《单片机原理及应用 教学课件 ppt 作者 张国锋 主编 第7章 单片机的串行通信》由会员分享，可在线阅读，更多相关《单片机原理及应用 教学课件 ppt 作者 张国锋 主编 第7章 单片机的串行通信（74页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、本章总体要求：,掌握串行通信基础知识,1,掌握串行通信与并行通信的特点,2,掌握串行口的工作方式及特点,3,掌握MCS-51单片机的串行通信的基本原理,4,5,了解MCS-51单片机串行通信的应用,第7章 单片机的串行通信,本章重点：,串行通信与并行通信的区别及适用范围,1,异步通信和同步通信的特点,2,串行口的4种工作方式及特点,3,本章难点：,串行通信的波特率,1,串行口的4种工作方式,2,3,串行通信的应用,CPU与外部设备之间的数据传输是通过输入输出接口电路实现的。输入输出接口按数据传输方式可分为并行接口和串行接口。并行接口和串行接口的“并行”和“串行”的含义不是指接口与CPU之间的数
2、据传输（接口与系统总线一侧的数据传输当然是并行的），而是指接口与外部设备一侧的数据传输。并行接口与外部设备之间用4根、8根或16根数据线同时传输4位、8位或16位二进制数，数据是并行传输的；串行接口与外部设备之间在1根数据线上，1位串行传输二进制数据。,7.1串行通信基础知识,7.1.1并行通信和串行通信 在计算机系统中，CPU与外部通信的基本方式有两种：并行通信数据的各位同时传送；串行通信数据一位一位顺序传送。两种通信方式如图7-1所示：,(a)并行通信 (b)串行通信 图7-1基本通信方式示意图,并行通信的特点：各数据位同时传送，传送速度快、效率高。但有多少数据位就需要有多少根数据线，因此
3、传送成本高。在集成电路芯片的内部、同一插件板上各部件之间、同一机箱内各插件板之间等的数据传送都是并行的。并行数据传送的距离通常小于30米。 串行通信的特点：数据传送按位顺序进行，最少只需一根传输线即可完成，成本低，但速度慢。计算机与远程终端或终端与终端之间的数据传送通常都是串行的。串行数据传送的距离可以从几米到几千公里。,7.1.2异步通信和同步通信 串行通信有同步通信和异步通信两种基本方式 1异步通信方式（Asynchronous Communication) 在异步通信中，数据通常是以字符（或字节）为单位组成字符帧传送的。字符帧由发送端一帧一帧地发送，通过传输线被接收设备一帧一帧地接收。发
4、送端和接收端可以有各自的时钟来控制数据的发送和接收，这两个时钟源彼此独立，互不同步。 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及何时结束发送。,平时，发送线为高电平（逻辑“”），每当接收端检测到传输线上发送过来的低电平逻辑“0”（字符帧中起始位）时，就知道发送端已开始发送，每当接收端接收到字符帧中的停止位时，就知道一帧字符信息己发送完毕。 在异步通信中，字符帧格式和波特率是两个重要指标，由用户根据实际情况选定。 （1）字符帧（Character Frame）字符帧也叫数据帧，由起始位、数据位、奇偶校验位和停止位等四部分组成如图7-2所示。现对各部分结构和功能分述如下：,图
5、7-2异步通信的字符帧格式,1）起始位：位于字符帧开头，只占一位，始终为逻辑“0”（低电平），用于向接收设备表示发送端开始发送一帧信息。 2）数据位：紧跟起始位之后，用户根据情况可取5位、6位、7位或8位，低位在前高位在后。若所传数据为ASCII字符，则常取7位。 3）奇偶校验位：位于数据位后，仅占一位，用来表征串行通信中采用奇校验还是偶校验，由用户根据需要决定。 4）停止位：位于字符帧末尾，为逻辑“1”（高电平），通常可取1位、1.5位或2位，用于向接收端表示一帧字符信息已发送完毕，也为发送下一帧字符作准备。,在串行通信中，发送端一帧一帧发送信息，接收端一帧一帧接收信息。两相邻字符帧之间可以
