单片机教程--串口通信

第9章：串口通信本章基本要求： ⑴基本概念 ⑵51的串行接口* ⑶串行接口的应用*并行并行通信串行串行串行串行1位9.1 串行通信基础 所谓“通信”是指计算机与其他设备之间进行的信息交换。 通信的方式分为并行通信和串行通信两种。

并行通信是构成一组数据的各位同时进行传送，例如8位数据或16位数据并行传送。 其特点是传输速度快,但当距离较远、位数又多时导致了通信线路复杂且成本高。

串行通信是数据一位接一位地顺序传送。其特点是通信线路简单,只要一对传输线就可以实现通信(如电话线)，可大大地降低成本,适用于远距离通信。缺点是传送速度慢。9.1 串行通信基础 下图为以上两种通信方式的示意图。由图可知,假设并行传送N位数据所需时间为T,那么串行传送的时间至少为NT,实际上总是大于NT的。9.1 串行通信基础9.1.1 串行通信的分类1、异步通信 异步传送的特点是数据在线路上的传送不连续。在传送时,数据是以一个字符为单位进行传送的。它用一个起始位表示字符的开始,用停止位表示字符的结束。异步传送的字符格式如图所示。 ①字符帧：也叫数据帧，由起始位、数据位、奇偶校验位和停止位4个部分组成。9.1 串行通信基础9.1 串行通信基础 ②波特率：就是数据的传送速率,即每秒钟传送的二进制位数，单位：位/秒。 说明：要求发送端与接收端的波特率必须一致。波特率越高，传送速度越快。例：设字符传送的速率为120字符/秒,而每1个字符为10位,那么传送的波特率为：10位/字符×120字符/秒=1200位/秒=1200波特。每1位二进制位的传送时间Td就是波特率的倒数，例中：Td=1/1200=0.833ms9.1 串行通信基础2、同步通信 在异步传送中,每一个字符都要用起始位和停止位作为字符开始和结束的标志,占用了一定的时间。为了提高传送速度,有时就去掉这些标志,而采用同步传送,即1次传送1组数据。在这1组数据的开始处要用同步字符SYN来加以指示,如图示：9.1.2 串行通信的制式 串行通信的数据传送方向有三种形式。9.1 串行通信基础

1、单工制式（Simplex）

单工制式是指甲乙双方通信时只能单向传送数据，发送方和接收方固定。单工：广播9.1 串行通信基础

2、半双工制式半双工制式是指通信双方都具有发送器和接收器，既可发送也可接收，但不能同时接收和发送，发送时不能接收，接收时不能发送。半双工：对讲机9.1 串行通信基础

全双工制式是指通信双方均设有发送器和接收器，并且信道划分为发送信道和接收信道，因此全双工制式可实现甲乙双方同时发送和接收数据，发送时能接收，接收时也能发送。3、全双工制式双工：电话9.1 串行通信基础9.1.3 调制解调器 计算机通信是一种数字信号的通信,如图所示。它要求传送线的频带很宽,而在长距离通讯时,通常是利用电话线来传送的,该线不可能有这样宽的频带。如果用数字信号经过传送线直接通讯,信号就会畸变。9.1 串行通信基础 因此要在发送端用调制器(Modulator)把数字信号转换为模拟信号,在接收端用解调器(Demodulator)检测此模拟信号,再把它转换成数字信号,如图所示。9.2 MCS-51单片机串行接口 51单片机内部有一个功能很强的全双工串行口,可同时发送和接收数据。它有四种工作方式，可供不同场合使用。波特率由软件设置,通过片内的定时/计数器产生。接收、发送均可工作在查询方式或中断方式,使用十分灵活。 51的串行口除了用于数据通信外,还可以非常方便地构成1个或多个并行输入/输出口或作串并转换,用来驱动键盘与显示器。51单片机的串行接口硬件结构SBUF（发）SBUF（收）发送控制器TI接收控制器RI移位寄存器波特率发生器T1+A累加器移位寄存器RxDP3.0TxDP3.1去申请中断引脚引脚CPU内部1、发送和接收电路

