第六章 MCS-51串行通信技术

第六章MCS-51串行通信技术

主要内容：1.串行通信基础2.MCS-51串行接口的结构和工作原理3.MCS-51串行接口的工作方式4.MCS-51串行接口的应用编程讲述重点：1.MCS-51串行接口的工作原理及工作方式2.MCS-51串行接口应用程序设计方法第六章-------1wyx

6.1串行通信基础

1.并行通信并行通信是指所传送的数据各位同时进行传送。其优点是传送速度快，缺点是传输线多，通信线路费用较高，并行传送适用于近距离、传送速度高的场合。2．串行通信串行通信时，传送数据的各位按分时顺序一位一位地传送(例如先低位、后高位)。其优点是传输线少，传送通道费用低，故适合长距离数据传送。缺点是传送速度较低。当通信的距离在30m以上时，应采用串行通信方式。

一、并行通信与串行通信第六章-------2wyx串行通信是系统A和系统B进行数据交换的过程，该过程按照系统间通信的方向和时间关系，可分为单工、半双工和全双工。1.单工方式——通信双方只有一条单向传输线，只允许数据由一方发送，另一方接收。2．半双工方式——通信双方只有一条双向传输线，允许数据双向传送，但每个时刻上只能有一方发送，另一方接收，这是一种能够切换传送方向的单工方式，3．全双工方式——通信双方有两条传输线，允许数据同时双向传送，其通信设备应具有完全独立的收发功能。二、串行通信的分类第六章-------3wyx三、串行通信的方式为了准确地发送、接收信息，发送者和接受者双方必须协调工作。这种协调方法，从原理上可分成两种：异步串行通信和同步串行通信。1．异步通信方式异步通信方式时，数据一帧一帧地传送，不需要同步时钟，实现简单。在异步方式中，为了避免连续传送过程中的误差积累，每个字符都要独立确定起始和结束位，是以字符为单位进行传输，其通信协议是起止式异步通信协议(Protocol)。字符与字符之间的传送是异步的，而字符的位与位之间是同步的。第六章-------4wyx2．同步通信方式

在同步通信中，在数据或字符开始传送前用同步字符(SYNC)来指示(常约定l～2个)，由同一个时钟信号来实现发送端和接收端同步，当检测到规定的同步字符后，接下来就连续按顺序传送数据。同步通信方式由于不采用起始和停止位，是在同步字符后可以接较大的数据区，同步字符所占部分很小，因此有较高的传送效率。第六章-------5wyx3．说明异步通信：1）两个字符间的间隔任意2）发送时钟与接收时钟不必完全同步，只要比较接近3）在同一传输系统中，通信双方协议的数据格式是相同的同步通信：1）字符间不允许有间隔，在没有信息传输时，要填上同步字符2）接收端在收到确定数量的同步字符后，才认为传输开始3）要求通信双方保持完全的同步MCS-51单片机中串行接口只可实现异步串行通信方式第六章-------6wyx

假如数据传送的速率是120个字符／秒，每一个字符规定包含10个位(一个起始位、8个数据位和1个停止位)，则传送的波特率为：10×120＝1200位／秒＝1200波特(bps)每一位的传送时间即为波特率的倒数四、波特率在通信中发、接双方有两次约定字符格式————帧格式传送速率————波特率

波特率是通信双方对数据传送速率的约定，表示每秒钟传送二进制数码的位数，单位是bps。在串行通信中，要求发送方和接收方必须有相同的波特率，目前串行通信中常用的波特率有19200,9600,4800,2400,600和300等。第六章-------7wyx

6.2MCS-51的串行通信接口

一、串行接口的结构及工作原理基本组成：两个独立的数据缓冲器SBUF(一个用作接收，一个用作发送)以及发送控制器、接收控制器、输入移位寄存器和输出控制门等组成。第六章-------8wyx

