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1、第9章 单片机的串行接口,9.1 串行通信基本知识 9.2 串行接口结构及控制 9.3 串行接口工作方式与波特率 9.4 串行口应用举例,9.1.1 数据通信,计算机与外界的信息交换称为通信。基本的通信方法有并行通信和串行通信两种。1并行通信单位信息（通常指一个字节）的各位数据同时传送的通信方法称为并行通信。2串行通信单位信息的各位数据被分时一位一位依次顺序传送的通信方式称为串行通信。,图1 并行通信示意图,图 2 串行通信示意图,1异步通信异步通信中，传送的数据可以是一个字符代码或一个字节数据，数据以帧的形式一帧一帧传送。,9.1.2 异步通信和同步通信,异步通信的一帧数据格式,2同步通信在
2、同步通信中，每一数据块发送开始时，先发送一个或两个同步字符，使发送与接收取得同步，然后再顺序发送数据。数据块的各个字符间取消起始位和停止位，所以通信速度得以提高 。,串行通信的制式,9.1.3 串行通信接口种类,根据串行通信格式及约定（如同步方式、通信速率、数据块格式等）不同，形成了许多串行通信接口标准，如常见的： UART（串行异步通信接口）、USB（通用串行总线接口）、I2C（集成电路间的串行总线）、SPI（串行外设总线）、485总线、CAN总线接口等。,RS-232C接口,RS-232C标准接口是EIA（美国电子工业协会）于1969年颁布的串行通信接口标准。RS是“Recommended
3、 Standard”（推荐标准）的缩写，232为标准的编号，C为版本号。在RS-232C之前为RS-232A与RS-232B，1987年修订为EIA-232D，1991年修订为EIA-232E，1997年又修订为EIA-232F。其中，RS-232C最为常用。,RS-232C接口在远程数据通信系统中的应用,当两台计算机（DTE）借助公用电话网进行远程数据通信时。RS-232C用于将DTE和DCE进行连接，使两者能进行串行通信。,图9-6 RS-232C接口在远程数据通信系统中的应用,1RS-232C的机械特性,RS-232C接口规定使用25针连接器（DB-25），连接器的尺寸及每个插针的排列位
4、置都有明确的定义。由于一般的应用中很少用到RS-232C标准的全部信号线，所以在实际应用中常常使用9针连接器（DB-9）替代25针连接器。两者的外形与引脚排列如图9-7所示。通常一端做成插针，另一端做成插孔。,DB-25和DB-9连接器,图9-7 DB-25和DB-9连接器,2RS-232C的引脚功能（表9-1 ）,注：引脚序号栏中带括号的序号为DB-9连接器的引脚序号。,注：引脚序号栏中带括号的序号为DB-9连接器的引脚序号,3RS-232C的电气特性, RS-232C的信号电平：RS-232C标准规定采用负逻辑电平。信号源点的逻辑0（空号）电平范围为+5V+15V，逻辑1（传号）电平范围为
5、5V15V；信号目的点的逻辑0（空号）电平范围为+3V+15V，逻辑1（传号）电平范围为3V15V，噪声容限为2V。RS-232C的信号电平如图9-8所示。,RS-232C的信号电平,图9-8 RS-232C的信号电平,通常，RS-232C的逻辑电平采用12V表示逻辑0，12V表示逻辑1。,RS-232C的传输距离与传输速率：, RS-232C的传输距离：DTE和DEC之间采用RS-232C传输的最大距离不大于15m。 RS-232C的传输速率：小于20kbit/s。,4RS-232C与DTE和DCE的连接, RS-232C在远程通信中的连接远程通信是指传输距离在15m以上的远距离通信如图9-
