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1、第九章 MCS-51单片机串行接口,9.1 通讯的基本概念,1并行通信和串行通信 计算机与外界的通信有两种基本方式：并行通信和串行通信。 并行通信是一次发送和接收以字节为单位，发送信息量大，速度快，处理方便，缺点是需要硬件资源多，特别适合距离较近、需要传输速度快的场合。串行通信一次发送和接收以二进制位（bit）为单位, 发送信息量小、速度慢、数据处理比并行通信复杂，但它的最大优点是节省资源，特别适合距离较远、对速度要求不高的场合。,2同步通信和异步通信 串行通信按信息的格式又可分为异步通信和同步通信两种方式。 串行异步通信方式的特点是数据在线路上传送时是以一个字符（字节）为单位一位一位的传送，
2、未传送时线路处于空闲状态。空闲线路约定为高电平“1”。传送的一个字符又称为一帧信息，传送时每一个字符前加一个低电平的起始位，然后是数据位，数据位可以是58位，低位在前，高位在后，数据位后可以带一个奇偶校验位，最后是停止位，停止位用高电平表示，它可以是1位、1位半或2位。 异步通信时字符间可以有间隔，间隔的位数不限，对发送和接收的时钟要求不高。在实际应用时，常采用三线制，因此线路简单。在嵌入式控制系统中用的最多。 根据通信设备的功能，异步通信可有发送和接收可同时进行的双工，发送和接收分时进行的半双工，只能单方向进行的单工。MCS-51单片机有一个能同时发送和接收数据的双工串口。,3串行同步通信方
3、式 串行同步通信方式的特点是数据在线路上传送时以字符块为单位，一次传送多个字符，传送时须在前面加上一个或两个同步字符，后面加上校验字符。串行同步通信方式传送数据多，速度快，但要求控制线路复杂。在嵌入式控制系统中用的不多。 4波特率 波特率是指串行通信中，单位时间传送的二进制位数，单位为bps。常用波特率表示串行通信的速度。在异步通信中，波特率一般为50115200bps。,9.2 MCS-51单片机串行口功能与结构,1功能 MCS-51单片机具有一个全双工的串行异步通信接口，可以同时发送、接收数据，发送、接收数据可通过查询或中断方式处理，使用十分灵活 它有四种工作方式，分别是方式0、方式1、方
4、式2和方式3。其中： 方式0，称为同步移位寄存器方式，一般用于外接移位寄存器芯片扩展I/O接口。 方式1，10位的异步通信方式，通常用于双机点对点通信。方式1在嵌入式控制系统中用的最多。 方式2和方式3，11位的异步通信方式，原来通常用于多机通信。现在由于有了功能强、价格低廉的485转换芯片，在工业上多采用方式1/485接口标准的多机通信，方式2和方式3用的不多。,2结构和工作原理 MCS-51单片机串行口主要由发送数据寄存器、发送控制器、输出控制门、接收数据寄存器、接收控制器、输入移位寄存器等组成 。 从用户使用的角度，它由三个特殊功能寄存器组成：发送数据寄存器和接收数据寄存器，它们都叫SB
5、UF（串行口数据寄存器），但一个用于发送，一个用于接收。使用时由于操作指令不同，不会混淆。还有一个串行口控制寄存器SCON。电源控制寄存器有一位PCON和串行信有关系。 MCS-51单片机串行口结构如图9.1所示。,发送数据时，当执行一条向SBUF写入数据的指令，把数据写入串口数据发送寄存器，就启动了发送过程。在发送时钟的控制下，先发送一个低电平的起始位，接着把发送寄存器中的数据，按低位在前，高位在后的顺序一位一位的发送出去。最后发送一个高电平的停止位。一个字节发送完毕，数据发送寄存器“空”标志TI置位。 接收数据时，当串口控制寄存器中的REN位为1，即串口允许接收数据时，接收器开始工作，经过
