方式及及其应用用在发送数数据时，，应预先先在SCON的的TB8位中把把第9数据据位的的内容容准备备好。。这可可使用用如下下指令令完成成：SETBTB8；TB8位置““1””CLRTB8；TB8位置““0””发送数数据（（D0~D7）由MOV指令令向SBUF写写入，，而D8位的内内容则则由硬硬件电电路从从TB8中直接接送到到发送送移位位寄存存器的的第9位，并以以此来来启动动串行行发送送。一一个字字符帧帧发送送完毕毕后，，将TI位位置““1””，其其它过过程与与方式式1相相同。。方式2的接接收过过程也也与方方式1基本本相似似，所所不同同的只只在第第9数数据位位上。。8.3MCS-51串串行通通信工工作方方式及及其应应用方式2，串串行口口把接接收到到的前前8个个数据据位送送入SBUF，，把第第9数数据位位送入入RB8。方式2的波波特率率是固固定的的，且有有两种种。一一种是是晶振振频率率的三三十二二分之之一；；另一一种是是晶振振频率率的六六十四四分之之一。。波特率=2SMOD64×fOSC⑵方方式3方式3同样样是11位位为一一帧的的串行行通信信方式式，其其通信信过程程与方方式2完全全相同同，所所不同同的仅仅在于于波特特率。。方式3的波波特率率可由8.3MCS-51串串行通通信工工作方方式及及其应应用

TXDRXD8031主机TXDRXD80310#从机TXDRXD80311#从机TXDRXD8031n#从机主从式多机通信连接方式单片机机的多多机通通信是是指一一台主主机和和多台台从机机之间间的通通信，，其连连接如如从主8.4单单片机机多机机通信信把多机机通信信的过过程总总结如如下：：1）全部从从机初始化化为工作方方式2或方方式3，置置位SM2，允许许中断。2）主机置置位RB8，发送送要寻址的的从机地址址。3）所有从从机均接收收主机发送送的地址，，并各自进进入中断服服务程序，，进行地址址比较。4）被寻址址的从机确确认后，把把自身的SM2清清0，并向向主机返回回地址供主主机核对。。5）核对无无误后，主主机向被寻寻址的从机机发送命令令，通知从从机是进行行数据接收收还是进行行数据发送送。6）主从机机之间进行行数据通信信。8.4单单片机多机机通信从机状态字字格式为：：

ERR

0

0

0

0

0

TRDY

RRDY其中：ERR=1，，从机接收收到非法命命令；TRDY=1，从机机发送准备备就绪；RRDY=1，从机机接收准备备就绪。通信程序包包括主机程程序和从机机程序两部部分。应用举例———主从式式多机通信信8.4单单片机多机机通信主机程序N接收数据块块NYY主机子程序序命令从机复复位从机应答发送命令字字从机应答N命令令正正确确？？命令令分分类类00H（（发发））01H（（收收））从机机接接收收就就绪绪？？发送送数数据据块块返回回N从机机发发送送就就绪绪？