6、无空闲位，也可以有若干空闲位，这由用户根据需要决定。图7-2（b）为具有三个空闲位时的字符帧格式。,2.同步通信方式（Synchronous Communication） 同步通信是一种连续串行传送数据的通信方式，一次通信只传送一帧信息。这里的信息帧和异步通信中的字符帧不同，通常有若干个数据字符，如图7-3所示。图7-3（a）为单同步字符帧结构；图7-3（b）为双同步字符帧结构。,它们均由同步字符、数据字符和校验字符三部分组成。其中，同步字符位于帧结构开头，用于确认数据字符的开始（接收端不断对传输线采样，并把采到的字符和双方约定的同步字符比较，只有比较成功后才会把后面接收到的字符加以存储）；数
7、据字符在同步字符之后，个数不受限制，由所需传输的数据块长度决定；校验字符有12个，位于帧结构末尾，用于接收端对接收到的数据字符的正确性的校验。,图7-3同步通信的字符帧格式,在同步通信中，同步字符可以采用统一标准符式，也可由用户约定。在单同步字符帧结构中，同步字符常采用ASCII码中规定的SYN（即16H）代码；在双同步字符帧结构中，同步字符一般采用国际通用标准代码EB90H。 同步通信的数据传输速率较高，通常可达56000bit/s或更高。同步通信的缺点是要发送时钟和接收时钟保持严格同步，故发送时钟除应和发送波特率保持一致外，还要求它同时传送到接收端去。,7.1.3串行通信的制式 在串行通信
8、中，数据是在两个站之间传送的。按照数据传送方向，串行通信可分为单工、半双工和全双工三种传送方式。 单工方式 在单工方式下，通信线的一端接发送器，另一端接接收器，它们形成单向连接，只允许数据按照一个固定的方向传送。如图7-4(a)所示，数据只能单方向传送。,2半双工方式 在半双工方式下，系统中的每个通信设备都由一个发送器和一个接收器组成，通过收发开关接到通信线上，如图7-4(b)所示。在这种方式下，数据能够实现双方向传送，但任何时刻只能由其中的一方发送数据，另一方接收数据。其收发开关并不是实际的物理开关，而是由软件控制的电子开关，通信线两端通过半双工协议进行功能切换。,3全双工方式 虽然半双工比
9、单工方式灵活，但它的效率依然很低，我们可以通过采用信道划分技术来克服它的这个缺点。在图7-4(c)所示的全双工连接中，不是交替发送和接收，而是同时发送和接收。全双工通信系统的每端都含有发送器和接收器，数据可以同时在两个方向上传送。 需要注意的是，尽管许多串行通信接口电路具有全双工功能，但在实际应用中，大多数情况下只工作于半双工方式，即两个工作站通常并不同时收发。这种用法并无害处，虽然没有充分发挥效率，但简单、实用。,图7-4三种通信方式,7.1.4波特率 波特率的定义为每秒钟传送二进制数码的位数（亦称比特数），单位是bit/s，又为bps，即位秒。波特率是串行通信的重要指标，用于表征数据传输的
10、速度。波特率越高，数据传输速度越快，但和字符的实际传输速率不同。字符的实际传输速率是指每秒内所传字符帧的帧数，和字符帧格式有关。假如数据传送的速率每秒为960个字符，每个字符由1个起始位、8个数据位和1个停止位组成，则其传送波特率为：10960=9600bps。,每一位的传输时间定义为波特率的倒数。例如：波特率为9600bps的通信系统，其每位的传输时间应为： 。 波特率还和信道的频带有关。波特率越高，信道频带越宽。因此，波特率也是衡量通道频宽的重要指标，通常，异步通信的波特率在50bit/s9600bit/s之间。波特率不同于发送时钟和接收时钟，它通常是时钟频率的1/16或1/64。 异步通
