单片机应用技术-基于STC15系列单片机 课件 5.1 单片机PC机串行通信的实现

项目

密码键盘的实现项目介绍项目：密码键盘的实现任务1：单片机PC机串行通信的实现任务2：数码管显示矩阵键盘键值任务3：密码键盘的设计密码键盘项目：综合应用了数码管、按键、串行通讯等模块。项目整体设计任务

单片机PC机串行通信的实现任务介绍实现单片机通过USB串口与PC机的连接；完成USB转串行口通信电路的搭建；完成方式1下双机串行通信的程序编写；实现通过串口，将26个字母’A’~’Z’发送出去。单片机PC机串行通信的实现单片机PC机串行通信的实现5.1.1数据通信的概念计算机CPU与外部设备之间、计算机与计算机之间的信息交换称为数据通信。基本的通信方式有两种：并行通信和串行通信。并行通信：所传送数据的各位同时进行发送或接收。如图5.2所示，并行方式传输一个字节（假定是8位二进制数10010011B）时，需要8条数据线，D0~D7是同时进行传送的。这种方式的特点是通信速度快，但传输线多，价格较贵，适合近距离传输。串行通信：所传送数据的各位按顺序一位一位地发送或接收。图5.3表示同样的数据进行串行通信，只需要一条数据线。最初传递的是D0位，然后是D1位，最后传递D7位。这种方式的特点是传输速度慢，但因数据传输线少，线路结构简单、抗干扰能力强，特别适用于远距离通信。单片机PC机串行通信的实现任务硬件设计5.1.2同步串行通信和异步串行通信1．同步通信在同步通信中，发送器和接收器由同一个时钟控制，发送方在时钟的控制下逐位发送数据，接收方在时钟的控制下逐位接收数据，由此实现收发双方的严格同步；发送端在发送数据之前，首先发送1~2个字节的特殊数据（称为同步字符），接收方一旦检测到规定的同步字符就开始接收，发送方接着连续按顺序传送n个字节的数据。当n个字节的数据发送完毕，发送校验码。同步通信如图5.4所示。2．异步串行通信：异步串行通信的数据或字符是一帧一帧地传送的，一帧数据由1位低电平的起始位、5~8位数据位、1位奇偶校验位，1~2位高电平的终止位组成。起始位：在通信线上没有数据传送时处于逻辑“1”状态，当发送器要发送一帧数据时，首先发出一个逻辑“0”信号，这个逻辑低电平就是起始位。起始位通过通信线传给接收器，当接收器检测到这个逻辑低电平后，就开始准备接收数据位信号。因此起始位表示一帧数据传送的开始。数据位：紧跟在起始位后的是数据位。数据位的位数可以是5、6、7、8位，传输时低位在先，高位在后。奇偶校验位：串行通信用于远距离数据传送时，受到的干扰较大，为了保证数据传送的可靠性，可在每帧数据的数据位后，加上奇偶校验位。奇校验：发送字符中（包括校验位内）含“1”的个数为奇数。偶校验：发送字符中（包括校验位内）含“1”的个数为偶数。在异步通信中，数据按图5.5的格式一帧接一帧地传送。在发送的间隙，即空闲时，通信线路总是处于逻辑“1”（高电平）状态，每个数据帧（字符）的传送均以逻辑“0”（低电平）开始。异步串行通信的线路比较简单，但是每一帧中的位数比较少，而且还要有启始位、终止位等用于同步的位，所以传送的效率不高、速度比较慢，而同步方式在数据传送时省去了起始位和停止位，一帧可以连续传送若干个字节，所以其速度高于异步传送，但对硬件结构要求较高。5.1.3通信方向串行通信有单工通信、半双工通信和全双工通信3种方式。单工通信：数据只能单方向地从一端向另一端传送。半双工通信：数据可以双向传送，但任一时刻只能向一个方向传送，即分时双向传送数据。全双工通信：数据可同时向两个方向传送，全双工通信效率最高，适用于计算机之间的通信。5.1.4波特率波特率：通信中对数据传送速率的规定，指每秒传送二进制数据的位数，单位为位/秒（bit/s）。例如：在某异步串行通信中，每传送一个字符需要10位（1位起始位、8个数据位、1位停止位），如果采用波特率为4800波特进行串行通信，则每秒可以传送480个字符。在串行通信中，收、发双方必须按照同样的速率进行串行通信，即收发双方采用相同的波特率。在串行传输中，二进制数据序列是以数字信号波形的形式出现的；发送时，在发送时钟作用下将发送移位寄存器的数据串行移位输出；接收时，在接收时钟的作用下将通信线上传来的数据串行移入移位寄存器。发送时钟和接收时钟也可称为移位时钟，产生移位时钟的电路称为波特率发生器。为了提高采样分辨率，准确地测定数据位的上升沿或下降沿，时钟频率总是高于波特率的若干倍，这个倍数称为波特率因子。在单片机中发送/接收时钟可以由系统时钟fosc产生，其波特率因子取为12、32、64，由于fosc为常数，这种方式也称为固定波特率方式；发送/接收时钟也可以由定时器T1产生，只要改变定时器的计数初值，就能改变由T1产生的时钟频率，因此称为可变波特率方式。5.1.5通信线的连接根据传输线路的电气特性，串行通信的传输速率随传输距离的增加而降低，通信距离不同，电路的连接方式也不相同。如果两片单片机相距很近，或在同一块PCB板上，通信双方的连接只需3根信号线：TXD（串行数据发送线）、RXD（串行数据接收线）和GND（地线），直接以TTL电平连接，如图5.7所示。通常需将TTL电平转换为RS232电平，以提高信号的幅度，增加传输距离，如图5.8所示，这种连接方式最大距离一般不超过15m。5.1.6RS-232简介RS-232是一种串行通信标准，是由美国电机工业协会（EIA）为了利用电话线及调制解调器进行数据通信而制定的，它对信号的功能、电气特性、连接器等都作了明确的规定。由于RS-232早期不是专为计算机通信设计的，因此有25针D型连接器和9针D型连接器，目前的PC机采用的都是9针D型连接器。这里仅对9针D型连接器进行说明。1.RS-232的信号

