第7章 串行口通信技术

本章内容串行通信基础

MCS-51的串行接口

MCS-51单片机双机通信

RS-232C串行通信总线标准及其接口

第7章串行口通信技术任务17单片机之间的双机通信

任务要求：本任务是建立一个简单的单片机串行口通信测试系统。系统中，发射与接收各用一套AT89C51单片机电路，称为甲机和乙机。编写程序，使甲、乙双方能够进行串行通信。要求将将甲机内的多个数据（例如1、2、3、4、5、6公共6个数据）发送给乙机，并在乙机的6个数码管上显示出来。甲机发送数据程序如下：

//程序：ex7_1.c//功能：甲机发送数据程序#include<reg51.h>voidmain() //主函数{unsignedchari;unsignedcharsend[]={0x01,0x03,0x04,0x06,0x07,0x05};//定义要发送的数据，为了简化显示，发送数据在0～9之间TMOD=0x20; //定时器1工作于方式2TL1=0xf4; //波特率为2400b/sTH1=0xf4;TR1=1; SCON=0x40; //定义串行口工作于方式1for(i=0;i<6;i++){SBUF=send[i]; //发送第i个数据while(TI==0); //查询等待发送是否完成TI=0; //发送完成，TI由软件清0}while(1);}乙机接收机显示程序#include<reg51.h>codeunsignedchartab[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7f,0x6f};//定义0～9显示字型码unsignedcharbuffer[]={0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00};//定义接收数据缓冲区voiddisp(void); //显示函数声明voidmain() //主函数{unsignedchari;TMOD=0x20; //定时器1工作于方式2TL1=0xf4; //波特率定义TH1=0xf4;TR1=1;SCON=0x40; //定义串行口工作于方式1for(i=0;i<6;i++){REN=1; //接收允许while(RI==0); //查询等待接收标志为1，表示接收到数据buffer[i]=SBUF; //接收数据RI=0; //RI由软件清0}for(;;)disp(); //显示接收数据}//函数名：disp//函数功能：在六个LED上显示buffer中的六个数//入口参数：无//出口参数：无voiddisp(){unsignedcharw,i,j;w=0x01; //位码赋初值for(i=0;i<6;i++){P1=~(tab[buffer[i]]); //送显示字型段码，buffer[i]作为数组分量的下标P2=~w; //送位码for(j=100;j>5;j--); //显示延时w<<=1; //w左移一位}}计算机与外界的信息交换称为通信。通信的基本方式可分为并行通信和串行通信两种。所谓并行通信是指数据的各位同时在多根数据线上发送或接收。串行通信是数据的各位在同一根数据线上依次逐位发送或接收。7.1串行通信基础知识目前串行通信在单片机双机、多机以及单片机与PC机之间的通信等方面得到了广泛应用。图7.1并行通信示意图P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0P2.7RDWRRDWRCSD7D6D5D4D3D2D1D0825589C51图7.2串行通信示意图89C51外设TXDTXDRXDRXD发送接收7.1.1异步通信和同步通信串行通信按同步方式可分为异步通信和同步通信两种基本通信方式。1.同步通信(SynchronousCommunication)同步通信是一种连续传送数据的通信方式，一次通信传送多个字符数据，称为一帧信息。数据传输速率较高，通常可达56000bps或更高。其缺点是要求发送时钟和接收时钟保持严格同步。同步字符数据字符1数据字符2…数据字符n-1数据字符n校验字符(校验字符)图7.3同步通信数据传送格式2.异步通信(AsynchronousCommunication)在异步通信中，数据通常是以字符或字节为单位组成数据帧进行传送的。收、发端各有一套彼此独立，互不同步的通信机构，由于收发数据的帧格式相同，因此可以相互识别接收到的数据信息。同步通信的数据帧格式如图7.3所示。D0D1D2D3D4

