单片机串行接口

单片机串行接口1第1页，共82页，2023年，2月20日，星期一MCU中常用的几种串行接口标准串行接口：数据一位接一位顺序传送，可只用一根数据线传送多位信息。UART：通用异步接收器/发送器I2C：二线，芯片有地址，有总线争用机制2第2页，共82页，2023年，2月20日，星期一典型的I2C总线系统3第3页，共82页，2023年，2月20日，星期一用口线模拟串行总线4第4页，共82页，2023年，2月20日，星期一#include<reg51.h> //要用到sfr#defineucharunsignedcharsbitNCS=P1^0;sbitSCK=P1^1;sbitSI=P1^2;voidshiftbyte(ucharbyte);main(){uchardata*p=0x30;NCS=0;shiftbyte(0xa); //由图中读出第一字节为0xa0shiftbyte(0x23); //低8位地址shiftbyte(*p);NCS=1;while(1);}5第5页，共82页，2023年，2月20日，星期一voidshiftbyte(ucharbyte)//将1字节数据由并变串由口线移出{uchari;for(i=0;i<8;i++){NCK=0;SI=(bit)(byte&0x80);//强制将char转换成bit类型并赋值给口线NCK=1;byte<<=1; //左移1位}}6第6页，共82页，2023年，2月20日，星期一UART原理收发双方约定通信帧格式、波特率等，根据波特率各自维持位定时，而帧的开始靠一位起始位确定。如波特率1000，每1ms移一位，收发速率不要求严格相等，只要在一帧的范围内没有错开半位即可正确收发。7第7页，共82页，2023年，2月20日，星期一8第8页，共82页，2023年，2月20日，星期一全双工和半双工9第9页，共82页，2023年，2月20日，星期一回忆8051结构特点：由单一内部总线连接各功能模块，通过特殊功能寄存器（SFR）集中控制。嵌入式结构，不同型号引脚定义和SFR定义有所不同，因此，从两个方面来认识和掌握某一个功能模块。 相关引脚功能 相关SFR功能10第10页，共82页，2023年，2月20日，星期一第11页，共82页，2023年，2月20日，星期一串行口相关引脚12第12页，共82页，2023年，2月20日，星期一串行口相关SFRSCON:串口控制寄存器SBUF：数据缓冲器PCON:电源控制，最高位为波特率倍增器13第13页，共82页，2023年，2月20日，星期一串行接口内部结构示意图第14页，共82页，2023年，2月20日，星期一发送控制器、接收控制器、输出门、输入移位寄存器以及2个物理上互相独立的接收/发送缓冲器（可同时发送和接收数据）。

发送缓冲器只能写入不能读出,接收缓冲器只能读出不能写入。两个缓冲器可共用一个地址99H，不可按位寻址。 SBUF=0x55; //写发送缓冲器 rbyte=SBUF; //读接收缓冲器串行口的构成及SBUF15第15页，共82页，2023年，2月20日，星期一SM0SM1:串行口操作模式选择位。可以确定串行口的四种模式之一(如下表)：串行口控制寄存器SCON，地址:98H，可以按位寻址16第16页，共82页，2023年，2月20日，星期一

RI:串行口完成一帧接收时置位（此时可以读取收到的1个字节)，申请中断，CPU响应中断后应由软件清零;

TI:串行口完成一帧发送时置位（此时可以发下一个字节），申请中断，CPU响应中断后应由软件清零;

RB8:在9位数据传送的模式2、3时,是接收到的第9位数据;

TB8:在9位数据传送的模式2、3时,是将要发送的第9位数据;REN:允许接收位,REN=1时允许接收;

SM2：多机通信控制位。串行口控制寄存器SCON，地址:98H，可以按位寻址SM0SM1SM2RENTB8RB8TIRI17第17页，共82页，2023年，2月20日，星期一

SMOD:波特率倍增器，1:加倍，0:不加倍;