①SBUF是两个在物理上独立的接收、发送缓冲器,可同时发送、接收数据。两个缓冲器只用一个字节地址99H,可通过指令对SBUF的读写来区别是对接收缓冲器的操作还是对发送缓冲器的操作。

MOVSBUF,A;CPU写SBUF,就是修改发送缓冲器;

MOVA,SBUF;CPU读SBUF,就是读接收缓冲器。串行口对外也有两条独立的收发信号线RXD(P3.0)和TXD(P3.1),因此可以同时发送、接收数据,实现全双工传送。9.2 MCS-51单片机串行接口

②发送和接收过程都是在发送和接收时钟控制下进行的，必须与设定的波特率保持一致。 一般，51单片机的串口时钟是由内部定时器的溢出率经16分频后提供。2、串行口控制寄存器SCON、PCON SCON用来控制串行口的工作方式和状态（可位寻址）。在复位时所有位被清0,字地址为98H。PCON主要是为CHMOS型单片机的电源控制而设置的专用寄存器,单元地址为87H,不能位寻址。 SCON、PCON的格式和内容如下图。9.2 MCS-51单片机串行接口串行口控制寄存器SCON（98H）1、SM0、SM1控制串行口方式

2、SM2允许方式2、3的多机通讯特征位

在方式2、3中若SM2=1→表示接收的第九位数据（RB8）为1时,激活RI。

在方式0,1中SM2必须为0。

SM0

SM1工作方式功能简述波特率00方式08位同步移位寄存器fosc/1201方式110位UART可变10方式211位UARTfosc/32或/6411方式311位UART可变

3、REN允许串行接收位，由软件置/复位1：允许接收0：不允许接收4、TB8在方式2、3中要发送的第九位数据，由软件置/复位

5、RB8在方式2、3中是接收的第九位数据在方式0中不用RB8。串行口控制寄存器SCON（98H）6、RI接收中断标志（必须由软件清除）

在方式0中串行接收到第8位结束时自动置位。在方式1、2、3中串行接收到停止位的中间时置位。

1111111SBUF11111111RxD1RI=17、TI发送中断标志（必须由软件清除）

在方式0中串行发送第8位结束时自动置位。在方式1、2、3中串行发送停止位的开始时置位。串行口控制寄存器SCON（98H）

电源控制寄存器PCONPCOND7D6D5D4D3D2D1D0位名称SMOD———GF1GF0PDIDLSMOD=1，串行口波特率加倍。PCON寄存器不能进行位寻址。☞

SMOD：在串行口工作方式1、2、3中，是波特率加倍位=1时，波特率加倍=0时，波特率不加倍。(在PCON中只有这一个位与串口有关)

9.2.2 串行口的工作方式 51的串行口有四种工作方式,它是由SCON中的SM0、SM1来定义的,如下表和下屏表格所示。9.2 MCS-51单片机串行接口SM0

SM1工作方式功能简述波特率00方式08位同步移位寄存器fosc/1201方式110位UART可变10方式211位UARTfosc/32或/6411方式311位UART可变SM0SM1工作方式说明波特率00方式0(扩展I/O口)移位输入/输出(用于扩展I/O引脚)方式为fosc(振荡频率)的1/12。01方式1(常用)波特率可变的8位异步串行通信方式0方式2(不常用)波特率固定的9位异步串行通信方式1方式3(常用)波特率可变的9位异步串行通信方式9.2 MCS-51单片机串行接口1、方式0 为同步移位寄存器方式,其波特率是固定的,为fosc(振荡频率)的1/12。