D5

D6

D7

0/11111D70/1100D0D1第n字符帧空闲位停止位奇偶校验停止位8位数据8位数据起始位起始位奇偶校验第n-1字符帧第n+1字符帧图7.4异步通信帧格式8位数据异步通信信息帧格式如图7.4所示。(1)起始位：在没有数据传送时，通信线上处于逻辑“1”状态。当发送端要发送1个字符数据时，首先发送1个逻辑“0”信号，这个低电平便是帧格式的起始位。其作用是向接收端表示发送端开始发送一帧数据。接收端检测到这个低电平后，就准备接收数据信号。(2)数据位：在起始位之后，发送端发出(或接收端接收)的是数据位，数据的位数没有严格的限制，5～8位均可。由低位到高位逐位传送。(3)奇偶校验位：数据位发送完(接收完)之后，可发送一位用来检验数据在传送过程中是否出错的奇偶校验位。奇偶校验是收发双方预先约定好的有限差错检验方式之一。有时也可不用奇偶校验。(4)停止位：字符帧格式的最后部分是停止位，逻辑“1”电平有效，它可占1/2位、1位或2位。停止位表示传送一帧信息的结束，也为发送下一帧信息作好准备。7.1.2串行通信的波特率

波特率(BaudRate)是串行通信中一个重要概念，它是指传输数据的速率,亦称比特率。波特率的定义是每秒传输二进制数码的位数。如：波特率为1200bps是指每秒钟能传输1200位二进制数码。波特率的倒数即为每位数据传输时间。例如：波特率为1200bps，每位的传输时间为：1)(833.01200msdT==波特率和字符的传输速率不同，若采用图7.4的数据帧格式，并且数据帧连续传送（无空闲位），则实际的字符传输速率为1200/11=109.09帧/秒。波特率也不同于发送时钟和接收时钟频率。同步通信的波特率和时钟频率相等，而异步通信的波特率通常是可变的。7.1.3串行通信的制式1.单工制式(Simplex)单工制式是指甲乙双方通信只能单向传送数据。单工制式如图7.5所示。在串行通信中，数据是在两个站之间传送的。按照数据传送方向，串行通信可分为三种制式。发送器A接收器B图7.5单工制式2.半双工制式(Halfduplex)半双工制式是指通信双方都具有发送器和接收器，双方既可发送也可接收，但接收和发送不能同时进行，即发送时就不能接收，接收时就不能发送。半双工制式如图7.6所示。发送接收发送接收A端B端图7.6半双工制式3.全双工制式(Fullduplex)全双工制式是指通信双方均设有发送器和接收器，并且将信道划分为发送信道和接收信道，两端数据允许同时收发，因此通信效率比前两种高。全双工制式如图7.7所示。发送接收接收发送A端B端图7.7全双工制式7.1.4串行通信的校验串行通信的目的不只是传送数据信息，更重要的是应确保准确无误地传送。因此必须考虑在通信过程中对数据差错进行校验，因为差错校验是保证准确无误地通信的关键。常用差错校验方法有奇偶校验、累加和校验以及循环冗余码校验等。1.奇偶校验奇偶校验的特点是按字符校验，即在发送每个字符数据之后都附加一位奇偶校验位(1或0),当设置为奇校验时，数据中1的个数之和应为奇数；反之则为偶校验。收、发双方应具有一致的差错检验设置，当接收1帧字符时，对1的个数进行检验，若奇偶性(收、发双方)一致则说明传输正确。奇偶校验只能检测到那种影响奇偶位数的错误，比较低级且速度慢，一般只用在异步通信中。2.累加和校验累加和校验是指发送方将所发送的数据块求和，并将“校验和”附加到数据块末尾。接收方接收数据时也是先对数据块求和，将所得结果与发送方的“校验和”进行比较，若两者相同，表示传送正确，若不同则表示传送出了差错。“校验和”的加法运算可用逻辑加，也可用算术加。累加和校验的缺点是无法检验出字节或位序的错误。3.循环冗余码校验(CRC)循环冗余码校验的基本原理是将一个数据块看成一个位数很长的二进制数，然后用一个特定的数去除它，将余数作校验码附在数据块之后一起发送。接收端收到该数据块和校验码后，进行同样的运算来校验传送是否出错。目前CRC已广泛用于数据存储和数据通信中，并在国际上形成规范，市面上已有不少现成的CRC软件算法。7.2AT89C51的串行接口AT89C51内部有一个可编程全双工串行通信接口。该部件不仅能同时进行数据的发送和接收，也可作为一个同步移位寄存器使用。下面将对其内部结构、工作方式以及波特率进行介绍。7.2.1串行接口的结构及功能图7.8AT89C51串行口结构框图发送SBUF(99H)接收SBUF(99H)同步时钟门电路发送控制器接收控制器输入移位寄存器串行口控制寄存器(98H)内部总线≥1串行口中断TIRITXD(P3.1)RXD(P3.0)1.串行数据缓冲器SBUFSBUF是串行口缓冲寄存器，包括发送寄存器和接收寄存器，以便能以全双工方式进行通信。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，这样可以避免在数据接收过程中出现帧重叠错误。发送数据时，由于CPU是主动的，不会发生帧重叠错误，因此发送电路不需要双重缓冲结构。在逻辑上，SBUF只有一个，它既表示发送寄存器，又表示接收寄存器，具有同一个单元地址99H。但在物理结构上，则有两个完全独立的SBUF，一个是发送缓冲寄存器SBUF，另一个是接收缓冲寄存器SBUF。如果CPU写SBUF，数据就会被送入发送寄存器准备发送；如果CPU读SBUF，则读入的数据一定来自接收缓冲器。即CPU对SBUF的读写，实际上是分别访问上述两个不同的寄存器。2.串行控制寄存器SCON串行控制寄存器SCON用于设置串行口的工作方式、监视串行口的工作状态、控制发送与接收的状态等。它是一个既可以字节寻址又可以位寻址的8位特殊功能寄存器。其格式如图7.9所示。见表7-1图7.9串行口控制寄存器SCONRITIRB8TB8RENSM2SM1SM0SCON98H99H9AH9BH9CH9DH9EH9FH位地址0：双机1：多机多机通信0：禁止1：允许接收控制发送数据第9位接收数据第9位发送中断标志接收中断标志(1)SM0SM1：串行口工作方式选择位。其状态组合所对应的工作方式如表7-1所示。SM0SM1工作方式功能说明000同步移位寄存器输入/输出，波特率固定为fosc/1201110位异步收发，波特率可变(T1溢出率/n，n=32或16)10211位异步收发，波特率固定为fosc/n，n=64或32)11311位异步收发，波特率可变(T1溢出率/n，n=32或16)表7-1串行口工作方式(2)SM2：多机通信控制器位。