6、6：,RS-232C在远程通信中的连接,远程通信通常需要采用调制解调器（MODEM），这时，RS-232C与DTE和DEC之间的连接方式如图9-9：,图9-9 RS-232C在远程通信中的连接方式,近程通信是通信距离小于15m的通信，这时，无需使用调制解调器，两台具有RS-232C接口的计算机可采用图9-10所示的两种连接方式中的任意一种进行直接连接。,RS-232C在近程通信中的连接,图9-10 RS-232C在近程通信中的连接方式,5RS-232C与MCS-51系列单片机的连接,由于MCS-51系列单片机的串行口不是标准RS-232C接口，采用的是正逻辑TTL电平：即逻辑1为2.4V；逻辑
7、0为0.4V。所以使用RS-232C接口将MCS-51系列单片机与计算机或其他具有RS-232C接口的设备进行连接时，必须考虑电平转换问题。通常使用专用的电平转换芯片来进行电平转换。,MC1488、MC1489电平转换芯片,图9-11 MC1488、MC1489的内部结构和引脚排列,MC1488用于将输入的TTL电平转换为RS-232C电平，MC1489用于将输入的RS-232C电平转换为TTL电平输出。它们的内部结构和引脚排列如图9-11所示。,由MC1488、MC1489构成的电平转换电路,图9-12 由MC1488、MC1489构成的电平转换电路,为了减少使用双电源的麻烦，现在市场上出现
8、了使用单电源供电的电平转换芯片，这种芯片体积更小，连接更简便，而且抗干扰能力更强，常见的有MAXIM公司生产MAX232。它仅需要+5V电源，由内置的电子泵电压转换器将 +5V转换成 10V+10V。该芯片与TTL/CMOS电平兼容，片内有2个发送器和2个接收器，使用比较方便。由它构成的电平转换电路如图9-13所示。,MAX232电平转换芯片,由MAX232构成的电平转换电路,图9-13 由MAX232构成的电平转换电路,6RS-232C的缺点, 接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片。 与TTL电平不兼容，与TTL电平接口连接需进行电平转换。 传输距离短，使用时传输距离一般不超过15m，
9、线路条件好时也不超过几十米。 传输速率较低，最高传送速率为20kbit/s。 由于收发信号采用共地传输，容易产生共模干扰，所以抗干扰能力较差。,9.2 串行接口的结构与控制,9.2.1 串行接口的结构 9.2.2 串行接口的控制寄存器,图9-14 MCS-51单片机串行口的结构,9.2.1 串行接口的结构,串行口由发送电路和接收电路两部分组成。图中有两个物理上独立的串行口接收、发送缓冲器SBUF。SBUF（发送）用于存放将要发送的字符数据；SBUF（接收）用于存放串行口接收到的字符数据，数据的发送、接收可同时进行。SBUF（发送）和SBUF（接收）同属于特殊功能寄存器SBUF，占用同一个地址9
10、9H。但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。因此，对SBUF进行写操作时，是把数据送入SBUF（发送）中；对SBUF进行读操作时，读出的是SBUF（接收）中的数据。,1串口发送过程,当单片机执行“写”SBUF命令（如MOV SBUF，A）时，将累加器A中欲发送的字符送入SBUF（发送）后，发送控制器在发送时钟的作用下，自动在发送字符前后添加起始位、停止位和其他控制位，然后在发送时钟的控制下，逐位从TXD线上串行发送字符帧。发送完后使发送中断标志TI=1，发出串口发送中断请求。,2串口接收过程,串行口在接收时，接收控制器会自动对RXD线进行监视。当确认RXD线上出现起始位
11、后，接收控制器就从起始位后的数据位开始，将一帧字符中的有用位逐位移入接收缓冲寄存器SBUF（接收）中，自动去掉起始位、停止位或空闲位，并使接收中断标志RI = 1，发出串口接收中断请求。这时，只要执行“读”SBUF命令（如MOV SBUF，A），便可以得到接收的数据。,9.2.2 串行接口的控制寄存器,1串行口控制寄存器SCON 2电源控制寄存器PCON,1串行口控制寄存器SCON,SCON用于设定串行口的工作方式、接收/发送控制以及设置状态标志等。它的字节地址为98H，可进行位寻址，其各位的定义如图9-15所示。,图9-15 串行口控制寄存器,SCON各位名称和功能, SM0和SM1（SCO
