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1、1,第8章 8051单片机的串行接口及串行总线,2,8051中的串行接口是一个全双工(full duplex)通信接口，即能同时进行发送和接收（若可以发送和接收，但不能同时进行，则称半双工；只能发送或接收的称为单工），它可以作UART通用异步接收和发送器用，也可以作同步移位寄存器用。8051串行口有4种工作方式，帧格式有8位、10位和11位，并能设置各种波特率。 本章首先介绍8051单片机的串行接口，然后介绍了串行总线SPI和I2C通信原理以及单片机对SPI和I2C的模拟。,3,单工、半双工、双工的概念,4,本章内容,8.1 8051单片机的串行通信接口 8.2 8051和RS-232-C标准
2、总线的通信接口 *8.3 SPI总线及8051单片机的模拟 *8.4 I2C串行总线接口及其8051单片机模拟 *8.5单总线1-Wire及其8051的模拟,5,8.1 8051单片机的串行通信接口,8051中的串行接口是一个全双工(full duplex)通信接口，其数据发送端为TXD，接收端为RXD。所谓全双工即能同时进行发送和接收，它可以作UART通用异步接收和发送器用，也可以作同步移位寄存器用。 在8051的串行接口内部有两个独立的接收、发送缓冲器SBUF，SBUF属于特殊功能寄存器。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，二者共用一个字节地址（99H）。,6,8.1.
3、1 串行接口的四种工作方式,串行接口的四种工作模式由串行口控制寄存器SCON控制。采用定时器T1作为波特率发生器，特殊功能寄存器PCON控制波特率的倍率。中断允许寄存器IE控制其中断，中断优先级寄存器IP控制其中断优先级。串行接口的中断入口地址为0023H。,7,模式0(MODE0): 同步移位寄存器方式。8位数据(先为LSB)从引脚RXD接收/移出，引脚TXD输出移位时钟，波特率固定为晶振频率的1/12。模式0通常用来扩展输入输出口。,图8-1串行口工作模式0示意图,模式1(MODE1)：10位数据被发送(从引脚TXD)或接收(从引脚RXD)：1个启动位，8个数据位，1个停止位。在接收时，停
4、止位被送入特殊功能寄存器的SCON的RB8位。波特率是可变的。,8,图8-2 串口工作模式1示意图,9,模式2(MODE2)：11位数据被发送(从引脚TXD)或接收(从引脚RXD)：1个启动位，8个数据位，可编程的第9个数据位，1个停止位。发送时，第9位(SCON 的TB8位)可被赋予0或1。例如，可将奇偶校验位送至TB8位。在接收时，停止位被送入特殊功能寄存器SCON的RB8位。模式2的波特率可为1/32或1/64晶振频率。,图8-3 串口工作模式2示意图,10,11,模式3(MODE3)：11位数据被发送(从引脚TXD)或接收(从引脚RXD)：1个启动位，8个数据位，可编程的第9个数据位，
5、1个停止位。发送时，第9位(SCON 的TB8位)可被赋予0或1。 实际上，除了波特率之外，模式2和模式3是相同的。模式3的波特率是可变的。,图8-4 串口工作模式3示意图,12,13,8.1.2串行口控制寄存器,1.串行口控制寄存器SCON 串行口控制寄存器SCON，字节地址98H，所有位均可位寻址，位地址98H9FH。 9FH 9EH 9DH 9CH 9BH 9AH 99H 98H 图8-5 串行口控制寄存器SCON的格式,14,(1)SM0、SM1是串行口4种工作模式选择位，所对应 的工作方式如表8-1 ：,表8-1 8051串行口的四种工作方式,15,(2)SM2是多机通信控制位,若S
