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第九章MCS51串行口,9.1概述9.2MCS-51的串行接口,9.1概述,9.1.1串行通信的基本概念一、并行通信和串行通信并行通信：定义：数据各位同时传送。特点：速度快、效率高、数据线较多，通信距离较短（30m）。串行通信：定义：数据按位顺序传送。特点：线路简单，最多一对传输线。传送时数据格式有要求（同步通信和异步通信）信息逻辑定义与TTL电平不兼容，需要进行电平转换。,并行通信与串行通信,并行通信：将数据的各位用多条数据线同时进行传送，外加地址线和通信控制线。,串行通信：将数据分成1位1位的形式在一条传输线上逐个地传送。,特点：,并行通信常用于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的信息交互,串行通信常用于设备之间的信息交互,串行通信1）交互数据信息和控制信息2）有严格的格式（同步和异步）3）电平需要转换,二、异步通信和同步通信,1.异步通信：若接收端与发送端使用的不是同一时钟信号（但必须同频率），则为异步通信。以字符为单位，一个字符一个字符地传送，每个字符有起始位和停止位作为标志。数据的传送可以是不连续的。通用异步接收/发送器UART（UniversalasynchronousReceiver/transmitter)数据格式：1）起始位：一个字符开始的标志，是一位低电平。2）停止位：一个字符结束的标志，是一位或两位高电平。3）数据位：起始位之后紧接着的是数据位，低位在前高位在后根据字符的编码方式不同，数据位可以是5、6、7或8位。4）奇偶效验位：用于检查字符传送的正确性，占一位。分为奇校验、偶校验和无校验三种。（一个字符就是一帧）,发送时，在奇偶校验位上添加“1”或“0”，使得“1”的总和（包括奇偶校验位）为偶数（奇校验时为奇数），接受时，对字符位和奇偶校验位中“1”的个数加以检验，若“1”的个数为偶数（奇校验时为奇数），则数据传输正确，否则错误。偶校验：数据区和校验位中1的个数为偶数；奇校验：数据区和校验位中1的个数为奇数。接收设备不断检测传送线，确定是否有起始位到来。在一系列的“1”（停止位和空闲位）之后检测到一个下降沿，并确定该低电平有一位数据的宽度，既确认是一个起始位。起始位之后，可以确定是数据位，效验位和停止位。将接收到的数据按事先约定好的格式，去掉停止位，进行奇偶校验并无错误，则确认接收到一个字符。下一个字符起始位的检测，重复前面的过程到所有数据传送完毕。,2.校验和方法,特点：校验和方法效率更高，可靠性更高。,2、同步通信,同步通信是一种数据连续传输的串行通信方式，通信时发送方把需要发送的多个字节数据和校验信息连接起来，组成数据块。发送时，发送方只需在数据块前插入12个特殊的同步字符，然后按特定速率逐位输出(发送)数据块内的各位数据。接收方在接收到特定的同步字符后，也按相同速率接收数据块内的各位数据。,2.同步通信,所有字符以帧的形式传送，一帧数据可以是任意位。每一帧有开始和结束标志“01111110”，接收端通过搜索开始和结束标志建立帧的同步。标志之间为地址场、控制场、信息场和帧校验场。为了避免与标志相同的数据,采用“0”插入和删除技术,发端遇到连续5个“1”,自动插入1个“0”,收端遇到连续5个“1”,自动删除1个“0”,如果遇到连续7个“1”,认为出错。数据连续传送不间断。,8位8位8位0位16位8位,面向位同步协议的帧格式,在这种通信方式中，数据块内的各位数据之间没有间隔，传输效率高；发送、接收双方必须保持同步(使用同一时钟信号)，且数据块长度越大，对同步要求就越高。同步通信设备复杂，成本高，一般只用在高速数字通信系统中。