RS-232除了基本的数据收发线TXD、RXD外，还有用于收发双方联络、协调的握手信号。（1）基本的数据传送引脚

TXD：数据输出端，串行数据由此送出。

RXD：数据输入端，串行数据由此输入。

GND：信号地线。在串行通信中，最简单的通信只需连接这3根线。在PC机与PC机之间，PC机与单片机之间、单片机与单片机之间的数据通信大多采用这种连接方式。（2）握手信号

RTS：请求发送信号，输出。

CTS：清除传送，是对RTS的响应信号，输入。

DSR：数据通信准备就绪，输入。

DTR：数据终端就绪，表明计算机已做好接收准备，输出。

DCD：数据载波检测，输入。以上握手信号在和调制/解调器连接时使用，为便于理解，我们举例如下：当一台PC机与调制解调器相连，要向远方发送数据时，如果PC机作好了发送准备，就用RTS信号通知调制解调器；当调制解调器也作好发送数据的准备，就向PC机发出CTS信号，RTS和CTS这对握手信号沟通后，就可以进行串行数据发送了。当PC机要从远方接收数据时，如果PC机作好了接受准备，就发出DTR信号通知调制解调器；当调制解调器也作好接收数据的准备就向PC机发出DSR信号，DTR和DSR这对握手信号沟通后，就可以进行串行数据接收了。2.

接口的电气特性RS-232采用的是EIA电平，信号线上的电压为负逻辑关系：逻辑1对应的电压为-3V~-15V逻辑0对应的电压为+3V~+15V介于-3V~+3V之间的电压，低于-15V或高于+15V的电压是没有意义的。3.