在方式0中，SM2必须设成0。在方式1中，当处于接收状态时，若SM2=1，则只有接收到有效的停止位“1”时，RI才能被激活成“1”(产生中断请求)。在方式2和方式3中，若SM2=0，串行口以单机发送或接收方式工作，TI和RI以正常方式被激活并产生中断请求；若SM2=1，RB8=1时，RI被激活并产生中断请求。(4)TB8：方式2和方式3中要发送的第9位数据。该位由软件置位或复位。在方式2和方式3时，TB8是发送的第9位数据。在多机通信中，以TB8位的状态表示主机发送的是地址还是数据：TB8=1表示地址，TB8=0表示数据。TB8还可用作奇偶校验位。(3)REN：串行接受允许控制位。该位由软件置位或复位。当REN=1，允许接收；当REN=0，禁止接收。(6)TI：发送中断标志位。TI=1，表示已结束一帧数据发送，可由软件查询TI位标志，也可以向CPU申请中断。注意：TI在任何工作方式下都必须由软件清0。(5)RB8：接收数据第9位。在方式2和方式3时，RB8存放接收到的第9位数据。RB8也可用作奇偶校验位。在方式1中，若SM2=0，则RB8是接收到的停止位。在方式0中，该位未用。(7)RI：接收中断标志位。RI=1，表示一帧数据接收结束。可由软件查询RI位标志，也可以向CPU申请中断。