,计算机系统中常用串行、并行接口并行：EPP：打印机IDE：硬盘、电子盘IEEE488（GPIB）：智能化仪器PCI,串行：异步：RS232-C384Kbps(15to20m)RS422、RS4851.2Mbps(1200m)同步：USB1.112MbpsUSB2.0480Mbps1394400MbpsSPI26Mbps(Motorola)Microwire10Mbps(NationalSemiconductor，国家半导体公司)I2C400Kbps(Philips)SPI：Serialperipheralinterface,四、串行通信数据传送方向,单向传送：简称单工传送，数据只向一个方向传送半双向传送：简称半双工传送。特点：数据双向传送，一根传送线既作输入又作输出，但不能同时收发，由软件控制传送方向。全双向传送：简称全双工传送。特点：数据双向传送，两根数据传送线，通信双方可同时进行接收和发送。,三、串行接口功能,1.发送器：并串数据格式转换，添加标识位和校验位，一帧发送结束，设置结束标志，申请中断。2.接收器：串并数据格式转换，检查错误，去掉标识位，保存有效数据，设置接收结束标志，申请中断。3.控制器：接收编程命令和控制参数，设置工作方式：同步/异步、字符格式、波特率、校验方式、数据位与同步时钟比例等。,五、波特率,波特率：数据传送速率，即每秒钟传送二进制代码的位数。单位：位/秒(bit/s)或波特。如果传送速率为200字符/秒，每个字符包含10个代码位，则传送的波特率是：200字符/秒10位/字符=2000波特=2000bps每一位代码的传送时间Td为波特率的倒数：,9.1.2串行通信的接口标准,最常用的通信接口：RS-232、RS-449、RS-422、RS-423、RS-485等。一、RS-232C的接口信号见表9.1.1,RS232C简介信号线25芯，22根信号线，常用9根线最简方式3根线RXD：数据接收线TXD：数据发送线GND：地线例如PC机上的串口COM1、COM2,电平制采用负逻辑，对应电平如下：1：5V15V0：5V15V常用驱动器典型的线驱动器MC1488(反向驱动)12V供电典型的线接收器MC1489(反向驱动),二、RS-232C的典型应用,四、RS-232C标准接口的电平转换1.传输线驱动器MC1488输入为TTL电平，输出为RS232电平。2.传输线接收器MC1489输入为RS232电平，输出为TTL电平。,异步串口硬件连接方式,单片机与单片机通信,单片机与PC机通信,四、RS-232C标准接口的电平转换3、收发器MAX232,可以实现TTL电平与RS-232C的双向转换（见P204）,9.2.1串行口控制寄存器,一、1个全双工串行接口，可同时进行发送和接收。串行接口输入/输出引脚：TXD(P3.1)、RXD(P3.0)数据格式：按不同方式，一帧位数8/10/11发送/接收时，数据皆低位在前。,一帧字符发送/接收结束，置位标志位(TI/RI)并申请SIO中断。中断控制：中断允许位ES中断入口：0023H,9.2MCS-51的串行接口,二、串行接口控制,1.数据缓冲器SBUF发送SBUF和接收SBUF共用一个地址99H。（1）发送SBUF存放待发送的8位数据，写入SBUF将同时启动发送。发送指令：MOVSBUF，A（2）接收SBUF存放已接收成功的8位数据，供CPU读取。读取串行口接收数据指令：MOVA，SBUF,2.串行口控制/状态寄存器SCON(98H),4种工作方式设定,多机通讯控制,接受控制，1-允许接受,接收中断标志1接受完,发送中断标志1发送完,接收数据的第9位,发送数据的第9位,2.串行口控制/状态寄存器SCON(98H),SM0，SM1：选择串行口4种工作方式。SM2：多机控制位，用于多机通讯。REN：允许接收控制位，REN=1，允许接收；REN=0，禁止接收。TB8：发送数据的第9位，可作奇偶校验位和地址/数据标识位。方式2和3时，TB8是要发送的第9位数据，可作为奇偶校验位使用，或在多机通信中可作为地址帧或数据帧的标志。=1为地址帧,=0为数据帧.RB8：接收数据的第9位或停止位。