电平转换电路RS-232的EIA电平是以正/负电压来表示逻辑0/1的，与TTL电路以低/高电平表示逻辑0/1不同。因此为了实现与TTL器件的连接，必须在EIA电平与TTL电平之间进行电平转换。为此半导体公司特别为RS-232制造了用于信号电平转换的专用集成电路，常见的型号有：MAX232、TSC232、ICL232等，它们的引脚及特性是兼容的，可以相互之间代换使用。MAX232芯片内部具有电压倍增电路，只需+5V电源供电，外接4个电容器，使用非常方便。如图5.10所示，该芯片可连接两对收发线，既能将两路TTL电平（T1IN、T2IN）转换成RS232电平（T1OUT、T2OUT）送到传输线上，又能将传输线上的两路RS232电平（R1IN、R2IN）转换成TTL电平（R1OUT、R2OUT）。4.

单片机与PC机之间的连接在许多应用场合，由单片机构成的自动控制系统、智能仪器往往需要与PC机进行数据通信。PC机提供的两个RS-232串行口COM1、COM2是EIA电平，而单片机的串行数据收发线RXD、TXD都是TTL电平，因此单片机需使用MAX232芯片进行电平转换，通过串行电缆线与PC机相连接，如图5.11所示。5.1.7单片机通过USB串口与PC机连接目前在笔记本电脑上基本上已不配置9针的RS-232接口，取而代之的是即插即用的USB接口，一些芯片生产商提供了USB转串口的接口芯片，比如PL2303HX、CH340G，通过这类芯片，将USB接口转换为串行口后与单片机连接，同时如果单片机系统功耗不大的话，还可以通过USB接口向单片机供电，这样反而较传统的RS-232连接方式更加方便5.1.8认识STC15单片机的串行口1STC15单片机串行口结构STC15W4K61S4系列单片机具有4个采用UART工作方式的全双工异步串行通信接口(串口1、串口2、串口3和串口4)。这里主要介绍串口1的使用，串口1的两个缓冲器共用的地址码是99H；串口1的两个缓冲器统称串行通信特殊功能寄存器SBUF。串口1有4种工作方式，其中两种方式的波特率是可变的，另两种是固定的，以供不同应用场合选用。用户可用软件设置不同的波特率和选择不同的工作方式。主机可通过查询或中断方式对接收/发送进行程序处理，使用十分灵活。STC15W4K61S4系列单片机串行口对应的硬件部分是TxD和RxD。串口1可以在3组引脚之间进行切换。通过设置特殊功能寄存器