IDL:置1进入省电的待机状态(Idle);

PD:置1进入更省电的掉电状态(PowerDown);GF0,GF1:通用标志，一般配合进出低功耗状态使用。电源控制寄存器PCON，地址:87H，不可按位寻址18第18页，共82页，2023年，2月20日，星期一第一节概述

第三节模式1及其应用第四节模式2、3及其应用第二节模式0及其应用19第19页，共82页，2023年，2月20日，星期一串行口的模式0特点:串行口做同步移位寄存器用，在这种模式下:RXD(P3.0)作为数据线，低位在前；TXD(P3.1)作为移位脉冲输出端，每个机器周期移位一次，速率为Fosc/12。模式0的主要功能是:可以使用一个串行口来扩展出8位、16位等并行口,且理论上可以扩展n*8位的并行口。相当于串并、并串转换。20第20页，共82页，2023年，2月20日，星期一21第21页，共82页，2023年，2月20日，星期一模式0输出时序图22第22页，共82页，2023年，2月20日，星期一模式0输入时序图输入过程也是有8051主动发起的，并送出时钟。这一点与模式1、2、3的情况不同，它们的输入是被动的，由RXD引脚上的负跳变启动。23第23页，共82页，2023年，2月20日，星期一例1扩展1个16位并行输出口，并将16进制数1234H由扩展口输出。24第24页，共82页，2023年，2月20日，星期一#include<reg51.h> sbitSTB=P1^0;voidout16(unsignedintdat16){STB=0; /*4094进入串行移位状态*/SBUF=dat16&0xff;while(!TI);TI=0;/*先送低8位,等移完*/SBUF=dat16>>8;while(!TI);TI=0;/*再送高8位,等移完*/STB=1; /*同时并行输出*/}main(){SCON=0x0; /*串口模式０:移位寄存器方式*/out16(0x1234); /*由扩展口送出0x1234*/while(1); /*main循环结束*/}编程实现25第25页，共82页，2023年，2月20日，星期一例2扩展1个16位并行输入口，把由扩展口读入的16位数存入一个整型变量中。26第26页，共82页，2023年，2月20日，星期一#include<reg51.h> sbitP_S=P1^0;unsignedintin16(void);/*声明函数*/main(){unsignedintdat16;SCON=0x0;REN=1; /*串口模式０,允许接收*/dat16=in16(); /*由扩展口读入的数存入变量中*/while(1); /*main循环结束*/}编程实现27第27页，共82页，2023年，2月20日，星期一unsignedintin16(void){unsignedinttmp;P_S=1;P_S=0; /*4014并行输入后立即进入串行移位状态*/while(!RI);RI=0; /*查询等高8位移完*/tmp=SBUF;tmp<<=8;/*读入后送到临时变量的高8位*/while(!RI);RI=0; /*查询等低8位移完*/tmp+=SBUF; /*合成16位数*/return(tmp); /*返回得到的16位数*/}编程实现(续)28第28页，共82页，2023年，2月20日，星期一第一节概述第二节模式0及其应用