方式2和3时，RB8存放接收到的第9位数据，作为奇偶校验位或地址帧/数据帧的标志位。在方式1，如果SM2=0，RB8是接收到的停止位。在方式0，不使用RB8。,TI：发送中断标志，发送一帧结束，TI=1，必须软件清零。方式0时，串行发送第8位数据结束时由硬件置“1”，其它工作方式，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，可供软件查询，也可申请中断。CPU响应中断后,向SBUF写入要发送的下一帧数据。TI必须由软件清0。RI：接收中断标志，接收一帧结束，RI=1，必须软件清零。方式0时，接收完第8位数据时，RI由硬件置1。其它工作方式，串行接收到停止位时，该位置“1”。RI=1，表示一帧数据接收完毕，并申请中断,CPU从接收SBUF取走数据。该位状态也可软件查询。RI必须由软件清“0”。,3、节电控制寄存器PCONPCON，位地址87H。,SMOD=1，波特率加倍，SMOD=0，则不加倍。GF0GF1:通用标志位PD:掉电方式位:片内振荡停止,各种工作停止,内部RAM及特殊功能寄存器内容保持,只有硬件复位可结束掉电方式.IDL:冻结方式位:CPU时钟被封锁,状态完整保持,ALEPSEN无效,中断定时器串口工作,响应中断或硬件复位可结束冻结方式.PD,IDL同时为1时,取PD=1有效,SM0，SM1选择四种工作方式。一、方式0：同步移位寄存器方式。用于扩展并行I/O接口。1.一帧8位，无起始位和停止位。2.RXD：数据输入/输出端。TXD：同步脉冲输出端，每个脉冲对应一个数据位。3.波特率BR=fosc/12如：fosc=12MHz，BR=1MHz，每位数据占1s。,9.2.2串行接口的工作方式,用于扩展单片机的并行I/O接口。串行口实现：并行串行的数据转换74LS165/74LS164实现：串行并行的数据转换。SCON中的TB8、RB8位没有用到，发送或接收完8位数据由硬件置“1”TI或RI，CPU响应中断。TI或RI须由用户软件清“0”，可用如下指令：CLRTI；TI位清“0”CLRRI；RI位清“0”方式0时，SM2位必须为0。,4.发送过程：写入SBUF，启动发送，一帧发送结束，TI=1。接收过程：REN=1且RI=0，启动接收，一帧接收完毕，RI=1。,方式0功能示意图（不要求）,数据从RXD（P3.0）引脚串行输出，低位在先，高位在后；TXD（P3.1）引脚输出移位脉冲，其频率为fosc/12；发送完毕后，中断标志位TI为1。如要发送数据，如下所示：MOVSCON,#00H；串行口方式0MOVSBUF,A；将数据送出JNBTI,$；等待数据发送完毕,移位寄存器方式举例,二、方式1,8位数据异步通讯方式。1.一帧10位：8位数据位，1个起始位(0)，1个停止位(1)。2.RXD：接收数据端。TXD：发送数据端。3.波特率：方式1的波特率由定时器(T1)的溢出率和SMOD的状态决定。用T1作为波特率发生器，BR=(2SMOD/32)T1溢出率。,4.发送：写入SBUF，同时启动发送，一帧发送结束，TI=1。接收：REN=1，允许接收。接收完一帧，若RI=0且停止位为1(或SM2=0)，将接收数据装入SBUF，停止位装入RB8（即RB8为1），并使RI=1；否则（若RB8为0，帧格式出错）丢弃接收数据，不置位RI。,1方式1发送(看书P210,图9.2.2）方式1输出时，数据由TXD输出，一帧信息为10位，1位起始位0，8位数据位（先低位）和1位停止位1。当执行一条数据写发送缓冲器SBUF的指令，就启动发送。图中TX时钟的频率就是发送的波特率。发送开始时，内部发送控制信号变为有效。将起始位向TXD输出，此后，每经过一个TX时钟周期，便产生一个移位脉冲，并由TXD输出一个数据位。8位数据位全部发送完毕后，置“1”TI。如要再发送下一字节数据，必须用软件先将TI清零。