单片机原理及应用_第7章_串口__(张毅刚_版).ppt

1、MCS-51系列单片机的串行通信接口可以方便地实现与其他单片机之间、与PC机之间的串行通信，也可用通信接口实现键盘输入、LED显示及其他的控制。,主要内容： 1. 串行通信概述 2. MCS-51单片机串行通信接口的结构 3. MCS-51单片机串行通信的工作原理及其工作方式 4. MCS-51单片机串行接口应用编程,重点： MCS-51单片机串行接口的工作原理及工作方式 MCS-51单片机串行接口应用程序设计方法,第七章 MCS-51单片机的串行接口,课本137页,第一节 串行通信概述,1.并行通信传送的数据的各位同时发送，并排传输，同时被接收。 优点是传送速度快，缺点是传输线多。 通信线路

2、费用较高，并行传送适用于近距离、传送速度高的场合。 并行传送方式的物理信道为并行内总线或外总线,2串行通信传送数据的各位按分时顺序一位一位地传送（即一位一位的发送和接收）。优点是传输线少，传送通道费用低，故适合长距离数据传送。缺点是传送速度较低。 串行传送方式的物理信道为串行总线,一. 传送方式：串行通信与并行通信,八个人站成一排一起通过,八个人站成一纵队一一通过,1.单工方式通信双方只有一条单向传输线，只允许数据由一方发送，另一方接收。 2.半双工方式通信双方只有一条双向传输线，允许数据双向传送，但每时刻上只能有一方发送，另一方接收，这是一种能够切换传送方向的单工方式 3.全双工方式通信双方

3、有两条传输线，允许数据同时双向传送，其通信设备应具有完全独立的收发功能。,二、串行通信的数据传送方向（串行通信制式）,串行方式是将传输数据的每个字符一位一位顺序地传送，按位组成字符。为了发送、接收信息，双方必须协调工作。要保证发送的信号正确被接收必须采用同步技术。常用的同步技术从原理上可分成两种：同步串行传输（也称同步字符同步方式）和异步串行传输（也称起止同步方式）。 1异步通信方式 异步传输以字符为单位进行数据传输，每个字符用起始位、停止位包起来。 异步方式实现简单，在微型计算机中大量使用异步串行I/O方式，为了避免连续传送过程中的误差积累，每个字符都要独立确定起始和结束(即每个字符都要重新

4、同步)，字符和字符间还可能有长度不定的空闲时间。,有约定的帧格式； 发送与接收之间的同步是利用每一帧的起、止信号来建立的； 双方用各自的时钟控制发送与接收,三、串行通信的分类（同步通信和异步通信）,2.同步通信方式 同步传输是对数据块进行传输，数据块中包含许多连续的字符，字符间没有空闲。 在同步通信中，在数据或字符开始传送前用同步字符(SYNC)来指示(常约定l一2个)，由时钟来实现发送端和接收端同步，当检测到规定的同步字符后，接下来就连续按顺序传送数据。同步字符是一特定的二进制序列，在传送的数据中不会出现 同步通信方式由于不采用起始和停止位，是在同步字符后可以接较大的数据区，同步字符所占部分

5、很小，因此有较高的传送效率。,四、波特率 在通信中发、接双方有两次约定 字符格式帧格式 传送速率波特率 波特率是通信双方对数据传送速率的约定，表示每秒钟传送二进制数码的位数，单位是bit/s。 假如数据传送的速率是120个字符秒，每一个字符规定包含10个位(一个起始位、8个数据位和1个停止位)，则传送的波特率为： 101201200位秒1200波特(bps) 每一位的传送时间即为波特率的倒数。,常用的波特率有:(离散) 19200/9600/4800/2400/1200/600/300/150/100/50, 还有10M/100M,课本147页,第二节 MCS-51的串行通信接口,一、MCS-

