单片机原理及应用 课件 【ch07】串 行 接 口

第七章串行接口工业和信息化部“十四五”规划教材单片机原理及应用01串行通信基础

并行通信：数据的各位同时进行传送(发送或接收)的通信方式。其优点是数据传送速度快；其缺点是数据有多少位，就需要多少根传送线。图7-1(a)为80C51单片机与外设间8位数据并行通信的连接方法。串行通信基础

串行通信：数据的各位一位一位顺序传送的通信方式。其优点是数据传送线少，这就大大降低了传送成本，特别适用于远距离通信。其缺点是传送速度较低。图7-1(b)为串行数据通信方式的连接方法。串行通信基础异步通信(AsynchronousCommunication)字符帧(CharacterFrame)在异步通信中，接收端是依靠字符帧格式来判断发送端是何时开始发送，何时结束发送的。字符帧格式是异步通信的一个重要指标。异步通信的另一个重要指标为波特率。波特率为每秒钟传送二进制数码的位数，也叫比特数，单位为bit/s，即位/秒。波特率用于表征数据传输的速率，波特率越高，数据传输速率越快。串行通信的分类字符帧也叫数据帧，由起始位、数据位、奇偶校验位和停止位四部分组成，如图7-2所示。串行通信的分类同步通信(SynchronousCommunication)同步通信是一种连续串行传送数据的通信方式，一次通信只传输一帧信息。这里的信息帧和异步通信的字符帧不同，通常有若干个数据字符，如图7-3所示。串行通信的分类串行通信的制式按照数据传送方向，串行通信可分为单工(Simplex)、半双工(HalfDuplex)和全双工(FullDuplex)3种制式。图7-4为3种制式的示意图。20%30%40%50%能够完成异步通信的硬件电路称为通用异步接收器/发送器(UniversalAsychronousReceiver/Transmitter，UART);能够完成同步通信的硬件电路称为通用同步接收器/发送器(UniversalSychronousReceiver/Transmitter，USRT);既能够完成异步又能完成同步通信的硬件电路称为通用同步/异步接收器/发送器(UniversalSychronous/AsychronousReceiver/Transmitter，USART)。串行通信的接口电路02通信总线标准及其接口RS-232C信息格式标准

RS-232C采用串行格式，信息格式如图7-5所示。该标准规定：信息的开始为起始位，信息的结束为停止位；信息本身可以是5、6、7、8位，再加一位奇偶校验位。RS-232C接口RS-232C电平转换器RS-232C规定了自己的电气标准，由于它是在TTL电路之前研制的，所以它的电平不是+5V和地，而采用负逻辑，即：逻辑“0”:+5V～+15V逻辑“1”:-15V～-5VRS-232C接口RS-232C总线规定RS-232C标准总线为25根，采用标准的D型25芯插头座，现在25芯插头座已很少采用，一般简化为9芯D型插座。读者欲了解其引脚安排的详细知识，可参阅相关资料。在简单的全双工系统中，仅用发送数据、接收数据和信号地三根线即可，对于80C51单片机，利用其RXD(串行数据接收端)线、TXD(串行数据发送端)线和一根地线，就可以构成符合RS-232C接口标准的全双工通信口。RS-232C接口RS-449、RS-422A、RS-423A标准接口RS-449标准接口RS-449是1977年公布的标准接口，在很多方面可以代替RS-232C使用，两者的主要差别在于信号在导线上的传输方法不同。RS-232C是利用传输信号与公共地的电压差，而RS-449是利用信号导线之间的信号电压差。RS-449规定了两种接口标准连接器，一种为37脚，另一种为9脚。RS-449可以不使用调制解调器，它比RS-232C传输速率高，通信距离长，且由于RS-449系统用平衡信号差传输高速信号，所以噪声低，又可以多点或者使用公共线通信，故RS-449通信电缆可与多个设备并联。RS-422A、RS-423A标准RS-422A接口电路如图7-7所示，发送器75174将TTL电平转换为标准的RS-422A电平；接收器75175将RS-422A接口信号转换为TTL电平。RS-449、RS-422A、RS-423A标准接口RS-422A、RS-423A标准RS-423A也需要进行电平转换，常用的驱动器和接收器为3691和26L32。其接口电路如图7-8所示。RS-449、RS-422A、RS-423A标准接口