6、M2=1，则模式2和模式3可用于多机通讯，9个数据位被收到，第9位数据被送入RB8，然后是停止位。仅当RB8=1，单片机在收到停止位后，串行口中断被激活。 若SM2=0，则不论收到的第9位数据是“1”还是“0”，都将前8位数据送入SBUF，并产生中断请求。 在模式1时，如果SM2=1，则只有收到有效的停止位才会激活RI；在模式0，SM2必须为0。,16,(3)REN 允许串行接收位，由软件置“1”或清“0”。 REN = 1，允许串行接收 REN = 0，禁止串行接收 (4)TB8 为要发送的第9位数据，在模式2和3时，TB8是要发送数据的第9位数据。由软件置“1”或清“0”。双机通信时，TB
7、8一般作为奇偶校验位使用；多机通信中用来表示主机发送的数据是地址帧还是数据帧。TB8 = 1，为地址帧，TB8 = 0为数据帧。,17,(5)RB8 为接收到的第9位，在模式2和3时，RB8存放接收到的第9位数据。在模式1，如果SM2 = 0，RB8是收到的停止位。在模式0，不使用RB8。 (6)TI 发送中断标志位，串行口工作在模式0时，串行发送第8位数据结束时由硬件置“1”。在其他工作模式，串行口发送停止位的开始时置“1”。TI = 1，表示一帧数据发送结束，TI的状态可供软件查询，也可申请中断。CPU相应中断后，向SBUF写入要发送的下一帧数据。TI必须由软件清“0”。,18,(7)RI
8、 接收中断标志位，串行口工作在模式0时，接受完第8位数据结束时由硬件置“1”。在其他工作模式，串行口接收到停止位的开始时置“1”。RI = 1，表示一帧数据接收完毕，并申请中断，要求CPU从SBUF取走数据。RI的状态也可供软件查询，RI必须由软件清“0”。,19,2.特殊功能寄存器 PCON 特殊功能寄存器 PCON字节地址为87H，不能位寻址。 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0,SMOD：波特率选择位，也称SMOD位为波特率倍增位，在串行口方式1、方式2、方式3时，波特率与SMOD有关，当SMOD=1时，波特率提高一倍。复位时，SMOD=0。,20,波特率（baud rate
9、）,波特率为每秒钟传送二进制数码的位数，也叫比特数，单位为bit/s，即位/秒。波特率用于表征数据传输的速度，波特率越高，数据传输速度越快。但波特率和字符的实际传输速率不同，字符的实际传输速率是每秒内所传字符帧的帧数，和字符帧格式有关。,21,8.1.3波特率的产生,1.模式0的波特率 模式0的波特率是固定的，即：,2.模式2的波特率 模式2的波特率取决于特殊功能寄存器PCON的SMOD位。如SMOD=0，波特率是晶振频率的1/64；如果SMOD=1，则波特率等于晶振频率的1/32。即模式2的波特率按下式计算：,22,23,3.模式1和模式3的波特率 在8051系统中，模式1和模式3的波特率取
10、决于定时器1的溢出率；在8052中，波特率取决于定时器1或定时器2。 (1)利用定时器1产生波特率 模式1和模式3的波特率取决于定时器1的溢出率和SMOD位的值，即：,24,实际上，当定时器T1作为波特率发生器使用时，通常是工作在模式2，即自动重装计数初值的8位定时器，此时TL1作计数用，自动重装的值在TH1内。假设计数的预置值（初始值）为X，那么每过256-X个机器周期，定时器溢出一次。为了避免溢出而产生不必要的中断，此时应禁止T1中断。在这种情况下，串口的波特率由下式决定：,另外，用户只要将定时器1配置为16位定时器方式(TMOD的高4位等于0001B,即定时器T1工作模式MODE=1)，
11、且利用定时器1中断实现软件重载，就可得到非常低的波特率。表8-2 列出了用定时器1可能得到的波特率。,25,26,表8-2定时器1产生的波特率,27,串行口工作之前，应对其进行初始化，主要是设置产生波特率的定时器1、串行口控制和中断控制。具体步骤如下： 确定T1的工作方式（编程TMOD寄存器）； 计算T1的初值，装载TH1、TL1； 启动T1（编程TCON中的TR1位）； 确定串行口控制（编程SCON寄存器）； 串行口在中断方式工作时，要进行中断设置（编程IE、IP寄存器）。,28,(2)用定时器2产生波特率 定时器2波特率发生器模式和自动重装模式是类似的。在自动重装模式中，TH2的溢出是由软