①方式0发送：数据从RXD引脚串行输出,TXD引脚输出同步脉冲。当1个数据写入串行口发送缓冲器时,串行口将8位数据以fosc/12的固定波特率从RXD引脚输出,从低位到高位。发送完后置中断标志TI为1,呈中断请求状态,在再次发送数据之前,必须用软件将TI清0。9.2 MCS-51单片机串行接口②方式0接收：在满足REN=1(允许接收）、RI=0的条件下,串行口处于方式0输入。此时,RXD为数据输入端,TXD为同步信号输出端,接收器也以fosc/12的波特率采样RXD引脚输入的数据信息。当接收器接收完8位数据后，置中断标志RI=1为请求中断,在再次接收之前,必须用软件将RI清0。9.2 MCS-51单片机串行接口 说明： 在方式0工作时,必须使SCON寄存器中的SM2位为“0”,这并不影响TB8位和RB8位。方式0发送或接收完8位数据后由硬件置位TI或RI中断请求标志,CPU在响应中断后要用软件清除TI或RI标志。若串行口要作为并行口输入输出,这时必须设置“串入并出“或”并入串出”的移位寄存器来配合使用(如74HC164或74HC165等)。9.2 MCS-51单片机串行接口2、方式1 该方式为波特率可变的8位异步通信接口。

①方式1发送：数据位由TXD端输出,发送1帧信息为10位,其中1位起始位、8位数据位(先低位后高位)和一个停止位“1”。 CPU执行1条数据写入发送缓冲器SBUF的指令,就启动发送器发送。当发送完数据,就置中断标志TI为1。

9.2 MCS-51单片机串行接口 方式1所传送的波特率取决于定时器T1的溢出率和特殊功能寄存器PCON中SMOD的值,即方式1的波特率=(2SMOD/32)×定时器T1的溢出率。 ②方式1接收：当串行口置为方式1,且REN=1时,串行口处于方式1输入状态。它以所选波特率的16倍的速率采样RXD引脚状态。9.2 MCS-51单片机串行接口3、方式2 该方式为11位异步通信接口。

①方式2发送：发送数据由TXD端输出,发送1帧信息为11位,其中1位起始位(0)、8位数据位(先低位后高位)、1位可控位为1或0的第9位数据、1位停止位。附加的第9位数据为SCON中的TB8,它由软件置位或清0,可作为多机通信中地址/数据信息的标志位,也可作为数据的奇偶校验位。9.2 MCS-51单片机串行接口PIPL: PUSH PSW ;保护现场 PUSH ACC CLR TI ;清0发送中断标志 MOV A,@R0 ;取数据 MOV C,P ;奇偶位送C MOV TB8,C ;奇偶位送TB8 MOV SBUF,A ;数据写入发送缓冲器,启动发送 INC R0 ;数据指针加1 POP ACC ;恢复现场 POP PSW RETI ;中断返回9.2 MCS-51单片机串行接口方式2中使用TB8作为发送数据的奇偶校验位，发送程序如下：

②方式2接收：当串行口置为方式2,且REN=1时,串行口以方式2接收数据。方式2的接收与方式1基本相似。数据由RXD端输入,接收11位信息,其中1位起始位(0)、8位数据位、1位附加的第9位数据、1位停止位(1)。 方式2的波特率=(2SMOD/64)×fosc 若附加的第9位数据为奇偶校验位,在接收中断服务程序中应作检验处理,参考程序如下：9.2 MCS-51单片机串行接口PIPL: PUSH PSW ;保护现场 PUSH ACC CLR RI ;清0接收中断标志 MOV A,SUBF ;接收数据 MOV C,P ;取奇偶校验位 JNC L1 ;偶校验时转L1 JNB RB8,ERR ;奇校验时RB8为0转出错处理 SJMP L2L1: JB RB8,ERR ;偶校验时RB8为1转出错处理L2: MOV @R0,A ;奇偶校验对时存入数据 INC R0 ;修改指针 POP ACC ;恢复现场 POP PSW RETI ;中断返回ERR: … ;出错处理 RETI ;中断返回9.2 MCS-51单片机串行接口方式2中使用RB8作为接收数据的奇偶校验位，接收程序如下：4、方式3 方式3为波特率可变的9位异步通信方式,除了波特率有所区别之外,其余方式都与方式2相同。 方式3的波特率=(2SMOD/32)×(定时器T1的溢出率)9.2 MCS-51单片机串行接口9.2.3 串行口的通信波特率 串行通信的四种工作方式对应着三种波特率。