用户可访问的三个地址单元：SBUF：两个SBUF共用一个地址99H。发送SBUF只写不读，接收SBUF只读不写，由所用指令是发送还是接收来决定对哪个SBUF进行操作；SCON：串行口控制寄存器PCON：电源控制寄存器二、串行口控制寄存器SCONSCON是一个可位寻址的专用寄存器，用来设定串行口的工作方式、控制串行口的接收/发送以及状态标志。SCON的字节地址为98H，位地址为98H～9FH。其格式如下：

1）SM0、SMl：串行口工作方式选择位，可选择四种工作方式SM0SM1工作方式功能波特率00方式0同步移位寄存器

fosc/1201方式110位异步收发由定时器控制10方式211位异步收发fosc/32或fosc/6411方式311位异步收发由定时器控制第六章-------9wyx2SMOD×fosc642）SM2：为多机通信控制位在方式0中：必须使SM2＝0在方式1中：SM2也设置为0，此时只有接收到有效的停止位时，才能置位RI。在工作方式2和方式3中：若SM2＝1：当接收到第9位数据（RB8）为1，才将接收到的前8位数据装入SBUF，并置位RI；否则将接收到的数据丢弃。若SM2＝0：不论第9位数据（RB8）是否为1，都将接收到的前8位数据装数据装入SBUF，并置位RI。3）REN：允许接收控制位。该位由软件置位或清零。4）TB8：在工作方式2或方式3时，该位为发送的第9位数据，可按需要由软件置位或清零。在许多通信协议中，该位常作为奇偶校验位。在MCS-5l多机通信中，TB8的状态用来表示发送的是地址帧还是数据帧，TB8＝1时，为地址帧，TB8＝0时，为数据帧。

多机通信时，SM2必须置1。双机通信时，通常使SM2＝0。第六章-------10wyx6）TI：发送中断标志位。方式0中，串行发送完第8位数据后，由硬件置位；在其它方式中，在发送停止位开始时，由硬件置位。TI＝1时，表示帧发送结束，其状态既可供软件查询使用，也可申请中断。在任何方式中，TI都必须由软件清0。7）RI：接收中断标志。在方式0中，接收完第8位数据后，由硬件置位；在其它方式中，当接收到停止位的中间时由硬件置位。RI＝1时，表示帧接收结束，其状态既可供软件查询使用，也可申请中断。RI也必须靠软件清0。单片机复位时，SCON中的所有位均为0。

注意：不管是否采用中断控制，数据发送前必须用软件将TI清零；接收数据后将RI清零；5）RB8：在工作方式2或方式3时，存放接收到的第9位数据，代表着接收数据的某种特征。例如，可能是奇偶校验位，或为多机通信中的地址／数据标识位。在方式0中，RB8未用。在方式1中，若SM2＝0，则RB8用于存放接收到的停止位。第六章-------11wyx

PCON的直接地址为87H，不能位寻址。PCON中只有最高位SMOD与串行口工作有关，其余几位用于电源的控制。PCON的格式如下：SMOD：波特率选择位。在方式1、方式2和方式3时，串行通信的波特率和2SMOD成正比。即当SMOD=1时，波特率乘2；当SMOD=0时，波特率不变。GF1和GF0：通用标志位，用户可以通过指令改变它们的状态。PD：掉电控制位。主要针对CHMOS型单片机设计，当PD为高电平时，单片机工作于掉电（停机）方式。IDL：空闲控制位。也是针对CHMOS型单片机设计，当IDL为高电平时，单片机工作于空闲（等待）方式。三、电源控制寄存器PCON第六章-------12wyx

MCS-51单片机的串行口为可编程口，可编程选择四种工作方式，其中方式0主要用于扩展并行输入输出口，方式1～方式3为异步串行通信方式。

1.方式0

串行口工作方式0为同步移位寄存器输入输出方式，其数据传输波特率固定为fosc/12。串行数据由RXD(P3.0)端输入/输出，同步移位脉冲由TXD(P3.1)端输出。数据的发送/接收以8位为一帧，低位在前，无起始位、奇偶位及停止位。执行一条写SBUF指令就开始发送；接收完成后8位数据进入SBUF。四、串行接口的工作方式