6、51串行口结构及工作原理,数据串行通信主要解决两方面的技术问题：数据传输；数据转换 数据传输-解决传送中的标准、帧格式、工作方式等问题。 数据转换-解决传送数据串、并行的转换问题。由通用异步接收发送器（UART）完成。 MCS-51单片机有一个可编程全双工异步串行通信接口（UART) (Universal Asychronous Receiver/Transmitter ) 可同时发送、接收数据(Transmit/Receive),有四种工作方式，帧格式有8、10、11位,波特率(Baud rate)可设置。,1.基本组成 两个独立的数据缓冲器SBUF(一个用作接收，一个用作发送)以及发送控制

7、器、接收控制器、输入移位寄存器和输出控制门等组成。,2. 用户可访问的三个地址单元 SBUF：两个SBUF共用一个地址99H。发送SBUF只写不读，接收SBUF只读不写，由所用指令是发送还是接收来决定对哪个SBUF进行操作； SCON：串行口控制寄存器 PCON：电源控制寄存器, MCS-51串行接口的结构,课本137页,如两个人同名,串行口的内部结构,课本137页,考虑中断 IP IE,(1)5l单片机通过串行数据接收引脚RxD(P3.0)和串行数据发送引脚TxD(P3.l)与外界进行通信. 图中有两个物理上独立的接收/发送缓冲器SBUF,它们占用同一地址99H,可同时发送、接收数据. 发送

8、缓冲器SBUF只能写入/不能读出,CPU写SBUF,一方面修改发送寄存器,同时启动数据串行发送; 接收缓冲器SBUF只能读出/不能写入,CPU读SBUF,就是读接收寄存器.,(2)波特率发生器 可以有两种选择: 1.定时器T1作波特率发生器,改变计数初值就可以改变串行通信的速率,称为可变波特率.(variable) 2. 以内部时钟的分频器作波特率发生器,因内部时钟频率一定,称为固定波特率.(fixed),串行通信的传送过程,返回,发送和接受过程的叙述: 甲方发送时,CPU执行指令MOV SBUF,A,就启动了发送过程,数据并行送入SBUF,在发送时钟shift的控制下由低位到高位一位一位发送

9、; 乙方在接收时钟shift的控制下,由低位到高位顺序进入移位寄存器; 甲方一帧数据发送完毕,置位发送中断标志TI,该位可作为查询标志(或引起中断),CPU可再发送下一帧数据. 乙方一帧数据到齐,即接收缓冲器满,置位接收中断标志RI,该位可作为查询标志(或引起接收中断),通过MOV A,SBUF, CPU将这帧数据并行读入.,由上述可知: 1.甲、乙方的移位时钟频率应相同,即应具有相同的波特率,否则会造成数据丢失. 2.发送方是CPU先发数据再查标志, 接收方是先查标志CPU再收数据. 3.接收/发送数据,无论是否采用中断方式工作,每接收/发送一帧数据都必须用指令对RI/TI清0,以备下一次收

10、/发(CLR TI,CLR RI),(1)SM0、SM1：串行口工作方式选择位，可选择四种工作方式,二、串行口控制寄存器SCON SCON是一个可位寻址的专用寄存器，用来设定串行口的工作方式、控制串行口的接收发送以及状态标志。SCON的字节地址为98H，位地址为98H9FH。其格式如下：,课本138页,(2) SM2：为多机通信控制位 在工作方式2和方式3中： 若SM21：当接收到第9位数据（RB8）为1，才将接收到的前8位 数据装入SBUF，并置位RI;否则将接收到的数据丢弃。 若SM20：不论第9位数据（RB8）是否为1，都将接收到的前8位数 据装入SBUF，并置位RI。 在方式1中：若S

11、M21，则只有接收到有效的停止位时，才置位RI。 在方式0中：必须使SM20,多机通信时，SM2必须置1。双机通信时，通常使SM20。,(3)REN：允许串行接收位。该位由软件置位或清零。 (4)TB8: 在工作方式2或方式3时，该位为发送的第9位数据，可按需要由软件置位或清零。在许多通信协议中，该位常作为奇偶校验位。在MCS-5l多机通信中，TB8的状态用来表示发送的是地址帧还是数据帧，TB80时，为地址帧，TB81时，为数据帧。,（5）RB8：在工作方式2或方式3时，存放接收到的第9位数据，代表着接收数据的某种特征。例如，可能是奇偶位，或为多机通信中的地址数据标识位。 在方式0中，RB8未