11、信的优点是不需要传送同步脉冲，字符帧长度也不受限制，故所需设备简单。缺点是字符帧中因包含有起始位和停止位而降低了有效数据的传输速率。,7.2 MCS-51的串行口,7.2 MCS-51的串行口 为了使单片机能实现串行通信，在MCS-51系列单片机及其他很多型号单片机芯片内部都设计了UART（通用异步接收和发送器）串行接口。它是一个可编程的全双工异步串行通信接口，通过软件编程它可以作为通用异步接收和发送器用，也可作同步移位寄存器用，还能实现多机通信。其帧格式有8位、10位和11位，并能设置各种波特率，使用灵活方便。,7.2.1 MCS-51的串行口 MCS-51串行口结构框图如图7-5所示。由图
12、可见它主要由两个数据缓冲寄存器SBUF和一个输入移位寄存器，以及一个串行控制寄存器SCON等组成。波特率发生器可以采用定时器T1或T2控制发送和接收的速率。接收与发送缓冲寄存器SBUF采用同一个地址代码99H，其寄存器名亦同样为SBUF。CPU通过不同的操作命令，区别这两个寄存器，所以不会因为地址代码相同而产生错误。当CPU发写SBUF命令时，即是向发送缓冲寄存器中装载新的信息，同时启动数据串行发送；当CPU发读SBUF命令时，就是读接收缓冲寄存器的内容。特殊功能寄存器SCON用以存放串行口的控制和状态信息。MCS-51串行口正是通过对上述专用寄存器的设置、检测与读取来管理串行通信的。,在进行
13、串行通信时，外界数据是通过引脚RXD（P3.0，串行数据接收端）输入的。输入数据先逐位进入输入移位寄存器，再送入接收寄存器。在接收器中采用了双缓冲结构，以避免在接收到第二帧数据之前，CPU未及时响应接收器的前一帧中断请求，没把前一帧数据读走，而造成两帧数据重叠的错误。在发送时，因为CPU是主动的，不会产生写重叠问题。一般不需要双缓冲器结构，以保持最大传送速率。要发送的数据通过发送控制器控制逻辑门电路一位一位输出。,图7-5串行口结构框图,7.2.2串行口的控制寄存器 由7-4图可看出串行口内部有三种寄存器： 1串行接口数据缓冲器SBUF SBUF是两个在物理上独立的接收、发送缓冲器，可同时发送
14、、接收数据。两个缓冲器只用一个字节地址99H，可通过指令对SBUF的读写来区别是对接收缓冲器的操作还是对发送缓冲器的操作。CPU写SBUF，就是修改发送缓冲器；读SBUF，就是读接收缓冲器。串行口对外也有两条独立的收发信号线RXD(P3.0)、TXD(P3.1)，因此可以同时发送、接收数据，实现全双工。,2.串行口控制寄存器SCON SCON寄存器用来控制串行口的工作方式和状态，它可以是位寻址。在复位时所有位被清零，字地址为98H其格式如图7-6所示,图7-6 SCON各位定义,各位定义如下： SM0、SMl：串行口工作方式选择位，可选择四种工作方式，如表71所示：,32或,表71 串行口工作
15、方式选择,（2）SM2：在工作方式2和方式3中允许多机通信控制位。若SM2置l，则允许多机通信。当串行口以方式2或方式3接收时，若SM21，且接收到的策9位数据（RB8）为1，则接收到的前8位数据送入SBUF，并置位RI产生中断请求，否则，RI0，接收到的前8位数据丢失。而当SM20时，则不管RB8是0还是1，都将前8位数据装入SBUF中，并产生中断请求。 在方式1中，若SM21，则只有接收到有效的停止位时，RI才置1，否则RI清0。 在方式0中，SM2必须为0。 （3）REN：允许串行接收位。该位由软件置位或清除。REN1时，允许接收；REN0时，禁止接收。,（4）TB8：在工作方式2或方式
16、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MCS51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。在方式0中，串行发送完第8位数据后，由硬件置位；在共它方式中，在发送停止位开始时，由硬件置位。,TI1时，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。在任何方式中，TI都必须由软件清0。 （7）BI：接收中断标志。在方式0中，接收完第8位数据后，由硬件置位；在其它方式中，在接收到停止位的中间时由硬件置位。RI1时，表示帧接收