RXDTXDAB74LS164CLK

QAQBQCQDQEQFQGQH

如图为外接移位寄存器作并行输出的电路。串入并出移位寄存器第六章-------13wyx方式1下的传送波特率是可变的，取决于定时器T1的溢出速率。2.方式1串行口工作在方式1时，是作为10位异步通信接口，发送/接收的一帧数据包括10位：1位起始位，用0来标识，8位数据位(低位在前)，1位停止位，用1来标识。其帧格式为：1）发送过程

当CPU执行任何一条写入SBUF的指今后，便启动串行口发送，发送的数据由TXD端输出。串行接口能自动地在数据的前后插入一位起始位和一位停止位，在发送移位脉冲的作用下依次从TXD端发送，发送完一帧信息时。发送中断标志TI置1，请求中断。第六章-------14wyx2）接收过程当允许接收控制位REN=1时，CPU便以所选波特率的16倍速率采样RXD端电平。当接收电路连续8次采样到RXD线为低电平时，相应检测器便可确认RXD线上有起始位。此后，接收电路就改为对第7、8、9三个脉冲采样到的值进行位检测，并以三中取二的原则来确定所采样数据的值。当一帧数据接收完毕，以下两个条件同时满足：（1）RI＝0，即上一帧数据接收完成时，RI＝1的中断请求已被响应，SBUF中的数据已被取走；（2）SM2＝0或接收到停止位为1。则这次接收才有效，将8位数据装入接收缓冲器SBUF，停止位装入RB8，并将RI置1，申请中断。否则数据将丢失。第六章-------15wyx3.方式2和方式3

串行口工作在方式2和方式3时，均为11位异步通信接口。由TXD发送，RXD接收。发送／接收的一帧11位信息组成为：l位起始位(0)，8位数据位(低位在前)，1位可编程位(第9数据位)和1位停止位(1)。发送时，可编程位(TB8)可设置为0或l，也可将奇偶校验位装入TB8，从而进行奇偶校验；接收时，可编程位送入SCON中的RB8。

方式2和方式3的工作原理类同，唯一的区别仅在于：方式2的波特率为fosc／32或fosc／64，而方式3的波特率是可变的，取决于定时器Tl的溢出率。

第六章-------16wyx帧格式如图：1）发送过程

发送前，先根据通信协议由软件设置SCON中的TB8。当CPU执行一条写入SBUF的指令后，便立即启动发送器开始发送。串行口能自动地将TB8装入到第9位数据位的位置，再逐一由TXD端发送出去。发送完一帧信息时，置TI为1，请求中断。2）接收过程

当REN＝1时，CPU开始对RXD不断采样，采样速率仍为波特率的16倍，采样过程与方式1相同。当采至最后一位时，若以下2个条件满足，才将8位数据装入SBUF，第9位数据装入RB8并置位RI＝1。（1）RI＝0，意味着SBUF中的数据已被取走，缓冲器为空；（2）SM2＝0或接收到的第9位数据位为1时。第六章-------17wyx3）用第9位数据作奇偶校验位方式2、方式3也可以像方式1一样用于点对点的异步通信。在数据通信中由于传输距离较远，数据信号在传送过程中会产生畸变，从而引起误码。通常可在通信软件上采取纠错措施。MOVA,@R0MOVC,PMOVTB8,C

如将作为第9位数据作奇偶校验位，将其置入TB8位一同发送。在接收端的接收程序将数据的奇偶校验值与RB8进行比较MOVA,SBUF判断校验位…….第六章-------18wyx发送端发送数据及其奇偶校验位的程序段为：

TT：MOVSCON，#80H；串口方式2MOVA，@R0；取待发送的数据MOVC，PSW.0；奇偶标志位置入TB8中MOVTB8，CMOVSBUF，A；启动发送，数据连同校验位一块发送LOOP：JBCTI，NEXTSJMPLOOPNEXT：……第六章-------19wyx接收端应取出该奇偶位进行核对，若接收到的奇偶位（RB8）与接收到数据的奇偶位相同，则认为接收数据正确。相应的接收程序段应为：