注意：RI在任何工作方式下也都必须由软件清0。在AT89C51中，串行发送中断TI和接收中断RI的中断入口地址是同是0023H，因此在中断程序中必须由软件查询TI和RI的状态才能确定究竟是接收还是发送中断，进而作出相应的处理。单片机复位时，SCON所有位均清0。图7.10电源控制寄存器PCON的格式PCOND7D6D5D4D3D2D1D0位名称SMOD－－－GF1GF0PDIDL

SMOD：串行口波特率倍增位。在工作方式1～工作方式3时，若SMOD=1，则串行口波特率增加一倍。若SMOD=0，波特率不加倍。系统复位时，SMOD=0。2.电源控制寄存器PCON7.2.2串行口工作方式AT89C51串行通信共有4种工作方式，它们分别是方式0、方式1、方式2和方式3，由串行控制寄存器SCON中的SM0SM1决定，如表7-1所示。起始位0D0D1D2D3D4D5D6D7停止位1工作方式2和方式3都是11位异步收发串行通信方式，两者的差异仅在波特率上有所不同。方式2：波特率=2SMOD·fosc/64(SMOD=0或1)方式3：(与方式1相同)波特率=32·12·(256-T初)2SMOD·fosc(4)波特率波特率=2SMOD×(T1溢出率)/32T1溢出率=1/T1定时时间=(256-T初)·T机1波特率=32·12·(256-T初)2SMOD·fosc对波特率需要说明的是，当串行口工作在方式1或方式3，且要求波特率按规范取1200、2400、4800、9600…时，若采用晶振12MHz和6MHz,按上述公式算出的T1定时初值将不是一个整数，因此会产生波特率误差而影响串行通信的同步性能。解决的方法只有调整单片机的晶振频率fosc,为此有一种频率为11.0592MHz的晶振，这样可使计算出的T1初值为整数。表7-2列出了串行方式1或方式3在不同晶振时的常用波特率和误差。表9.2常用波特率和误差晶振频率(MHZ)波特率(HZ)SMODT1方式2定时初值实际波特率误差(%)12.0096001F9H8923712.0048000F9H4460712.0024000F3H24040.1612.0012000E6H12020.1611.0592192001FDH19200011.059296000FDH9600011.059248000EAH4800011.059224000F4H2400011.059212000E8H12000编程步骤如下：设置串行口模式（SCON）；设置定时器1的工作方式（TMOD）；计算定时器1的初值（TH1，TL1）；启动定时器1（TR1）；如果串口工作在中断方式，还必须设置IE允许ES中断，并编写中断例程。7.3MCS-51单片机双机通信