,2方式1接收(看书P210,图9.2.2）数据从RXD（P3.0）脚输入。当检测到起始位的负跳变时，开始接收数据。定时控制信号有两种1）接收移位时钟（RX时钟，频率和波特率相同）2）REN=1,位检测器采样脉冲：接收器以所选择波特率的16倍速率采样RXD引脚电平，接收的值是3次连续采样（第7、8、9个脉冲时采样）进行表决以确认是否是真正的起始位（负跳变）的开始。接收过程中，将每个数据位宽度分成16个状态，并在中间的第7、8、9状态时对RXD采样，采样数据从输入移位寄存器右边移入，起始位移至输入移位寄存器最左边时，控制电路进行最后一次移位。,当一帧数据接收完，须同时满足两个条件，接收才真正有效。RI=0，即上一帧数据接收完成时，RI=1发出的中断请求已被响应，SBUF中的数据已被取走，说明“接收SBUF”已空。SM2=0或SM2=1且收到的停止位=1（方式1时，停止位进入RB8），则收到的数据装入SBUF和RB8（RB8装入停止位），置“1”中断标志RI。若这两个条件不同时满足，收到的数据将丢失。,9位数据异步通讯方式。1.一帧为11位：9位数据位，1个起始位(0)，1个停止位(1)。第9位数据位在TB8/RB8中，常用作校验位和多机通讯标识位。2.RXD：接收数据端，TXD：发送数据端。3.波特率：方式2：BR=(2SMOD/64)fosc。方式3：BR=(2SMOD/32)T1溢出率。,三、方式2和方式3,4.发送：先装入TB8，写入SBUF并启动发送，发送结束，TI=1。接收：REN=1，允许接收。接收完一帧，若RI=0，SM2=0，将接收数据装入接收SBUF，第9位装入RB8，使RI=1；若SM2=1，RI=0，且第9位为1，将接收数据装入接收SBUF，使RI=1，否则丢弃接收数据，不置位RI。,例:P213程序,方式2发送：STDI：PUSHPSW；保护现场PUSHACCSETBSM0；设置方式2发送CLRSM1CLRTI；中断标志清0MOVA，R0；取数据MOVC，P；奇偶位送TB8MOVTB8，CMOVSBUF，A；数据写入发送缓冲器，启动发送INCR0；数据指针加1POPACCPOPPSWRETI,例:214程序,方式2接收：PIRI：PUSHPSW；保护现场PUSHACCSETBSM0；设置方式2接收CLRSM1MOVA，SBUF；读接收数据MOVC，P；检测奇偶标志位JNCLOOP1；P=0，转LOOP1JNBRB8，ERP；P=1，RB8=0，出错，转ERPAJMPLOOP2；P=1，RB8=1，接收数据正确LOOP1：JBRB8，ERP；P=0，RB8=1，出错，转ERPLOOP2：MOVR0，A；接收数据送数据区INCR0ERP：POPACCPOPPSWRETI,9.2.3计算波特率,方式0为固定波特率：BR=fosc/12方式2可选两种波特率：BR=(2SMOD/64)fosc方式1、3为可变波特率，用T1作波特率发生器。T1选模式2。BR=(2SMOD/32)T1溢出率串行口方式1、3，根据波特率，计算时间常数N。(若T1选模式1用于低波特率，需考虑T1重装时间常数时间。)P215,表9.2.2,例9.2.1,例：若8031单片机的时钟振荡频率为11.0592MHz，选用T1为方式2定时作为波特率发生器，波特率为2400b/s，求初值。这里时钟振荡频率选为11.0592MHz，就可使初值为整数，从而产生精确的波特率。,初始化程序：,INTT:MOVTMOD,#20H;选T1定时模式2MOVTH1,#0F3H;预置计数初值NMOVTL1,#0F3H;SETBTR1;启动定时器T1MOVPCON,#80H;SMOD=1MOVSCON,#50H；串行口方式1工作,在单片机的应用中，相同机种单片机的波特率很容易达到一致，只要晶振频率相同，可以采用完全一致的设置参数。异机种单片机的波特率设置较难达到一致，这时的设计原则应使两个通信设备之间的波特率误差小于2.5%。