12、用。 在方式1中，若SM20，RB8是已接收到的停止位。,（6）TI：发送中断标志位， TI1表示帧发送结束。其状态既可供软件查询使用，也可申请中断。TI都必须由软件清0。 （7）RI：接收中断标志，RI1时，表示帧接收结束。其状态既可供软件查询使用，也可申请中断。RI也必须靠软件清0。,注意：不管是否采用中断控制，数据发送前必须用软件将TI清零；接收数据后将RI清零；,单片机复位时，SCON中的所有位均为0。,三、电源控制寄存器PCON 最高位SMOD位和串行通信有关(了解) PCON主要字节地址为87H，不能位寻址。只有最高位SMOD与串行口工作有关。PCON的格式如下：,(1)只能字节寻

13、址,初始化时SMOD=0. 复位时，SMOD0。 (2)SMOD:串行口波特率倍增位Double baud rate bit. 在串行口工作方式1/2/3中,波特率加倍位 =1时,波特率加倍 (MOV PCON,#80H 加倍) =0时,波特率不加倍.(MOV PCON,#00H 默认是不加倍的) (串行通信只用其中的最高位SMOD),课本139页,GF1,GF0:用户可自行定义使用的通用标志位,PD:掉电方式控制位 . =0:常规工作方式. =1:进入掉电方式:振荡器停振片内RAM和SRF的值保持不变 P0P3口维持原状程序停止 只有复位能使之退出掉电方式.,IDL (Idle Mode b

14、it) 待机方式(空闲方式)控制位. =0:常规工作方式. =1:进入待机方式:振荡器继续振荡 中断、定时器、串口功能继续有效片内RAM和SRF保持不变 CPU状态保持、P0P3口维持原状程序停顿. 中断和复位能退出待机,继续后面的程序.,MCS-51单片机的串行口可编程选择四种工作方式，其中方式0主要用于扩展并行输入输出口，串行通信时一般使用方式1、2或3。,一、方式0（SM0=0,SM1=0） 串行口作为同步移位寄存器使用 数据传输波特率固定为foc/12。 串行数据由RXD(P30)端输入输出(数据线) 同步移位脉冲由TXD(P31)端输出（时钟信号线） 数据的发送接收以8位为一帧，低位

15、在前，无起始位、奇偶位及停止位。其帧格式为：,第三节 MCS-51串行通信接口的工作方式,在方式0下，常用于扩展I/O口。,执行一条写SBUF指令就开始发送,课本140页,二、方式1（SM0=0,SM1=1） 串行口工作在方式1时，是作为10位异步通信接口. 由TXD端发送数据，RXD端接收数据。 发送接收的一帧数据包括10位：1位起始位，用0来标识，8位数据位(低位在前)，1位停止位，用1来标识。其帧格式为：,1.发送过程 当CPU执行任何一条写入SBUF的指令后，便启动串行口发送，发送的数据由TXD端输出。串行接口能自动地在数据的前后插入一位起始位和一位停止位，在发送移位脉冲的作用下依次从

16、TXD端发送，发送完一帧信息时。发送中断标志TI置1，请求中断。,方式1下的传送波特率是可变的取决于定时器T1的溢出速率，用软件设定。,2.接收过程 当允许串行输入位REN置1后，CPU便以所选波特率的16倍速率采样RXD端电平。在没有信号到来之前，RXD端的状态为1。当在RXD端检测到从1到0的负跳变时，开始接收过程。16分频计数器的16个状态把接收每位信息的时间分成16份，在每个位时间的第7、8、9个计数状态,从RXD端采样三次，至少两次相同的值才被确认，以确保输入的数据准确无误。,当一帧数据接收完毕，以下两个条件同时满足： （1）RI0，即上一帧数据接收完成时，RI1的中断请求已被响应，