。

双机通信常采用的两种方法：

查询方式；中断方式

查询方式发送方通过循环查询TI标志位，判断是否发送完成，接收方通过循环查询RI标志位，判断是否接收到字节。发送前要将TI清零，接收前要将RI清零。如果发送成功，硬件会自动将TI置1，如果接收到新字节，硬件也会将RI置1.在每次收发时，都要注意通过程序将TI和RI再次清零。7.4多机通信双机通信时，两台单片机地位是平等的，此时，两台单片机的串行口均可工作于方式1。多机通信是指一台主机和多台从机之间的通信。而在多机通信中，有主机和从机之分，多机通信时，主机发送的信息可以传送到各个从机，而各从机发送的信息只能被主机接收，其中的主要问题是怎样识别地址和怎样维持主机与指定从机之间的通信。1.多机通信连接电路在串行方式2或方式3条件下，可实现一台主机和多台从机之间的通信，其连接电路如图7.13所示。图7.13多机通信连接图TXDRXDTXDRXDTXDRXD89C205189C205189C2051从机1从机2从机nTXDRXD89C51主机…2.多机通信原理多机通信时，主机向从机发送的信息分为地址帧和数据帧两类，以第9位可编程TB8作区分标志，TB8=0，表示数据；TB8=1，表示地址。多机通信充分利用了89C51串行控制寄存器SCON中的多机通信控制位SM2的特性。当SM2=1时，CPU接收的前8位数据是否送入SBUF取决于接收的第9位RB8的状态：若RB8=1，将接收到的前8位数据送入SBUF,并置位RI产生中断请求；若RB8=0，则接收到的前8位数据丢弃。即当从机SM2=1时，从机只能接收主机发送的地址帧(RB8=1)，对数据帧(RB8=0)不予理睬。当从机SM2=0时，从机可接收主机发送的所有信息。通信开始时，主机首先发送地址帧。由于各从机的SM2=1和RB8=1，所以各从机均分别发出串行接收中断请求，通过串行中断服务程序来判断主机发送的地址与本从机地址是否相符。如果相符，则把自身的SM2清0，以准备接收随后传送来的数据帧。其余从机由于地址不符，则仍保持SM2=1状态，因而不能接收主机传送来的数据帧。这就是多机通信中主、从机一对一的通信情况。这种通信只能在主、从机之间进行，如果想在两个从机之间进行通信，则要通过主机作中介才能实现。3.多机通信过程主、从机工作于方式2或方式3，主机置SM2=0，REN=1;从机置SM2=1，REN=1。(2)主机置位TB8=1，向从机发送寻址地址帧，各从机因满足接收条件(SM2=1,RB8=1)，从而接收到主机发来的地址，并与本机地址进行比较。(3)地址一致的从机（被寻址机）将SM2清0，并向主机返回地址，供主机核对。地址不一致的从机（未被寻址机）保持SM2=1。(4)主机核对返回的地址，若与此前发出的地址一致则准备发送数据；若不一致则返回(2)重新发送地址帧。(5)主机向从机发送数据，此时主机的TB8=0，只有被选中的那台从机能接收到该数据。其他从机则舍弃该数据。(6)本次通信结束后，从机重新置SM2=1，等待下次通信。7.5PC机与单片机间的串行通信近年来，在智能仪器仪表、数据采集、嵌入式自动控制等场合，越来越普遍应用单片机作核心控制部件。但当需要处理较复杂数据或要对多个采集的数据进行综合处理以及需要进行集散控制时，单片机的算术运算和逻辑运算能力都显得不足，这时往往需要借助计算机系统。将单片机采集的数据通过串行口传送给PC机，由PC机高级语言或数据库语言对数据进行处理，或者实现PC机对远端单片机进行控制。因此，实现单片机与PC机之间的远程通信更具有实际意义。单片机中的数据信号电平都是TTL电平，这种电平采用正逻辑标准，即约定≥2.4V表示逻辑1，而≤0.5V表示逻辑0，这种信号只适用于通信距离很短的场合，若用于远距离传输必然会使信号衰减和畸变。因此，在实现PC机与单片机之间通信或单片机与单片机之间远距离通信时，通常采用标准串行总线通信接口，比如RS-232C、RS-422、RS-423、RS-485等。其中RS-232C原本是美国电子工业协会(ElectronicIndustryAssociation，简称EIA)的推荐标准，现已在全世界范围内广泛采用，RS-232C是在异步串行通信中应用最广的总线标准，它适用于短距离或带调制解调器的通信场合。7.4.1RS-232C总线标准RS-232C实际上是串行通信的总线标准。该总线标准定义了25条信号线，使用25个引脚的连接器。