①对于方式0,波特率是固定的,为单片机时钟的十二分之一,即fosc/12。

②对于方式2,波特率有两种可供选择,即fosc/32和fosc/64。对应于以下公式： 波特率=fosc×2SMOD/649.2 MCS-51单片机串行接口

③对于方式1和方式3,波特率都由定时器T1的溢出率来决定,使用下面公式： 波特率=(2SMOD/32)×(定时器T1的溢出率) 而定时器T1的溢出率则和所采用的定时器工作方式有关,并可用以下公式表示： 定时器T1的溢出率=fosc/12×(2n-X) 其中X为定时器T1的计数初值,n为定时器T1的位数,对于定时器方式0，取n=13；对于定时器方式1，取n=16；对于定时器方式2、3，取n=8。9.2 MCS-51单片机串行接口 常用波特率和定时器T1初值9.2 MCS-51单片机串行接口 注意：如果选定的波特率对应的初值C不是整数，则实际波特率与标准值就存在偏差，若晶振频率为12MHz，则标准波特率9600对应的初值C为252.745(SMOD1为0时的计算值)，由于初值C只能取最接近计算值的整数，因此，C取253(FDH)。而当C=253时，实际波特率为10417，与理论值相对误差为：约5.7%。

9.2 MCS-51单片机串行接口 实践表明：当两个串行通信设备之间的波特率误差超过2.5%时，串行通信将无法进行，且通信速率越高，发送、接收波特率的允许误差范围就越小。因此，当单片机控制系统需要与PC机通信时，单片机控制系统的晶振频率fosc往往不是整数(如6MHz、12MHz)，而是某一特定值，如11.0592MHz就是常用的一种晶振频率之一。9.2 MCS-51单片机串行接口9.3 MCS-51串行口的应用

串行口的编程 串行口需初始化后,才能完成数据的输入、输出。其初始化过程如下:

①按选定串行口的操作方式设定SCON的SM0、SM1两位二进制编码。 ②对于操作方式2或3,应根据需要在TB8中写入待发送的第9位数据。 ③若选定的操作方式不是方式0,还需设定接收/发送的波特率。设定SMOD的状态,以控制波特率是否加倍。若选定操作方式1或3,则应对定时器T1进行初始化以设定其溢出率。9.3.1 串口在方式0下的应用 当串行口工作于方式0时，串行口本身相当于“并入串出”(发送状态)或“串入并出”(接收状态)的移位寄存器。8位串行数据b0～b7依次从RDX(P3.0)引脚输出或输入，移位脉冲信号来自TXD(P3.1)引脚，输出/输入移位脉冲频率固定为系统时钟频率fosc的12分频(对于8XC5X2芯片来说，在“6时钟/机器周期”模式下，移位脉冲频率是时钟频率fosc的6分频)，不可改变。9.3 MCS-51串行口的应用1、方式0的串行输出：使用74LS164，如下图 最简的程序可以写为： MOV SCON,#00000000B ;定义串行工作方式 CLR TI ;清除发送中断标志 MOV SUBF,A ;输出串行数据LOOP: JNB TI,LOOP ;等待一帧数据发送结束9.3 MCS-51串行口的应用说明： 使用中断方式时，在中断处于开放状态下(串行中断允许ES为1，中断允许EA为1)，当TI有效时，将产生串行中断请求。值得注意是CPU响应串行中断后，不会自动清除TI，需要用“CLRTI”指令清除TI，以便输出新的串行数据。 9.3 MCS-51串行口的应用2、方式0的串行输入：使用74LS165，如下图 RxD引脚接74LS165芯片的串行数据输出端，TxD引脚接74LS165芯片的移位脉冲CLK。其工作过程见如下说明：9.3 MCS-51串行口的应用 说明：在接收中断标志RI为0(即无效，表明串行数据输入缓冲器SBUF空)情况下，当REN=1时，即可启动串行接收过程：在移位脉冲(来自TXD引脚)作用下，165芯片并行数据b0～b7逐一移到RDX引脚，并保存到CPU内的串行接收缓冲器内，当接收到b7位数据时，串行接收中断标志RI为1，表明已接收了一帧数据，CPU可以读SBUF寄存器。这样，在REN为1后，可通过查询RI标志来确定接收过程是否完成。当然，在中断处于开放状态下(串行中断允许ES为1，中断允许EA为1)，当RI有效时，将产生串行中断请求。注意：CPU响应串行中断后，不会自动清除RI，需要用“CLRRI”指令清除RI，以便接收新的数据。参考程序如下： MOV SCON,#00000000B ;定义串行工作方式0 CLR P1.7 ;输出送数脉冲(允许165芯片 ;接收并锁存并行输入端数据) NOP SETB P1.7 ;延迟一个机器周期后， ;取消送数负脉冲 CLR RI ;清除接收中断标志RI SETB REN ;允许接收LOOP: JNB RI,LOOP ;等待一帧数据接收结束 MOV A,SBUF ;读串行输入数据9.3 MCS-51串行口的应用9.3.2 串行口在其他方式下的应用 在方式1、2、3下，串口用于异步通信，不同之处在帧格式和波特率的差异。 方式1为8位数据位,方式3为9位数据位,两种方式的波特率都是受定时器T1的溢出率控制。 在用方式1或方式3实现串行异步通信时,初始化程序要设定串行口的工作方式,并对定时器T1进行初始化,即设定定时器方式和定时器初值。此外,还要编写发送子程序和接收子程序。9.3 MCS-51串行口的应用1、方式1 当SM1、SM0为01时，选中串行口工作在方式1，8位的异步串行通信方式，其中TXD是发送端，RXD是接收端。发送或接收一帧信息包括1位起始位(固定为0)、8位串行数据(低位在前，高位在后)和一位停止位(固定为1)共10位，波特率与定时器T1(或T2)溢出率、SMOD位有关(可变)。9.3 MCS-51串行口的应用

①方式1的发送过程如下：在TI为0的情况下(表示当前不处于发送状态，串行口发送控制电路处于空闲状态)，任何写串行数据输出缓冲器SBUF指令(如MOVSBUF,A)均会触发串行发送过程：51串行口自动在8个串行数据位的前、后分别插入一个起始位(0)和一个停止位(1)，构成10位信息帧，然后按设定的波特率依次输出起始位(0)、8个数据位(顺序为b0～b7)和停止位(1)。当8位数据(即b7位)发送结束后(即开始发送停止位)，串行口自动将发送中断标志TI置1。这样执行了写SBUF寄存器操作后，可通过查询TI标志来确定发送过程是否已完成。若中断处于开放状态下，TI有效时，将产生串行中断请求。9.3 MCS-51串行口的应用 ②方式1的接收过程如下：在接收中断标志RI为0(即串行数据输入缓冲器SBUF处于空闲状态)情况下，当REN位为1时，串行口即处于接收状态。在接收状态下，存在两个定时信号：一个是移位脉冲信号(即发送波特率)；另一个是RXD引脚电平状态检测信号(也称为数据检测脉冲)，它的频率是移位脉冲的16倍。进入接收状态后，串行口便按数据检测脉冲速率不断检测RXD引脚的电平状态，当发现RXD引脚由高电平变为低电平后——表明发送端开始发送起始位(0)，启动接收过程，并复位接收波特率发生器，使数据检测脉冲与接收移位脉冲保持同步，然后按设定波特率顺序读出数据位和停止位。9.3 MCS-51串行口的应用 当接收完一帧信息(即接收到停止位)后，如果RI位为0，便将“接收移位寄存器”中的内容装入串行数据输入缓冲寄存器SBUF中，停止位装入SCON寄存器的RB8位中，并将串行接收中断标志RI置1。这样通过查询RI标志即可确定接收过程是否已完成。若中断处于开放状态下，RI有效时，也产生串行中断请求。不过值得注意是CPU响应串行中断后，不会自动清除RI，需要用“CLRRI”指令清除RI，以便接收下一帧信息。9.3 MCS-51串行口的应用2、方式2和方式3 当SM0、SM1为10、11时，串行口工作于方式2、方式3。方式2和方式3都是9位异步串行通信口，区别是方式2的波特率固定为时钟频率的32或64分频，不可变，因此不常用(原因是与其他串行通信设备连接困难)。而方式3的波特率与T1(或T2)定时器的溢出率、电源控制寄存器PCON的SMOD位有关，可调。选择不同的初值或晶振频率，即可获得常用的波特率，因此方式3较常用。下面以方式3为例，介绍串行口9位异步通信过程。9.3 MCS-51串行口的应用