6、一系列采样和条件判定，如果接收有效，则把接收的数据放到接收数据寄存器中，数据接收寄存器“有数据”标志RI置位。 利用标志TI和RI，可以使用中断或查询方式处理数据的串行发送或接收。,3 串口控制寄存器SCON 串口控制寄存器SCON的结构如图9.2所示，它是MCS-51的一个特殊功能寄存器，已在头文件中定义，它每位有一个大写的名称，可以通过位名称进行位寻址，也可以以字节访问。,SM2：多机通信控制位。当SM2=1，是多机通信状态，在方式2或3接收数据时，如果RB8=0，则接收的是对方寻址地址；如果RB8=1，接收的是对方发来的数据。当寻址地址正确，此数据进入接收SBUF，RI=1。 SM2=0
7、，是点对点的单机通信，接收的数据不管RB8状态，都有效，数据进入接收SBUF，RI=1。方式0和1，SM2应置0。 REN：允许接收控制位。当REN=1，则允许接收，当REN=0，则禁止接收。 TB8：发送数据的第9位。用于多机通信。TB8=1，发送地址，TB8=0，发送数据。 RB8：接收数据的第9位。用于多机通信，用来存放对方发来的数据的第9位，在方式1，SM2=0时它实际是接收到的停止位。多机通信时RB8=1，接收的是地址，RB8=0，接收的是数据。,TI：发送中断标志位。当发送SBUF空时，系统硬件使TI=1，此时可以利用它向CPU申请中断，如中断允许，在中断服务程序中向发送SBUF写
8、下一字节数据；如果采用查询方式发送数据，查询到TI=1，说明发送SBUF空，可向发送SBUF写下一字节数据。 不管中断方式还是查询方式发送数据，发送数据后都要手工使TI=0，以便当对方将数据取走，TI又变为1，进入下一次发送。 RI：接收中断标志位。当接收SBUF有数据时，系统硬件使RI=1，此时可以利用它向CPU申请中断，如中断允许，在中断服务程序中接收SBUF一字节数据；如果采用查询方式发送数据，查询到RI=1，说明接收SBUF有数据，可读SBUF一字节数据。 不管中断方式还是查询方式接收数据，接收数据后都要手工使RI=0，当对方发送下一字节数据时，RI又变为1，进入下一次接收。,在MCS
9、-51系统中，串行通信的发送和接收中断共用一个中断向量，即一个中断服务程序入口，到底是发送还是接收中断，通过在程序中查RI和TI状态确定。 系统复位或上电时SCON清0。 4电源控制寄存器PCON 电源控制寄存器PCON结构如图9.3所示。它只有一位SMOD，称波特率加倍位。,当SMOD位为1，则串行口方式1、方式2、方式3的波特率加倍。系统复位或上电时PCON清0。由于MCS-51工作频率常采用6M或12M，相对较低，要想获得较高的通信速率，SMOD位应置1。在满足系统要求的情况下，通信频率选择低频，可以降低功耗，减少发热，有利系统稳定。,9.3.1 方式0,方式0通常用来外接移位寄存器，用
10、作扩展I/O口。方式0工作时波特率固定为系统主频fosc 的1/12。工作时，串行数据通过RXD输入和输出，同步时钟通过TXD输出。发送和接收数据时低位在前，高位在后，长度为8位。 1发送过程 在TI=0时，当CPU执行一条向SBUF写数据的指令时，如SBUF=i，就启动发送过程。经过一个机器周期，写入发送数据寄存器中的数据按低位在前，高位在后从RXD依次发送出去，同步时钟从TXD送出。8位数据（一帧）发送完毕后，由硬件使发送中断标志TI置位，向CPU申请中断。,2. 接收过程 在RI=0的条件下，将REN（SCON.4）置“1”就启动一次接收过程。串行数据通过RXD接收，同步移位脉冲通过TX
11、D输出。在移位脉冲的控制下，RXD上的串行数据依次移入移位寄存器。当8位数据（一帧）全部移入移位寄存器后，接收控制器发出控制信号，将8位数据并行送入接收数据缓冲器SBUF中，同时，由硬件使接收中断标志RI置位，向CPU申请中断。方式0应用不多，具体见例9.1。,9.3.2 方式1,方式1为8位异步通信方式，在方式1下，一帧信息为10位：1位起始位（0），8位数据位（低位在前）和1位停止位（1）。TXD为发送数据端，RXD为接收数据端。波特率可变，由定时/计数器T1的溢出率和电源控制寄存器PCON中的SMOD位决定。 即：波特率=2（T1的溢出率）/32。 1. 发送过程 在TI=0时，当CPU