AUXR1/P_SW1中的位

S1_

S1和S1_S0两位决定。如图5.14所示，设有A、B两台单片机串行通信，A机发送、B机接收。A机的CPU将数据写入发送SBUF，就启动了发送过程，按设定的波特率，每来一个移位脉冲，SBUF中的数据便移出一位，按先低位后高位的顺序一位一位地将数据移到TXD引脚上，当A机的一帧数据发送完毕（发送SBUF移空），硬件电路自动将发送中断标志TI置1，向CPU发出中断请求，请求CPU将下一个数据写入发送SBUF。与此同时B机按设定的波特率，每来一个移位脉冲，就会将RXD引脚上的数据移入SBUF，这样先低位后高位，直到一帧数据接收完成（接收SBUF满），硬件电路自动将RI标志置1，向CPU发中断请求，请求CPU及时取走刚刚收到的数据。2串行口的控制寄存器(1)串行通信控制寄存器SCONMCS-51单片机串行口的工作方式、接收和发送控制及串行口的状态标志都是由寄存器SCON来控制和指示。其格式如下：位地址9FH9EH9DH9CH9BH9AH99H98H位名SM0/FESM1SM2RENTB8RB8TIRISM0/FE、SM1：当PCON寄存器中的SMOD0位为1时，SM0/FE用于帧错误检测，当检测到一个无效停止位时，通过UART接收器设置该位，它必须由软件清零。当PCON寄存器中的SMOD0位为0时，SM0/FE、SM1两位决定了串口通信的工作方式，如下表所示：SM0/FESM1工作方式功能波特率0008位的移位寄存器fosc/12或fosc/20118位的UART由定时器T1的溢出率确定1029位的UARTfosc/32或fosc/641139位的UART由定时器T1的溢出率确定SM2：是多机通信控制位。通常应把该位置为“0”；在串口方式2和方式3，进行多机通信时，该位需要置成“1”。REN：允许接收位REN=1时，允许接收数据；REN=0时，禁止接收数据。TB8：发送数据的第9位在方式2、方式3，TB8的内容是要发送数据的第9位，其值由用户通过软件设置。在双机通信时，TB8一般作为奇偶校验位使用；在多机通信时，常以TB8的状态表示主机发送的是地址帧还是数据帧，一般约定：TB8=0为数据帧，TB8=1为地址帧。RB8：接收数据第9位在方式2、方式3时，RB8存放接收到的第9位数据，对应于发送方的TB8。TI：发送中断标志在方式0时，发送完第8位数据后，该位由硬件置1。在其它方式，在发送停止位前由硬件置1。因此TI=1，表示一帧数据已发送结束，其状态可供程序查询，也可请求中断。TI必须用程序清0。RI：接收中断标志在方式0时，接收到第8位数据后，该位由硬件置1。在其它方式，当接收到停止位时，该位由硬件置1。因此RI=1，表示串行口已接收到一帧数据，其状态可供程序查询，也可请求中断。RI必须用程序清0。SCON寄存器可以位寻址。(2)PCON寄存器PCON寄存器中只有其最高位（SMOD位）与串行通信有关，其它位则用于电源管理。位地址B7B6B5B4B3B2B1B0位名SMODSMOD0——GF1GF0PDIDSMOD：波特率加倍位当该位设为“1”时，所设定的波特率被加倍。注意PCON寄存器是不能位寻址的，所以使用“SMOD=1；”或“SMOD=0；”语句都是非法的，将SMOD置“1”可用“PCON|=0x80；”语句，将SMOD清“0”可用“PCON&=0x7F；”语句。SMOD0：帧错误检测有效控制位。当SMOD0为1时，SM0/FE用于帧错误检测；当SMOD0为0时，由SM0/FE、SM1两位决定串口通信的工作方式。(3)辅助寄存器AUXR辅助寄存器的格式和各位含义如下：位地址B7B6B5B4B3B2B1B0位名T0x12T1x12UART_M0x6T2RT2_C/TT2x12EXTRAMS1ST2其中与串行通信相关的位介绍如下：

T1x12：定时器1速度控制位。T1x12为0时，定时器1是传统8051速度，12分频；T1x12为1时，定时器1的速度是传统8051的12倍,不分频。如果UART串口1用T1作为波特率发生器，则由T1x12决定UART1串口是12T还是1T。UART_M0x6：串口模式0的通信速度设置位。UART_M0x6为0时，串口1模式0的速度是传统8051单片机串口的速度，即12分频；UART_M0x6为1时，串口1模式0的速度是传统8051单片机串口速度的6倍，即2分频。T2R：定时器2允许控制位。T2R为0时，不允许定时器T2运行；T2R为1，允许定时器T2运行。T2_C/T：控制定时器T2用作定时器或计数器。T2_C/T为0时，用作定时器(对内部系统时钟进行计数)；T2_C/T为1时，用作计数器(对引脚T2/P3.1的外部脉冲进行计数）。T2x12:定时器2速度控制位。T2x12为0时，定时器T2是传统8051速度，12分频1，定时器T2的速度是传统8051的12倍，不分频。