17、SBUF中的数据已被取走； （2） SM20或接收到停止位为1（方式1时停止位进入RB8）。 则这次接收才有效，将8位数据装入接收缓冲器SBUF，停止位装入RB8，并将RI置1，申请中断。否则数据将丢失。,三、方式2和方式3 串行口工作在方式2和方式3时，均为11位异步通信接口。 由TXD发送，RXD接收。 发送接收的一帧信息由11位组成；由1位起始位(0)，8位数据位(低位在前)，1位可编程位(第9数据位)和1位停止位(1)。发送时，可编程位(TB8)可设置为0或1，也可将奇偶位装入TB8，从而进行奇偶校验；接收时，可编程位送入SCON中的RB8。,方式2和方式3的工作原理类同。唯一的区别仅

18、在于： 方式2的波特率为foc32或foc64，而方式3的波特率是可变的，取决于定时器T1的溢出率。,3. 方式2、方式3时第9位数据的用法 （1) 用第9位数据作奇偶校验位 方式2、方式3也可以像方式1一样用于点对点的异步通信。在数据通信中由于传输距离较远，数据信号在传送过程中会产生畸变，从而引起误码。通常可在通信软件上采取纠错措施。 例如将作为第9位数据作奇偶校验位，将其置入TB8位一同发送。,发送端发送一个数据字节及其奇偶校验位的程序段如下： TT： MOV SCON，80H ；串口方式2 MOV A，DATA ；取待发送的数据 MOV C，PSW.0 ；奇偶标志位置入TB8中 MOV

19、TB8，C MOV SBUF，A ；启动一次发送，数据连同奇 ；偶校验位一块被发送 LOOP： JBC TI，NEXT ； SJMP LOOP NEXT：,MOV SCON，#90H ；方式2允许接收 LOOP：JBC RI，RECN ；等待接收 SJMP LOOP RECN：MOV A，SBUF ；读入接收的一帧数据 JB PSW.0，ONE ；判断接收到的A中1的个数的奇偶值 JB RB8，ERR ；判断接收到的奇偶标志位的值 SJMP REXT ONE：JNB RB8,ERR REXT: ；接收正确处理 ERR : ；接收有错处理,方式2、方式3的发送过程中，将数据和附加在TB8中的奇偶

20、校验位一块发送出。因此，作为接收的一方应设法取出该奇偶位进行核对，相应的接收程序段应为：,2)用第九位数据作多机通信的联络位 计算机与计算机的通信不仅限于点对点的通信，还会出现一机对多机间的通信，构成计算机网。例如有一种比较特殊的总线形式主从式的网络，即在多台计算机中有一台是主机，其余的为从机，从机要服从主机的调度、支配。MCS-51单片机的串行口方式2、方式3就适合于这种主从式的通信结构。如图所示。,返回,比如老师监考学生考试，学生之间不许交头接耳,第9位数据怎样用于多机通信呢?关键在于使用SM2位和接收到的第9个附加数据位(接收后放在RB8中)的配合。 例如，通信各方约定如下：主机向从机发

21、送地址信息，其第9位数据必须为1，而向从机发送数据信息包括命令时，其第9位数据规定为0。,从机在建立与主机通信之前，处于对通信线路的监听状态。在监听状态下必须使SM21，此时只能收到主机发出的地址信息(第9位为1)，非地址信息被丢失。 从机收到地址后应进行识别，是否主机呼叫本站，如果地址符合，确认呼叫本站，此时从机解除监听状态，使SM20，同时把本站地址发回主机作为应答，只有这样才能收到主机发送的有效数据。其它从机由于地址不符，仍处于监听状态，保持SM21，所以无法接收主机的数据。,主机收到从机的应答信号，比较收与发的地址是否相符，如果不符，则发出复位信号(例如：发任一数据，但TB81)；如果

22、地址相符，则清除TB8，正式开始发送数据和命令。 从机收到复位命令后再次回到监听状态，再置SM21，否则正式开始接收数据和命令。,比如点名,总结 :串行口四种工作方式(难点),工作方式0 SM0 SM1=00 (常用) (记忆)串行口作为同步移位寄存器使用,数据传输波特率固定为fosc/12,串行数据由RxD(P3.0)输入输出,同步移位脉冲由TxD(P3.1)输出,数据的发送和接受以8位为一帧数据,低位在前,高位在后,无起始位、奇偶位和停止位.,1.发送:SBUF中的串行数据由RxD逐位移出; TxD输出移位时钟,频率=fosc/12; 每送出8位数据,TI就自动置1; 需要用软件对TI清零