MOVSCON，#90H；方式2允许接收（REN为1）LOOP：JBCRI，RECN；等待接收

SJMPLOOPRECN：MOVA，SBUF；读入接收的一帧数据JBPSW.0，ONE；接收数据的奇偶值为1，转ONEJBRB8，ERR；接收数据的奇偶值为0，而RB8＝1，转ERRSJMPREXTONE：JNBRB8,ERR；RB8＝0，转ERRREXT:……；接收正确处理ERR:……

；接收有错处理第六章-------20wyx

串行口在不同的工作方式下。其波特率是不同的。在方式0时，每个机器周期发送或接收一位数据，因此波特率固定为fosc／12。方式2的波特率也是固定的，其波特率＝2SMOD×fosc／64，其中SMOD为波特率加倍位，它附设在电源控制寄存器PCON的最高位，可由软件编程选择。

若SMOD＝0，波特率＝2SMOD×fosc／64=fosc／64；

若SMOD＝1，波特率＝2SMOD×fosc／64=fosc／32。波特率＝×T1溢出率4.串行口的通信波特率

方式1和方式3的波特率可变，与定时器T1或T2的溢出率有关。51子系列中常用定时器T1作为波特率发生器，这时方式1和方式3的波特率由定时器T1的溢出率和SMOD确定如下：第六章-------21wyx

其中T1溢出率取决于其计数速率和定时器的初值。通常采用T1的工作方式2，即自动重装载方式作为波特率发生器。为了避免因溢出而产生不必要的中断，此时应禁止T1中断。（256－X）×T机

则串行口方式1或3的波特率：实际应用中，通常是先确定波特率、再计算定时器T1的计数初值，然后进行T1的初始化。由上面波特率的计算公式，可求出定时器T1方式2的计数初值为：T1溢出周期为：T1的溢出率：第六章-------22wyx例6-1：选用定时器T1，工作方式2作波特率发生器，波特率为2400bps。已知fosc＝11.0592MHz，求计数初值X。解：设波特率控制位SMOD＝0，不增倍时＝256-(11.0592×106×20)／(384×2400)＝0F4H如果串行通信选用很低的波特率，设置定时器T1为方式0或方式l定时模式时，当T1产生溢出时，需要重装计数初值，故波特率会产生一定的误差。第六章-------23wyx五、串行口的初始化在使用串行口之前，必须对它进行初始化编程。主要是设置产生波特率的定时器T1、串行口控制和中断控制。一般步骤如下：1.对TMOD寄存器送控制字，确定定时器T1的工作方式；(方式1/3)2.根据所需的波特率，计算定时器T1的计数初值，并装入初值寄存器，启动定时器T1工作；(方式1/3)3.对SCON寄存器送控制字，设定串行口的工作方式（方式0/2不需前两个步骤；4.对PCON寄存器送控制字，设置SMOD位；（方式0不需此步）5.选择查询方式或中断方式，在使用中断方式进行串行通信时，需对IE编程。第六章-------24wyx

CD4094是一种8位的串入并出移位寄存器，DATA为串行数据输入端，CLK为同步脉冲输入端。STB为控制端：若STB=0，则8位并行输出数据关闭，但允许串行数据从DATA输入；若STB=1，DATA输入端关闭，但允许8位数据并行输出。设串行口采用中断方式发送数据。第六章-------25wyx例6-2：如图所示，用MCS-51单片机的串行口外接串入并出芯片CD4094扩展并行口控制一组发光二极管，使发光二极管从左至右延时轮流显示。8751P1.0RXDTXDDATACLKSTBCD4094Q1Q2Q3Q4Q8六、串行接口应用举例1.方式0应用举例