如果串口1或串口2用T2作为波特率发生器，则由T2x12决定串口1或串口2是12T还是1T。S1ST2：串口1选择定时器2作波特率发生器的控制位。S1ST2为0，选择定时器T1作为串口1的波特率发生器；S1ST2为1，选择定时器T2作为串口1的波特率发生器，此时定时器T1得到释放，可以作为独立定时器使用。串口1默认选择定时器T2作为其波特率发生器。(4)定时器T2的寄存器T2HT2L定时器T2寄存器T2H(地址为D6H,复位值为00H）及寄存器T2L(地址为D7H,复位值为00）用于保存重装时间常数。(5)与串行中断相关的控制位ES和PS串行口中断允许位ES位于中断允许寄存器IE中，中断允许寄存器的格式如下:中断允许寄存器IE（可位寻址）:位地址B7B6B5B4B3B2B1B0位名EAELVDEADCESET1EX1ET0EX0ES:串行口中断允许位。ES为1时，允许串行口中断；ES为0时，禁止串行口中断。中断优先级控制寄存器IP（可位寻址）:PS：串口1中断优先级控制位。PS为0时，串口1中断为低优先级中断(优先级0）PS为1时，串行口中断为高优先级。(6)串行口1引脚切换寄存器AUXR1/P_SW1位地址B7B6B5B4B3B2B1B0位名PPCAPLVDPADCPSPT1PX1PT0PX0位地址B7B6B5B4B3B2B1B0位名S1_S1S1_S0CCP_S1CCP_S0CCP_S1CCP_S10DPSS1_S1、S1_S0用于切换串口1通信引脚：S1_S1S1_S0串口1通信引脚00[RxD/P3.0,TxD/P3.1]01[RxD_2/P3.6,TXD_2/P3.7]10[P1.6/RxD_3/XTAL2,P1.7/TxD_3/XTAL1]11无效5.1.9串行口的应用5.1.9.1

方式0串行口工作方式0又称为“移位寄存器方式”，是将串行口作为同步移位寄存器使用，这时以RXD端作为数据的输入/输出端，在TXD端输出移位脉冲。实际上是把串行口变作并行口使用，在单片机应用系统中，如果并行口不够用，可通过外接串入并出移位寄存器扩展输出口，通过外接并入串出移位寄存器扩展输入接口。串行口工作于方式0时，数据长度为8位，当串行口模式0的通信速度设置位UARTM0x6AUXR=0时，其波特率固定为SYSclk/12。当串行口模式0的通信速度设置位UARTMOX6/AUXR5=1时，其波特率固定为SYSclk2。现对方式0发送数据方法进行说明：（1）

设置控制寄存器SCON的SM0、SM1为方式0（2）

清除TI标志。（3）

将发送的数据送入SBUF，这样SBUF中的数据在TXD脚移位脉冲的作用下，一位一位地在RXD脚送出。（4）

当第8位发送完毕，TI标志自动置1，如果还有数据要发送，重复（2）~（4）。5.1.9.2方式1方式1是异步串行通信方式，以TXD为串行数据发送端，RXD为数据接收端，每帧数据共10位：一个起始位“0”，8个数据位，一个停止位“1”。其中起始位和停止位是由硬件电路自动插入的。方式1下，波特率由定时器T1的溢出率（每秒钟溢出的次数）和SMOD共同决定，其公式为：

波特率=串行通信模式1的波特率是可变的，可变的波特率由定时器/计数器T1或定时器T2产生，优先选择定时器T2产生波特率。（1）当串行口1用定时器T2作为其波特率发生器时：串行口1的波特率=(定时器T2的溢出率)/4（注意：此时波特率也与SMD无关。）当T2工作在1T（不分频）时模式(AUXR2/T2x12=1)，定时器2的溢出率=

FOSC/(65536-[RL_TH2,RL_TL2]);即此时，串行口1的波特率=

FOSC/(65536-[RL_TH2,RL_TL2])/4；当T2工作在12T(12分频)模式时(AUXR2/T2x12=0)，定时器2的溢出率=FOSC/12/(65536-[RL_TH2,RL_TL2]);即此时，串行口1的波特率=