12、N.7和SCON.6）：串行口工作方式选择位。可选择4种工作方式，如表9-2所示。,表9-2 串行口的工作方式, RI（SCON.0）：接收中断标志位。用于指示一帧信息是否接收完毕它的工作过程是：在方式0中，当串行接收完第8位数据时；在其他方式下，当串行口接收到停止位时；由内部硬件电路使RI=1。一旦RI被硬件置1，便产生串口中断请求（假设串口中断是开放的，下同）。,SCON各位名称和功能, TI（SCON.1）：发送中断标志位。用于指示一帧信息是否发送完毕它的工作过程是：在方式0中，当串行发送第8位数据结束时；在其他方式下，开始串行发送停止位时，由内部硬件电路使TI=1，并向CPU发出串口中
13、断请求。与RI标志的清除方法相似，TI也必须通过软件才能将其清0（如执行CLR TI指令）。,SCON各位名称和功能, RB8（SCON.2）：接收数据第9位。在方式2或方式3中，用于存放接收数据的第9位，此时，该位可能是奇偶校验位，也可能是多机通信中的地址帧/数据帧的标志位。在方式1时，若SM2=0，则RB8为接收到的停止位。方式0时，不使用RB8。,SCON各位名称和功能, TB8（SCON.3）：发送数据第9位。在方式2或方式3中，用于存放发送数据的第9位，此时，该位可以用作奇偶校验位，在多机通信中，可以作为地址帧/数据帧的标志位。 REN（SCON.4）：允许接收控制位。若使REN=1
14、，则启动串行口接收数据；若使REN=0，则禁止串口接收。,SCON各位名称和功能,SM2（SCON.5）：多机通信控制位。主要用于方式2和方式3中。若接收方单片机的SM2 = 1，则由收到的RB8来控制是否使RI置1：当收到的RB8 = 0时， RI不被置1，收到的信息被丢弃；当收到的RB8 = 1时，收到的数据进入SBUF（接收），并将RI置1，向CPU发出串口中断请求，接收方可在串口中断服务中将数据从SBUF（接收）中读走。也可以通过查询RI的办法，在发现RI为1后，将SBUF（接收）中的数据读走。,SCON各位名称和功能,若接收收方单片机的SM2 = 0，则RB8不再具有控制RI激活的功
15、能，不论收到的RB8为0还是1，收到的数据都会进入SBUF，并使RI = 1。运用SM2的控制功能，便可以实现多机通信（将在下一节中详细介绍）。在方式0时，不使用SM2控制位，应将SM2设定为0。在方式1时，通常也将SM2设为0，若使SM2 = 1，则只有接收到有效的停止位时，RI才被置1。,SCON各位名称和功能,2电源控制寄存器PCON,PCON的字节地址为87H，不能按位寻址，只能按字节寻址。各位的定义如图9-16所示。其中，只有一位SMOD与串行口工作有关。编程时只能使用字节操作指令对它赋值。,图9-16 电源控制寄存器,PCON控制位的名称和功能, SMOD（PCON.7）：波特率倍
16、增位。在串行口方式1、方式2、方式3中，用于控制是否倍增波特率。当SMOD = 0时，波特率不倍增；当SMOD = 1时，波特率提高一倍。 PCON其余的位，只定义了4位，GF1、GF0为通用标志位，PD、IDL用于节电方式控制：前者为掉电控制位，后者为空闲控制位。,9.3 串行接口的工作方式与波特率,9.3.1 串行接口的工作方式 9.3.2 串行接口的波特率,9.3.1 串行接口的工作方式,1方式0 2方式1 3方式2和方式3,1方式0,图9-17 串口工作在方式0时的内部结构,方式0时，串行口被设定为同步移位寄存器。这时，串行口的内部结构可简化为图9-17所示。,图9-17说明,由图9-17可见，当串行口工作于方式0时，RXD（P3.0）引脚用于输入或输出数据，TXD（P3.1）引脚用于输出同步移位脉冲。波特率固定为fosc/12。发送和接收均为8位数据，低位在前，高位在后。串口工作于方式0时，SM2、RB8和TB8皆不起作用，通常将它们均设置为0状态。,