12、件预置的在寄存器RCAP2H和RCAP2L的16位值装入定时器2。 模式1和模式3的波特率取决于定时器2的溢出率，如下式所示：,29,定时器2作为定时器运行和波特率发生器略有区别：作为定时器运行时，计时单位为机器周期(一个机器周期=12个时钟周期)，而作为波特率发生器的计时单位则是状态周期(一个状态周期=2个振荡周期)。因而模式1和模式3的波特率也可由下式给出：,说明1：在作为波特率发生器时，TH2的溢出并不置位TF2，也不产生中断。因而定时器2作为波特率发生器时不需要禁止定时器2中断。 说明2：如果EXEN2被置位，引脚T2EX上从1到0的跳变将置位EXF2，但不会导致重装。因此，定时器2作
13、为波特率发生器时，T2EX可作为扩展外部中断。 说明3：定时器2在运行中，不要试图读或写TH2(或TL2)。可以读寄存器RCAP，但不能写RCAP，因为这可能导致写操作和重装操作重叠而导致错误，用户应该在对定时器2操作前关闭定时器2。,30,31,8.1.4多个单片机之间的通信,1.多机通讯控制位（SCON中的SM2） 要保证主机与所选择的从机实现可靠地通讯，必须保证串口具有识别功能。SCON中的SM2位就是满足这一条件而设置的多机通讯控制位。 若SM2=1，在串行口以模式2(或模式3)接收时，表示置多机通讯功能位，这时有两种可能情况： 第一种情况：接收到的第9位数据为1时，数据才装入SBUF
14、，并置中断标志RI=1向CPU发出中断请求； 第二种情况：接收到的第9位数据为0时，则不产生中断标志，信息将抛弃。,32,若SM2=0，则接收的第9位数据不论是0还是1，都产生RI=1中断标志，接收到的数据装入SBUF中。,2.多机通讯工作过程 (1)从机串行口编程为模式2或模式3接收，且置“1”SM2和REN位； (2)主机先将从机地址发给各从机, 主机发出的地址信息的第9位为1，各从机接收到的第9位信息RB8为1，且由于SM2=1，则置“1” RI，各从机响应中断，执行中断程序。在中断服务子程序中，判主机送来的地址是否和本机地址相符合，相符则该从机清“0”SM2位，准备接收主机的数据或命令
15、；若不符，则保持SM2=1状态。,33,(3)接着主机发送数据帧，此时各从机串行口接收到的RB8=0，只有地址相符合的从机系统(即已清“0”SM2位的从机)才能激活RI，从而进入中断，在中断程序中接收主机的数据(或命令)； 其它的从机因SM21，又RB8=0不激活中断标志RI，不能进入中断，接收的数据丢失。,34,图8-7 多机系统示意图,3.多机通信举例,从机的地址分别为00H，01H和02H，从机系统由初始化程序(或相关处理程序)将串行口编程为模式2或模式3接收，即9位异步通讯方式，且置“1” SM2和REN，允许串行口中断。在主机和某一个从机通讯之前，先将从机地址发送给各个从机系统，接着
16、才传送数据或命令。主机发出的地址信息的第9位为1，数据(包括命令)信息的第9位为0。 图8-7的多机系统是主从式，由主机控制处理器之间的通讯，从机和从机之间的通讯只能经主机才能实现。,35,36,8.2 8051和RS-232-C标准总线的通信接口 8.2.1 RS-232-C接口引脚描述,RS-232-C标准规定接口有25根连线，D型插头和插座，采用25芯引脚或9芯引脚的连接器，RS-232-C标准接口如图8-8所示：,图8-8 RS-232-C标准接口图,虽然RS-232-C标准接口定义了25条连线，但通常只有以下9个信号经常使用，其对应关系如表8-3所示。,37,表8-3 RS-232-C标准接口引脚功能(DB9/DB25),38,8.2.2 RS-232-C接口的具体规定,RS-232-C标准(协议)的全称是EIA-RS-232C标准，其中EIA(Electronic Industry Association)代表美国电子工业协会，RS(Recommend Standard)代表推荐标准，232是标识号，C代表