第四节模式2、3及其应用第三节模式1及其应用29第29页，共82页，2023年，2月20日，星期一特点:10位传输格式(1个起始位+8个数据位+1个停止位);波特率:可变波特率,由定时器T1的溢出率来确定,所以在此种模式下,首先要对T1进行初始化以确定串行口的波特率。30第30页，共82页，2023年，2月20日，星期一模式1帧格式31第31页，共82页，2023年，2月20日，星期一模式1原理示意图（发送部分）第32页，共82页，2023年，2月20日，星期一由写SBUF启动，在8位数据后加上一个停止位。 开始发送，但DATA无效，送出一个起始位当零检测器全0，再作最后一次移位，并置TI发送过程33第33页，共82页，2023年，2月20日，星期一发送时序34第34页，共82页，2023年，2月20日，星期一再做最后一次移位同时TI置1，发送1帧完成。零检测器变化过程35第35页，共82页，2023年，2月20日，星期一模式1原理示意图（接收部分）第36页，共82页，2023年，2月20日，星期一在REN=1的条件下进行。串行口的接收控制器对RXD线进行采样，其采样频率是接收波特率的16倍。当检测到RXD上有负跳变后,复位16分频计数器,当计数器计到第7、8、9时,分别对RXD进行采样,若有2个以上的0，则认为检测到起始位并开始接收过程，此后每一位的判决都按照这种“3取2”的原则进行。装载接收移位寄存器的数据进入SBUF中就完成了一帧的接收过程，但必须满足两个条件,否则数据丢失：RI=0，表示前面接收的数据已经被取走。SM2=0或第9位为1。（对于模式1，第9位是停止位）接收过程37第37页，共82页，2023年，2月20日，星期一接收时序38第38页，共82页，2023年，2月20日，星期一移位寄存器变化过程再作最后一次移位，并装入SBUF,同时置位RI，接收1帧完成。39第39页，共82页，2023年，2月20日，星期一波特率（BaudRate）计算

（适用于模式1、3）在串行口的异步通讯中，发送方与接收方是两个互相独立的系统，它们的系统时钟可以各不相同。在这种条件下使通讯正确的条件是：1，要有相同的帧格式；2，要有相同或相近的波特率(<4%)。模式1、3的波特率是由定时器T1的溢出率来决定的（另外PCON中的SMOD位起着波特率加倍的作用）。在编制串行口通讯（模式1、3）程序时，须对T1进行初始化。40第40页，共82页，2023年，2月20日，星期一波特率（BaudRate）计算

（适用于模式1、3）T1初始化的主要任务就是：设置T1工作在模式2，定时。8位自重装定时器。根据晶振频率和需要的波特率，计算重装载值，分别送给TH1、TL1。波特率计算公式：BR=T1溢出率=（计数速率）/[256-（TH1）]=(Fosc/12)/[256-（TH1）]41第41页，共82页，2023年，2月20日，星期一BR=32*12*[256–(TH1)]2SMOD*Fosc因此得到更多情况下，已知Fosc和BR，要计算TH1的重装载值(TH1)=256-32*12*BR2SMOD*Fosc42第42页，共82页，2023年，2月20日，星期一【举例】设系统时钟为11.0592MHz，要求波特率为1200，求TH1的重装载值。【解】选SMOD=0，用上述公式(TH1)=256-32*12*120011059200=232=0E8H因此得到TH1的重装载值为0E8H。

43第43页，共82页，2023年，2月20日，星期一注意如果晶体频率是其它值，得到的装载值4舍5入，与标准波特率有一定误差，但一般只要误差不大仍能够正常通信。【举例】设系统时钟为12MHz，要求波特率为1200，求TH1的重装载值。【解】选SMOD=0，用上述公式(TH1)=256-32*12*120012000000=229.95=230=0E6H因此得到TH1的重装载值为0E6H，实际波特率为：计算波特率的例子BR=32*12*[256–230]12000000=1201.944第44页，共82页，2023年，2月20日，星期一常用波特率与晶体和T1设置对照表45第45页，共82页，2023年，2月20日，星期一例1发送字符串“HelloWorld!\n”至串口，要求波特率为1200，采用串口模式1，最高位约定做奇校验位，已知Fosc=11.0592MHz。46第46页，共82页，2023年，2月20日，星期一分析：奇偶校验由于传输的是ASCII字符（0-7FH），只需要7位，对于模式1有8个数据位，将最高位做奇校验位，保证形成的8位中1的个数始终是奇数个；接收方收到每一个字节后进行奇偶判断，若为奇则认为无误，若为偶则表示出错，这种方法可以检测出奇数个误码。例如，若要发送0x00，加奇校验位后变成0x80;若要发送0x01，加奇校验位后仍为0x01。接收方判断无错后去掉最高位，还原需要的数据。47第47页，共82页，2023年，2月20日，星期一回忆PSW：程序状态字，存放指令执行后的有关状态P：(PSW.0)奇偶标志位，用来标志累加器ACC中1的个数，可以用在串行通信中作奇偶校验判断。当P=1时,表明A中1的个数为奇数个,反之为偶数个。