①数据发送：其实方式3与方式1之间的区别是：方式3是9位的异步串行通信方式，一帧信息为11位，由一位起始位(0)、9位数据、一位停止位(1)组成。因方式3需要发送9位串行数据，低8位存放在SBUF寄存器中，第9位(b8)存放在SCON寄存器的TB8位。因此，发送前必须先通过位传送指令将第9位数据写入SCON的TB8位，然后才能执行写串行数据发送缓冲寄存器SBUF，启动发送过程。第9位(b8)内容没有规定，可以是数据，也可以是奇偶校验位，在多机通信中，常作为数据/地址标志或其他控制位。因此，串行口方式3应用范围更广。9.3 MCS-51串行口的应用

②数据接收：在方式3中，当REN位为1时，使串行口进入接收状态。接收的信息从RXD引脚输入，接收到的低8位数据存放在“移位寄存器”中，第9位(b8)存放在SCON寄存器的RB8中。在方式3下，启动接收过程后，如果RI=0、SM2=0(单机方式)，则接收到第9位(b8)数据后，串行口便将存放在移位寄存器中的8位数据装入串行接收数据缓冲寄存器SBUF中，并自动将串行接收中断标志RI置1。如果不满足RI=0、SM2=0条件，本次接收信息无效，接收到第9位数据后，不将“移位寄存器”内容装入SBUF特殊功能寄存器，RI也不会置1。9.3 MCS-51串行口的应用 其中RI为0条件可提供“接收缓冲器SBUF空闲”信息，防止后接收数据覆盖以前接收的数据；而设置“SM2为1，接收的第9位数据必须1，接收才有效”条件为了实现多机通信(当SM2为0，不论第9位数据为低电平还是高电平均能接收，是为了在非多机通信条件下，接收发送端的奇偶校验位)。 方式2、3的有效接收条件与方式1似乎不同，但实际上没有区别。因为在方式1中，串行口把停止位(1)作为第9位(即b8)写入SCON寄存器的RB8位，而停止位总是1，因此在方式1中只要接收到停止位，RB8位就一定是1，满足了“SM2为1时，RB8位为1”的接收条件，于是在方式1中，只要RI为0，就能正常接收。9.3 MCS-51串行口的应用例：设甲乙机以串行方式1进行数据传送，fosc=11.0592MHz，波特率为1200b/s。甲机发送的16个数据存在内RAM40H～4FH单元中，乙机接收后存在内RAM50H为首地址的区域中。

T1初值=256-×=232=E8H3212×1200解： 串行方式1波特率取决于T1溢出率(设SMOD=0), 计