方式0为同步移位寄存器工作方式，通信波特率固定为fosc/12，单片机和外接的移位寄存器结合可以扩展I/O接口。主程序：

ORG2000HMAIN:MOVSCON,#00H;串行口初始化为方式0CLRP1.0;禁止CD4094并行输出MOVA，#80H;起始显示码送AMOVSBUF，A;串行输出LOOP:SJMP$

;等待串行口输出完第六章-------26wyx中断服务程序：

ORG0023HLJMPSBVORG0100HSBV:

SETBP1.0;点亮发光二极管LCALLDELAY;点亮一段时间CLRTI;清除发送中断标志RRA;准备点亮下一位CLRP1.0;显示锁定MOVSBUF，A;串行输出RETI;中断返回DELAY:……;延时程序END例6-3：如下图所示，编出MCS-51串行输入开关量并把它存入20H单元的程序。要求控制开关S断开(S=1)时，单片机处于等待状态；当S合上(S=0)时，单片机开始输入和进行模拟。第六章-------27wyx

P1.1P1.0RXDTXDDSCLKP/SCD4014P1P2P3P4P8MCS-51S0S1S2S3S7S

CD4014是8位的并入串出的同步移位寄存器芯片，其中DS为串行数据输出端，CLK为同步脉冲输入端。P/S为控制端：若P/S=0，则8位并行输入数据关闭，但允许串行数据从DS输出；若P/S=1，DS输出端关闭，但允许8位数据并行输入。设串行口采用查询的方式接收数据。编程如下：

ORG2000HSTART:SETBP1.0

JBP1.0,$；若S断开，则等待

SETBP1.1；令CD4014并行输入开关量

CLRP1.1；令CD4014开始串行输出

MOVSCON,#10H；设串行口方式0并启动接收

JNBRI,$；等待接收一帧数据

CLRRI；清接收中断标志

MOVA,SBUF；取缓冲器数据

MOV20H,A

RET第六章-------28wyx2.方式1应用举例例6-4：设有两个51单片机以串行的方式进行通信，A机发送，B机接收，波特率2400bps，晶振6MHz，T1作为波特率发生器，串行口工作在方式1。甲机送出数据为内部RAM50H开始的16个字节数据。乙机接收数据存放在外部RAM3000H-300FH单元中，编写通信程序。解：双机通讯串行口工作在方式1，定时器T1工作在方式2。定时常数：X=256―（fosc*2SMOD)/(384*波特率)若SMOD=0，则X=249.49，误差较大。

取SMOD=1，则X=242.98=243=F3H,误差较小。

第六章-------29wyx采用查询方式编程，A机发送程序如下：

MOVTMOD,#20H；定时器（波特率）初始化

MOVTL1,#0F3H

MOVTH1,#0F3H

CLRET1；关定时器T1中断

SETBTR1；启动T1

MOVSCON,#40H；串行口初始化（方式1）

MOVPCON,#80H；SMOD=1

MOVR0,#50H

MOVR7,#10HTRS:MOVA,@R0

MOVSBUF,A；启动发送

WAIT:JBCTI,CONT；查询是否一帧数据发送完

AJMPWAIT

CONT:INCR0；一帧发送完，指针加1

DJNZR7,TRS

RET第六章-------30wyxB机接收程序：

MOVTMOD,#20H；定时器（波特率）初始化

MOVTL1,#0F3H

MOVTH1,#0F3H

CLRET1；关定时器T1中断

SETBTR1；启动T1

MOVSCON,#50H；串行口初始化（方式1，允许输入）

MOVPCON,#80H

MOVDPTR,#3000H

MOVR7,#10H

WAIT:JBCRI,READ；等待接收一帧数据完AJMPWAIT

READ：MOVA,SBUF；取接收数据存放

MOVX@DPTR,A

INCDPTR

DJNZR7,WAIT

RET第六章-------31wyx3.方式2、方式3应用举例

方式2、方式3也可以像方式1一样用于点对点的异步通信。在数据通信中由于传输距离较远，数据信号在传送过程中会产生畸变，从而引起误码。为了保证通信质量，除了改进硬件之外，通常要在通信软件上采取纠错措施。常用的一种简单方法就