ACC=0x0; /*P=0*/ ACC=0x80; /*P=1*/48第48页，共82页，2023年，2月20日，星期一分析：波特率要求波特率为1200，采用串口模式1，已知Fosc=11.0592MHz。由上述条件计算或查表得到T1的重装载值为0E8H49第49页，共82页，2023年，2月20日，星期一#include<reg51.h> sbitparity=ACC^7; /*定义ACC.7作奇校验位*/unsignedchartx_string[14]=“HelloWorld!\n”;/*定义待发送字符串，也可以加code存储类型，如:unsignedcharcodetx_string[14]=“HelloWorld!\n”*/编程实现50第50页，共82页，2023年，2月20日，星期一main(){unsignedchari; /*定义1个循环变量*//*首先定义T1模式2作波特率发生器，波特率为1200并启动运行*/TMOD=0x20;TH1=0xE8;TL1=0xE8;TR1=1;SCON=0x40; /*串口模式1,未允许接收*/for(i=0;i<14;i++) /*循环发送14个字符*/{ACC=tx_string[i]; /*取一个字符*/parity=P; /*获取当前的奇偶特性*/parity=!parity; /*一律改成奇校验,此时P=1*/SBUF=ACC; /*开始发送*/while(!TI);TI=0; /*等这1个字节发完才能发下1字节*/}//endofforwhile(1); /*循环结束*/}//endofmain

编程实现(续)51第51页，共82页，2023年，2月20日，星期一例2串口不断接收发来的字符串，已知字符串长度为14字节，若14字节均无错则使接在P1.0引脚上的绿色LED闪烁3次后点亮，若有错则使接在P1.1引脚上的红色LED闪烁3次后点亮，要求波特率为1200，采用串口模式1，最高位约定做奇校验位，已知Fosc=11.0592MHz。52第52页，共82页，2023年，2月20日，星期一用2个LED表示状态53第53页，共82页，2023年，2月20日，星期一#include<reg51.h> sbitRED_LED=P1^1; /*红灯*/sbitGREEN_LED=P1^0; /*绿灯*/unsignedcharrx_string[14];/*接收缓冲区*/bitreceive_string(void); /*声明接收14字节字符串函数*/flash_RED_LED_3(); /*声明红灯闪烁3次函数*/flash_GREEN_LED_3(); /*声明绿灯闪烁3次函数*/编程实现54第54页，共82页，2023年，2月20日，星期一main(){/*首先定义T1模式2作波特率发生器，波特率为1200并启动运行*/TMOD=0x21;TH1=0xE8;TL1=0xE8;TR1=1;SCON=0x50; /*串口模式1,允许接收*/for(;;){if(receive_string()) //函数返回bit{GREEN_LED=1; //有错绿灯灭flash_RED_LED_3(); //红灯闪烁3次RED_LED=0;} //以后一直亮else{RED_LED=1;flash_GREEN_LED_3();GREEN_LED=0;}}//endoffor(;;)}//endofmain编程实现55第55页，共82页，2023年，2月20日，星期一bitreceive_string(void){biterror_bit=0; //1:有错,0:没错unsignedchari;for(i=0;i<14;i++) {while(RI==0);RI=0; //查询接收,等收到1字节ACC=SBUF; //读入ACC便于判断Pif(!P)error_bit=1; //偶校验错,置标志后继续else{ACC&=0x7F; //未出错则去掉校验位 rx_string[i]=ACC;}//存入缓冲区} returnerror_bit; //返回出错标志}编程实现(续1)56第56页，共82页，2023年，2月20日，星期一flash_RED_LED_3() /*红灯闪烁3次函数*/{unsignedchari,j; /*定义循环变量*/