各信号引脚的定义见表7.3。表7.3RS-23C引脚信号定义引脚定义(助记符)引脚定义(助记符)1保护地(PG)14辅助通道发送数据(STXD)2发送数据(TXD)15发送时钟(TXC)3接收数据(RXD)16辅助通道接收数据(SRXD)4请求发送(RTS)17接收时钟(RXC)5清除发送(CTS)18未定义6数据准备好(DSR)19辅助通道请求发送(SRTS)7信号地(GND)20数据终端准备就绪(DTR)8接收线路信号检测(DCD)21信号质量检测9未定义22音响指标(RI)10未定义23数据信号速率选择11未定义24发送时钟12辅助通道接收线路信号检测(SDCD)25未定义13辅助通道允许发送(SCTS)除信号定义外，RS-232C标准的其它规定还有：(1)RS-232C是一种电压型总线标准，它采用负逻辑标准：+3V～+25V表示逻辑0(space)；-3V～-25V表示逻辑1(mark)。噪声容限为2V。(2)标准数据传送速率有：50，75，110，150，300，600，1200，2400，4800，9600，19200bit/s。(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。表7.3RS-232C标准中许多信号是为通信业务或信息控制而定义的，在计算机串行通信中主要使用了如下信号：(1)数据传送信号:发送数据(TXD)；接收数据(RXD)。(2)调制解调器控制信号：请求发送(RTS)；清除发送(CTS)；数据通信设备准备就绪(DSR)；数据终端准备就绪(DTR)。(3)定位信号：接收时钟(RXC)；发送时钟(TXC)。(4)信号地GND。图7.15微机9针D形串口连接器7.4.2RS-232C接口电路由于RS-232C信号电平(EIA)与AT89C51单片机信号电平(TTL)不一致，因此，必须进行信号电平转换。实现这种电平转换的电路称为RS-232C接口电路。一般有两种形式：一种是采用运算放大器、晶体管、光电隔离器等器件组成的电路来实现；另一种是采用专门集成芯片(如MC1488、MC1489、MAX232等)来实现。下面介绍由专门集成芯片MAX232构成的接口电路。1.MAX232接口电路MAX232芯片是MAXIM公司生产的具有两路接收器和驱动器的IC芯片，其内部有一个电源电压变换器，可以将输入+5V的电压变换成RS-232C输出电平所需的±12V电压。所以采用这种芯片来实现接口电路特别方便，只需单一的+5V电源即可。MAX232芯片的引脚结构如图9.16所示。其中管脚1～6(C1+、V+、C1-、C2+、C2-、V-)用于电源电压转换，只要在外部接入相应的电解电容即可；管脚7～10和管脚11～14构成两组TTL信号电平与RS-232信号电平的转换电路，对应管脚可直接与单片机串行口的TTL电平引脚和PC机的RS-232电平引脚相连。具体连线如图9.17所示。图7.16MAX232引脚图R2outT1inT2inR1outR1inT1outGND12346587151614131011129C1+V+C1-C2+C2-V-T2outR2inVCC2.PC机与89C51单片机串行通信电路用MAX232芯片实现PC机与AT89C51单片机串行通信的典型电路如图7.16所示。图中外接电解电容C1、C2、C3、C4用于电源电压变换，可提高抗干扰能力，它们可取相同容量的电容，一般取1.0μF/16V。电容C5的作用是对+5V电源的噪声干扰进行滤波，一般取0.1μF。选用两组中的任意一组电平转换电路实现串行通信，如图中选Tlin、Rlout分别与AT89C51的TXD、RXD相连，Tlout、Rlin分别与PC机中R232接口的RXD、TXD相连。这种发送与接收的对应关系不能接错，否则将不能正常工作。C1+C1-C2+C2-AT89C51GNDGNDIBM-PCTXDTXDRXDRXDT1outT1inR1inR1outGNDV+V-VCCMAX232C4C1C2C3C5+5V++++图7.17用MAX232实现串行通信接口电路图3.PC机与多个单片机间的串行通信一台PC机与多个单片机间的串行通信电路如图7.18所示。这种通信系统一般为主从结构，PC机为主机，单片机为从机。主从机间的信号电平转换由MAX232芯片实现。这种小型分布式控制系统，充分发挥了单片机体积小、功能强、抗干扰性好、面向被控对象等优点，将单片机采集到的数据