FOSC/12/(65536-

[RL_TH2,RL_TL2])/4RL_TH2是T2H的自动重装载寄存器，RL_TL2是12L的自动重装载寄存器。（2）当串行口1用定时器T1作为其波特率发生器且定时器T1工作于模式0(16位自动重装载模式)时：串行口1的波特率=(定时器1的溢出率)/4(注意:此时波特率与SMOD无关。)当定时器T1工作于模式0(16位自动重装载模式)且Tx12=0(12分频)时，定时器T1的溢出率=

FOSC/12/(65536[

RL_THI,

RL_TL1])，即此时，串行口1的波特率=

FOSC/12/(65536-[RL_TH1,RL_TL1])/4；当定时器T1工作于模式0(16位自动重装载模式)且Tx12=1(不分频)时，定时器T1的溢出率=

FOSC/(65536[

RL_THI,

RL_TL1])，即此时，串行口1的波特率=

FOSC/(65536-[RL_TH1,RL_TL1])/4；RL_TH是TH的自动重装载寄存器，RL_TL是TL的自动重装载寄存器。（3）当串行口1用定时器T1作为其波特率发生器且定时器T1工作于模式2(8位自动重装模式)时：串行口1的波特率=(2SMOD/32)x(定时器1的溢出率)当定时器1工作于模式2(8位自动重装模式)且T1x12=0(12分频)时，定时器T1的溢出率=

FOSC/12/(256-TH1)，即此时，串行口1的波特率=(2SMOD/32)×

FOSC/12/(256-TH1)当定时器1工作于模式2(8位自动重装模式)且T1x12=1(不分频)时，定时器T1的溢出率=

FOSC/(256-TH1)，即此时，串行口1的波特率=(2SMOD/32)

xFOSC/(256-TH1)具体应用时，总是根据预先确定的波特率，去计算定时器的计数初值，当时钟频率fosc=11.0592MHz时，波特率为9600，不分频时，通过推导，我们可以得到T2计数初值的公式为：T2H=(65536-((FOSC/4)/BAUD))/256; //装入时间常数，T2L=(65536-((FOSC/4)/BAUD))%256;5.1.9.3方式2方式2是异步串行通信方式，在STC15中建议不学习。方式2以TXD为串行数据发送端，RXD为数据接收端，每帧数据共11位：一个起始位“0”，9个数据位，一个停止位“1”。发送时，第9个数据位由SCON寄存器中的TB8提供，接收时，收到的第9位数据存放在SCON寄存器中的RB8。第9位数据可作为奇偶校验位，也可在多机通信时，作为数据信息或地址信息的标志位。方式2的波特率是固定的：

波特率=5.1.9.4方式3方式3为9位数据异步通信UART模式，用于多机通信，其一帧的信息由11位组成：1位起始位，8位数据位(低位在先)，1位可编程位(第9位数据)和1位停止位。发送时可编程位(第9位数据)由SCON中的TB8提供，可软件设置为1或0，或者可将PSW中的奇/偶校验位P值装入TB8(TB8既可作为多机通信中的地址数据标志位，又可作为数据的奇偶校验位)。接收时第9位数据装入SCON的RB8。TxD/P3.1为发送端口，RxDP3.0为接收端口，以全双工模式进行接收/发送。模式3和模式1相比，除发送时由TB8提供给移位寄存器第9数据位不同外，其余功能结构均基本相同，其接收“发送操作过程及时序也基本相同。在模式3中，接收到的停止位与SBUF、RB8和R无关，通过软件对SCON中的SM2、TB8的设置以及通信协议的约定,为多机通信提供了方便。串行通信模式3的波特率也是可变的，可变的波特由定时器/计数器1或定时器2产生。本任务选用串口方式1完成单片机与虚拟终端的通信