TMOD=0x21;TR0=1; /*T0模式1,运行*/for(i=0;i<6;i++) /*闪烁3次*/{for(j=0;j<5;j++) /*5*50ms=0.25s*/{TH0=0x3C;TL0=0xB0;while(!TF0);TF0=0;}RED_LED=!RED_LED; /*每隔0.25秒亮暗交替变化*/}TR0=0; /*关掉定时器*/}

编程实现(续2)57第57页，共82页，2023年，2月20日，星期一flash_GREEN_LED_3() /*绿灯闪烁3次函数*/{unsignedchari,j; /*定义循环变量*/

TMOD=0x21;TR0=1; /*T0模式1,运行*/for(i=0;i<6;i++) /*闪烁3次*/{for(j=0;j<5;j++) /*5*50ms=0.25s*/{TH0=0x3C;TL0=0xB0;while(!TF0);TF0=0;}GREEN_LED=!GREEN_LED;/*每隔0.25秒亮暗交替变化*/}TR0=0; /*关掉定时器*/}

编程实现(续3)58第58页，共82页，2023年，2月20日，星期一例3设串口每次收到上位机传来的命令55H，便将内部RAM中30H至3FH的数据发送出去，若不是55H便不做任何响应。要求波特率为19200，不用校验，已知Fosc=11.0592MHz。59第59页，共82页，2023年，2月20日，星期一分析这是典型的受上位机控制的通信过程。下位机平时可以一直查询等上位机命令；也可以用中断方式响应，提高效率，采取“中断进入，查询收发”的策略，没有通信命令的时候不予理会，有通信需要的时候集中处理，而不是每个字节都采用中断方式。60第60页，共82页，2023年，2月20日，星期一#include<reg51.h> main(){unsignedchardata*p,i;TMOD=0x20;TH1=0xFD;TL1=0xFD;PCON=0x80;TR1=1;//T1模式2作波特率发生器，SMOD=1,波特率为19200并启动运行SCON=0x50; /*串口模式1,允许接收*/for(;;){while(!RI);RI=0;

if(SBUF!=0x55)continue;p=0x30;for(i=0;i<16;i++) //查询发送30H开始的16字节

{SBUF=*p++;while(!TI);TI=0;}}}编程实现(查询方式)61第61页，共82页，2023年，2月20日，星期一#include<reg51.h> main(){unsignedchardata*p,i;TMOD=0x20;TH1=0xFD;TL1=0xFD;PCON=0x80;TR1=1;//T1模式2作波特率发生器，SMOD=1,波特率为19200并启动运行SCON=0x50; /*串口模式1,允许接收*/ES=1;EA=1; /*允许串口中断*/for(;;); /*循环结束，等中断*/}编程实现(中断进入、查询收发)62第62页，共82页，2023年，2月20日，星期一voidserial(void)interrupt4{unsignedchardata*p,i;if(TI){TI=0;return;} //一般要判断是TI或RI为1，此时多余RI=0;if(SBUF!=0x55)return;//不是55H返回p=0x30;for(i=0;i<16;i++) //查询发送30H开始的16字节{SBUF=*p++;while(!TI);TI=0;}}}编程实现(中断进入、查询收发)续63第63页，共82页，2023年，2月20日，星期一第一节概述第二节模式0及其应用第三节模式1及其应用