图7-9是一个实用的20mA电流环接口电路。它是一个加上光电隔离的电流环传送和接收电路。在发送端，将TTL电平转换为环路电流信号，在接收端又转换成TTL电平。20mA电流环接口20mA电流环接口

通信速度和通信距离通常的标准串行接口，都有满足可靠传输时的最大通信速度和传送距离指标，但这两个指标具有相关性，适当降低传输速度，可以提高通信距离，反之亦然。抗干扰能力通常选择的标准接口，在保证不超过其使用范围时都有一定的抗干扰能力，以保证可靠的信号传输。但在一些工业测控系统中，通信环境十分恶劣，因此在通信介质选择、接口标准选择时，要充分考虑抗干扰能力，并采取必要的抗干扰措施。0380C51的串行接口80C51串行接口结构80C51内部有两个独立的接收、发送缓冲器SBUF，SBUF属于特殊功能寄存器。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，二者共用一个字节地址(99H)。串行口结构示意图如图7-10所示。20%30%40%50%串行口数据缓冲器SBUFSBUF是两个在物理上独立的接收、发送寄存器，两个缓冲器共用一个地址99H，通过对SBUF的读、写指令来区别是对接收缓冲器还是发送缓冲器进行操作。CPU在写SBUF时，就是修改发送缓冲器；读SBUF，就是读接收缓冲器的内容。接收或发送数据，是通过串行口对外的两条独立收发信号线RXD(P3.0)、TXD(P3.1)来实现的。80C51串行接口结构串行口控制寄存器SCON收发双方都有对SCON的编程，SCON用来控制串行口的工作方式和状态，可以位寻址，字节地址为98H。单片机复位时，SCON被清零。其格式如下：80C51串行接口结构串行口控制寄存器SCONSM0、SM1为串行方式选择位，定义如表7-1所示。SM2:多机通信控制位，用于方式2和方式3中。在方式2和方式3处于接收时，若SM2=1，RB8=0，不激活RI，即RI=0;若SM2=1，且RB8=1时，则置RI=1。80C51串行接口结构电源及波特率选择寄存器PCON