23、 (CLR TI) 2.接收:串行数据由RxD逐位移入SBUF中; TxD输出移位时钟,频率=fosc/12; 每接收8位数据,RI就自动置1; 需要用软件对RI清零(CLR RI),3.经常配合“串入并出的移位寄存器芯片74LS164/CD4094 ” “并入串出的移位寄存器芯片74LS165/CD4014” 一起使用,达到扩展一个I/O口使用的目的.,4.方式0工作时,多用查询方式编程: 发送: MOV SBUF,A 接收: JNB RI,$ JNB TI,$ CLR RI CLR TI MOV A, SBUF,返回,5.复位时,SCON=00H 缺省值:方式0,6.接收前,务必先置位RE

24、N=1,允许接收数据,因为系统复位后,SCON.4=0,7.串行口方式0的应用(经常用到),串行口常用工作方式0扩展出并行I/O口,而工作方式1、2、3则常用于串行通信.,74LS164是串入并出芯片;74LS165是并入串出芯片,介绍:共阳LED数码管 公共端(字位) 接高电平, 笔划(字段) 置为低电平 就被点亮了,h g f e d c b a,1 1 0 0 0 0 0 0,0C0H = “0”,比如要显示“0” 须令a b c d e f 为“0” 电平,g h为“1”电平.,再比如要显示“3” 须令a b c d g 为“0” 电平,e f h为“1”电平.,1 0 1 1 0 0

25、 0 0,0B0H = “3”,例1:利用串行口工作方式0扩展出8位并行I/O口,驱动共阳LED数码管显示09.,根据上图编写的通过串行口和74LS164驱动共阴LED数码管显示0-9数字 的程序(查表) :,ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0030H MAIN:MOV R0,#00H MOV SCON ,#00H CLR ES DISPLAY: MOV A,R0 MOV DPTR, #TABLE MOVC A, A+DPTR MOV SBUF, A;发送 JNB TI, $ CLR TI LCALL DELAY INC R0 CJNE R0,#0AH,DISPLAY SJMP

26、 MAIN,TABLE: DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH DB 7DH,07H,7FH,6FH DELAY:MOV R6,#200 D1:MOV R5,#200 DJNZ R5,$ DJNZ R6,D1 RET END,工作方式1 SM0 SM1=01 方式1是10位(记忆)为一帧的异步串行通信方式,包括1个起始位,8个数据位和1个停止位,波特率可变,由TxD端发送数据,RxD端接受数据.(和方式0不一样),串行口控制寄存器SCON,(1)SM0/SM1:串行口工作方式选择位. 0 1 :方式1,10位UART(1+8+1位) (2)SM2:串行口多机通信控制位,作为方式

27、2、3的附 加控制位,此处不用,可写成“0” (3)REN:串行口接收允许位. REN=1 允许接收 (4)TB8/RB8/TI/RI等位由运行中间的情况决定,可先写成“0”,NOTE:,1.常用于串行通讯,除发/收8位数据外, 在D0位前有一个起始位“0”; 在D7位后有一个停止位“1”. 2.方式1工作时: 发送端自动添加一个起始位和一个停止位; 接收端自动去掉一个起始位和一个停止位. 3.波特率可变用定时器T1,以工作方式2,8位自动重新加载做为波特率发生器(系统规定的),可以省去重新加载初始值的麻烦和误差.,4.初值的计算:,波特率=(2SMOD/32)T1的溢出率,记忆,溢出率:溢出

28、周期的倒数,即:T1溢出一次所需时间的倒数.假定计数初值为X,则计数溢出周期为:(2n-x) 12/f 即(2n-x)T也就是定时器的定时时间,例2:要求用T1工作于方式2来产生波特率1200,已知晶振频率=6MHz.要求出 T1的初值. 解:1200=(20/32)T1的溢出率 T1的溢出率=32*1200=38400 T1的溢出周期=1/38400s=1000/38400ms=1000,000/38400us 6MHz下转成计数值是: 1000,000/38400/2=13.02(有误差) 256-13=243=0F3H （表格） (后面用到),例3:要求用T1工作于方式2来产生波特率12