第四节模式2、3及其应用64第64页，共82页，2023年，2月20日，星期一特点:模式2和3都是11位传输格式(1个起始位+9个数据位+1个停止位)，两种模式唯一不同之处是波特率;模式2：固定为Fosc/64或Fosc/32(由PCON中的 SMOD位来决定）。SMOD=1,Fosc/32; SMOD=0,Fosc/64.模式3：与模式1一样由定时器T1的溢出率来确定。使用模式2不需要用定时器作为波特率发生器，节省一个定时器；但是波特率固定，且比较高，如果满足通信需求就可以选择这种模式。当Fosc=12MHz时，波特率分别是375000和187500。第9数据位（TB8/RB8）可以作为奇偶校验位，也可以用于多机通信控制，若不用校验，更多时候用模式1。模式2、3特点65第65页，共82页，2023年，2月20日，星期一模式2、3帧格式66第66页，共82页，2023年，2月20日，星期一发送时：将SCON中的TB8作为第9位数据发送，TB8可编程为0或1；发送SBUF+TB8构成9位数据，接收时：将接收来的第9位送到SCON中的RB8中：接收SBUF+TB8构成9位数据。TB8和RB867第67页，共82页，2023年，2月20日，星期一模式2、3的发送过程与模式1类似，主要的区别在于帧中数据是9位。这样，在发送一帧时，CPU除了要把8位数据送SBUF外，还要把第9位数据送到TB8中，但注意要先设定好TB8，然后再向SBUF送数，因为一写SBUF就开始发送。停止位单独生成，加在TB8之后。模式2、3的接收过程与模式1完全相同，只不过模式1时，SCON中的RB8是接收到的停止位（“1”）；而模式2、3时，RB8是接收到的第9位(发送方的TB8)。发送和接收过程68第68页，共82页，2023年，2月20日，星期一例4设串口每隔1秒钟便将片内RAM中50H至5FH中的数据串行发送，串行口设定为模式2，TB8作偶校验位，已知Fosc=12MHz。69第69页，共82页，2023年，2月20日，星期一分析将要发送的8位数据送入ACC;由奇偶标志P即可判断这8位中1的个数:P=1奇；P=0偶。如果让TB8=P,则9位数据中1的个数总是偶数个，这样就实现了偶校验。TB8作偶校验位:

TB8作偶校验位:串行口设定为模式2，无需用T1作波特率发生器；70第70页，共82页，2023年，2月20日，星期一分析1s=50ms*20T0模式1，重装载值TC=65536–50ms/1us=15536=3CB0H71第71页，共82页，2023年，2月20日，星期一#include<reg51.h> voidsend16(void){unsignedchardata*p,i; /*定义指针及循环变量*/p=0x50; /*指向内部RAM50H单元*/for(i=0;i<16;i++) /*循环发送16个字节*/{ACC=*p++; /*取一个字节*/TB8=P; /*加偶校验*/SBUF=ACC; /*开始发送*/while(!TI);TI=0; /*等这1个字节发完才能发下1字节*/}}编程实现72第72页，共82页，2023年，2月20日，星期一main(){SCON=0x80; /*串口模式2,未允许接收*/PCON=0x80; /*波特率为Fosc/32*/TMOD=1;TR1=1; /*T0模式1定时*/while(1){for(i=0;i<20;i++) {TH0=0x3C;TL0=0xB0;while(!TF0);TF0=0;}/*等1秒钟*/send16(); /*调用发送16字节函数*/} }//endofmain

编程实现(续)73第73页，共82页，2023年，2月20日，星期一例5接收上例中的数据，存入一个接收缓冲区，并进行出错判断。74第74页，共82页，2023年，2月20日，星期一#include<reg51.h> unsignedcharrx_string[16];/*接收缓冲区*/bitreceive_string(void); /*声明接收16字节字节函数*/编程实现75第75页，共82页，2023年，2月20日，星期一#include<reg51.h> unsignedcharrx_string[16];/*接收缓冲区*/bitreceive_string(void); /*声明接收16字节字节函数*/main(){SCON=0x90; /*串口模式2,允许接收*/PCON=0x80; /*BR=Fosc/32*/for(;;){if(receive16())error(); //返回1，错，函数省略else right(); //返回0，对，函数省略}