PCON主要是为CHMOS型单片机的电源控制而设置的专用寄存器，不可以位寻址，字节地址为87H。在HMOS的80C51单片机中，PCON除最高位外其他位都是虚设的。其格式如下：80C51串行接口结构80C51串行接口的工作方式方式0在方式0下，串行口作同步移位寄存器用，波特率固定为fosc/12。串行数据从RXD(P3.0)端输入或输出，同步移位脉冲由TXD(P3.1)送出，这种方式常用于I/O口扩展。方式0在满足REN=1和RI=0的条件下，串行口即开始从RXD端以fosc/12的波特率输入数据(低位在前)，当接收完8位数据后，置中断标志位RI为1，请求中断。在再次接收数据之前，必须由软件清RI为0。具体接线图如图7-12所示。80C51串行接口的工作方式方式1在方式1下，串行口为波特率可调的10位通用异步接口UART，发送或接收一帧信息，包括1位起始位0，8位数据位和1位停止位1。其帧格式如图7-13所示。80C51串行接口的工作方式方式2方式2下，串行口为11位UART，传送波特率与SMOD有关。发送或接收一帧数据包括1位起始位0，8位数据位，1位可编程位(用于奇偶校验)和1位停止位1。其帧格式如图7-14所示。80C51串行接口的工作方式方式0和方式2在方式0中，波特率为时钟频率的1/12，即fosc/12，固定不变。在方式2中，波特率取决于PCON中的SMOD值。当SMOD=0时，波特率为fosc/64;当SMOD=1时，波特率为fosc/32，即80C51串行接口的波特率80C51串行接口的波特率方式1和方式3在方式1和方式3下，波特率由定时器1的溢出率和SMOD共同决定，即其中，T1的溢出率取决于单片机定时器1的计数速率和定时器的预置值。计数速率与TMOD寄存器中的C/T位有关。当C/T=0时，计数速率为fosc/12;当C/T=1时，计数速率为外部输入时钟频率。80C51串行接口的波特率方式1和方式3表7-2列出了各种常用的波特率及获得办法。若采用11.0592MHz的晶振，分析TMOD的设置，对照表7-2，可知串行通信的波特率应为2400bit/s。0480C51单片机之间的通信如果通信的两个单片机系统距离较近，可以将它们的串行口直接相连，实现双机通信，如图7-15所示。双机通信硬件电路为了增加通信距离，减少通道和电源干扰，可以在通信线路上采用光电隔离的方法，利用RS-422标准进行双机通信，实用的接口电路如图7-16所示。双机通信硬件电路这一功能通常采用主从式多机通信方式，在这种方式中，用一台主机和多台从机。主机发送的信息可以传送到各个从机或指定的从机，各从机发送的信息只能被主机接收，从机与从机之间不能进行通信。图7-17是多机通信连接示意图。多机通信多机通信在单片机串行口以方式2或方式3接收时，若SM2=1，则表示置多机通信功能位，这时有两种情况：①接收到第9位数据为1。此时数据装入SBUF，并置RI=1，向CPU发中断请求。②接收到第9位数据为0。此时不产生中断，信息将被丢失。若SM2=0，则接收到的第9位信息无论是1还是0，都产生RI=1的中断标志，接收的数据装入SBUF。根据这个功能，就可以实现多机通信。05PC和单片机之间的通信通信接口设计常用的有MC1488、MC1489和MAX232，图7-18给出了采用MAX232芯片的PC和单片机串行通信接口电路，与PC相连采用9芯标准插座。20%30%40%50%单片机通信软件

80C51通过中断方式接收PC发送的数据，并回送。单片机串行口工作在方式1，晶振频率为6MHz，波特率为2400bit/s，定时器1按方式2工作，经计算定时器预置值为0F3H，SMOD=1。软件编程PC方面的通信程序可以用汇编语言编写，也可以用其他高级语言如VC、VB来编写。PC通信软件06串行通信的差错控制编码技术差错控制编码从不同的角度出发，有不同的分类方法。①根据码组的功能，可分为检错码和纠错码两类。一般地说，检错码是指能自动发现差错的码。纠错码是指不仅能发现差错而且能自动纠正差错的码。②按照信息码元与监督码元的约束关系，又可分为分组码和卷积码两类。③按码组中监督码元与信息码元之间的关系可分为线性码和非线性码两类。差错控制编码的分类奇偶校验码奇偶校验码的这种监督关系可以用公式表示。设码组长度为n，表示为(am₁，an-2，aπ3，…，ao)，其中，前n-1位为信息码元，第n位为监督位ao。几种常用的差错控制编码几种常用的差错控制编码汉明码汉明码是1950年由美国贝尔实验室提出来的，是一种多重(复式)奇偶检错系统。它将信息用逻辑形式编码，以便能够检错和纠错。用在汉明码中的全部传输码字是由原来的信息和附加的奇偶校验位组成的。几种常用的差错控制编码汉明码如对k=4，r=3的码字进行汉明码编码，校验位采用偶校验，则需r=3次偶检查。这里3次检查分别(以R1、R₂、R₃表示)在表7-4所示各位的位置上进行。汉明码若有4位信息码1011，求3个校验位Pi、P₂、P₃的值，并生成汉明码编码，则可用上面3个公式解出(如表7-5所示)。几种常用的差错控制编码循环冗余校验码循环冗余校验码(CyclicRedundancyCheck，简称CRC码)，是一种能力非常强的检错、纠错码，并且实现编码和检码