29、00,已知晶振频率fosc=11.0592MHz,要求出T1的初值: (11.0592=212*27),解:1200=(20/32)T1的溢出率 T1的溢出率=32*1200 T1的溢出周期=1/38400s=1000/38400ms=1000,000/38400us 11.0592MHz下转成计数值是: 6MHZ-2us 11.0592MHz-Xus X= 12 11.0592 12MHZ-1us 1000,000 12 1000,000*11.0592 38400 11.0592 38400*12 256-24=232=0E8H,5.常用波特率和T1初值速查表,(1)11位UART(1+8

30、+1+1位)(记忆),两种波特率,由TxD端发送数据,RxD端接受数据.,工作方式2 SM0,SM1=10,(2)由于波特率固定,常用于单片机间通讯. 数据位由8+1位=9位组成,通常附加的一位(TB8/RB8 在SCON寄存器中)用于“奇偶校验”.,(3)方式2的波特率=fosc2SMOD/64 即:fosc/32或fosc/64 两种 (4)奇偶校验是检验串行通信双方传输的数据正确与否的一个措施,并不能保 证通信数据的传输一定正确. 换言之:如果奇偶校验发生错误,表明数据传输一定出错了; 如果奇偶校验没有出错,绝不等于数据传输完全正确. (5)奇校验:8位有效数据连同1位附加位中,“1”的

31、个数为奇数 偶校验:8位有效数据连同1位附加位中,“1”的个数为偶数,约定发送采用奇校验： 若发送的8位有效数据中“1”的个数为偶数, 则要人为添加一个附加位“1”一起发送; 若发送的8位有效数据中“1”的个数为奇数, 则要人为添加一个附加位“0”一起发送.,约定接收采用奇校验： 若接收到的9位数据中“1”的个数为奇数, 则表明接收正确,取出8位有效数据即可; 若接收到的9位数据中“1”的个数为偶数, 则表明接收出错！应当进行出错处理.,约定发送采用偶校验: 如果ACC中1的个数是奇数(P=1),将TB8写成“1”发出去; 如果ACC中1的个数是偶数(P=0),将TB8写成“0”发出去. 约定

32、接收采用偶校验： 若收到的数中P=0,且检查到RB8=0就可能对了 若收到的数中P=1,且检查到RB8=1就可能对了 若P=0且RB8=1或P=1且RB8=0就一定出错了！,程序状态字寄存器PSW中有一个 奇偶状态位P,P (PSW.0):奇偶状态位(Parity Flag). P=1 表示目前ACC中“1”的个数为奇数 P=0 表示目前ACC中“1”的个数为偶数 CPU随时监视着Acc的“1”的个数并自动反映在P中,串口工作方式2的奇偶校验用法,例4：程序段选用偶校验方式发送 PIPL: PUSH PSW ;保护现场 PUSH ACC CLR TI ;清发送中断标志以备下次发送 MOV A,

33、R0 ;取由R0所指向的单元中的数据 MOV C, P ;将奇偶标志位通过C放进TB8 MOV TB8, C ;一起发送出去 MOV SBUF,A ;启动发送(分析,看懂) INC R0 ;指针指向下一个数据单元 POP ACC ;恢复现场 POP PSW RETI ;中断返回,选用偶校验方式接收:(分析,看懂) PIPL:PUSH PSW ;保护现场 PUSH ACC CLR RI ;清接收中断标志以备下次接收 MOV A,SBUF;读进收到的数据 MOV C, P ;奇偶标志位C JNC L1 ;C=0时转到L1,即P=0时转到L1 JNB RB8,ERR;P=1,RB8=0“出错”,P=1,RB8=1顺序执行 SJMP L2 ;RB8=1 则表明接收正确,转L2 L1: JB RB8,ERR;P=0且RB8=1表明“出错” L2: MOV R0, A ;P=0且RB8=0表明接收正确 INC R0 ;指针指向下一个数据单元 POP ACC ;恢复现场 POP PSW RETI ;中断返回 ERR: ;出错处理,工作方式3 SM0,SM1=11,(