12、执行一条向SBUF写数据的指令时，如SBUF=i，就启动了发送过程。数据由TXD引脚送出，发送时钟由定时/计数器T1送来的溢出信号经过16分频或32分频后得到，在发送时钟的作用下，先通过TXD端送出一个低电平的起始位，然后是8位数据（低位在前），其后是一个高电平的停止位，当一帧数据发送完毕后，由硬件使发送中断标志TI置位，向CPU申请中断，完成一次发送过程。,2. 接收过程 当允许接收控制位REN被置1，接受器就开始工作，由接收器以所选波特率的16倍速率对RXD引脚上的电平进行采样。当采样到从“1”到“0”的负跳变时，启动接收控制器开始接收数据。在接收移位脉冲的控制下依次把所接收的数据移入移位
13、寄存器，当8位数据及停止位全部移入后，根据以下状态，进行响应操作。 （1）如果RI=0、SM2=0，接收控制器发出“装载SBUF”信号，将输入移位寄存器中的8位数据装入接收数据寄存器SBUF，停止位装入RB8，并置RI=1，向CPU申请中断。 （2）如果RI=0、SM2=1，那么只有停止位为“1”才发生上述操作。 （3）RI=0、SM2=1且停止位为“0”，所接收的数据不装入SBUF，数据将会丢失。 （4）如果RI=1，则所接收的数据在任何情况下都不装入SBUF，即数据丢失。,9.3.3 方式2和方式3,方式2和方式3都为9位异步通信接口，接收和发送一帧信息长度为11位，即1个低电平的起始位，
14、9位数据位，1个高电平的停止位。发送的第9位数据放于TB8中，接收的第9位数据放于RB8中。TXD为发送数据端，RXD为接收数据端。方式2和方式3的区别在于波特率不一样，其中方式2的波特率只有两种：fosc/32或fosc/64，方式3的波特率与方式1的波特率相同，由定时/计数器T1的溢出率和电源控制寄存器PCON中的SMOD位决定，即： 波特率=2（T1的溢出率）/32。 在方式1时，也需要对定时/计数器T1进行初始化。,1发送过程 方式2和方式3发送的数据为9位，其中发送的第9位在TB8中，在启动发送之前，必须把要发送的第9位数据装入SCON寄存器中的TB8中。准备好TB8后，就可以通过向
15、SBUF中写入发送的字符数据来启动发送过程，发送时前8位数据从发送数据寄存器中取得，发送的第9位从TB8中取得。一帧信息发送完毕，置TI为1。 2接收过程 方式2和方式3的接收过程与方式1类似，当REN位置1时也启动接收过程，所不同的是接收的第9位数据是发送过来的TB8位，而不是停止位，接收到后存放到SCON中的RB8中，对接收是否有效判断也是用接收的第9位，而不是用停止位。其余情况与方式1相同。,9.4 串行口波特率计算,1串行口控制寄存器SCON位的确定。 根据工作方式确定SM0、SM1位；对于方式2和方式3还要确定SM2位；如果是接收端，则置允许接收位REN为1；如果是方式2和方式3发送
16、数据，则应将发送数据的第9位写入TB8中。,2波特率计算。 对于方式0，不需要对波特率进行设置。 对于方式2，设置波特率仅须对PCON中的SMOD位进行设置。 对于方式1和方式3，设置波特率不仅须对PCON中的SMOD位进行设置，还要对定时/计数器T1进行设置，这时定时/计数器T1一般工作于方式2 (8位可重置方式)，初值可由下面公式求得： 由于： 波特率=2（T1的溢出率）/32 则： T1的溢出率=波特率32/2而T1工作于方式2的溢出率又可由下式表示： T1的溢出率=fosc/（12（256-初值）,所以： T1的初值=256 - fosc2 /（12波特率32） MCS-51单片机多使用6M或12M的主频，方式1常用波特率的T1的初值见表9.2。 12M的主频使用11.0592M晶振，所以表中只列主频11.0592M的情况。,9.5.1 串行口的编程步骤,1. 串口初始化 MCS-51的串口使用之前，必需对串口初始化才能使用。串口初始化的内容是指定串口工作方式，设置波特率、启动发送和接