常用的串行接口波特率、晶振频率以及各参数的关系如P215表9.2.2所示。,串行口的应用,例：串行口初始化编程格式：SIO：MOVSCON，#控制状态字；写方式字且TI=RI=0MOVPCON，#80H；波特率加倍MOVTMOD，#20H；T1作波特率发生器MOVTH1，#X；选定波特率MOVTL1，#X)SETBTR1SETBEA；开串行口中断SETBES,一、串行口初始化,二、发送程序,1.查询方式：TRAM：MOVA，R0；取数据MOVSBUF，A；发送一个字符WAIT：JBCTI，NEXT；等待发送结束SJMPWAITNEXT：INCR0；准备下一次发送SJMPTRAM,2.中断方式：,ORG0023H；串行口中断入口AJMPSINTMAIN：；初始化编程TRAM：MOVA，R0；取数据MOVSBUF，A；发送第一个字符H：SJMPH；其它工作SINT：CLRTI；中断服务程序INCR0MOVA，R0；取数据MOVSBUF，A；发送下一个字符RETI,三、接收程序,REN=1、RI=0等待接收，当RI=1，从SBUF读取数据。1.查询方式：WAIT：JBCRI，NEXT；查询等待SJMPWAITNEXT：MOVA，SBUF；读取接收数据MOVR0，A；保存数据INCR0；准备下一次接收SJMPWAIT,*异步通讯程序举例（参考）1.发送程序：将片内RAM50H起始单元的16个数由串行口发送。要求发送波特率为系统时钟的32分频，并进行奇偶校验。,MAINT：MOVSCON，#80H；串行口初始化，方式2MOVPCON，#80H；SETBEASETBES；开串行口中断MOVR0，#50H；设数据指针MOVR7，#10H；数据长度LOOP：MOVA，R0；取一个字符MOVC，P；加奇偶校验MOVTB8，CMOVSBUF，A；启动一次发送HERE：SJMPHERE；CPU执行其它任务,ORG0023H；串行口中断入口AJMPTRANI,ORG0023HAJMPTRANIORG1000HTRANI：PUSHACC；保护现场PUSHPSWCLRTI；清发送结束标志DJNZR7，NEXT；是否发送完？CLRES；发送完，关闭串行口中断SJMPTENDNEXT：INCR0；未发送完，修改指针MOVA，R0；取下一个字符MOVC，P；加奇偶校验MOVTB8，CMOVSBUF，A；发送一个字符TEND：POPPSW；恢复现场POPACCRETI；中断返回,2.接收程序：串行输入16个字符，存入片内RAM的50H起始单元，串行口波特率为2400(设晶振为11.0592MHz)。,RECS：MOVSCON，#50H；串行口方式1允许接收MOVTMOD，#20H；T1方式2定时MOVTL1，#0F4H；写入T1时间常数MOVTH1，#0F4HSETBTR1；启动T1MOVR0，#50H；设数据指针MOVR7，#10H；接收数据长度WAIT:JBCRI，NEXT；等待串行口接收SJMPWAITNEXT:MOVA，SBUF；读取接收字符MOVR0，A；保存一个字符INCR0；修改指针DJNZR7，WAIT；全部字符接收完?RET,3.接收程序：串行输入16个字符，进行奇偶校验。,RECS：MOVSCON，#0D0H；串行口方式3允许接收MOVTMOD，#20H；T1方式2定时MOVTL1，#0F4H；写入T1时间常数MOVTH1，#0F4HSETBTR1；启动T1MOVR0，#50H；设数据指针MOVR7，#10H；接收数据长度WAIT:JBCRI，NEXT；等待串行口接收SJMPWAITNEXT:MOVA，SBUF；取一个接收字符JNBP，COMP；奇偶校验JNBRB8，ERR；PRB8，数据出错SJMPRIGHT；P=RB8，数据正确COMP:JBRB8，ERRRIGHT:MOVR0，A；保存一个字符INCR0；修改指针DJNZR7，WAIT；全部字符接收完?CLRF0；F0=0，接收数据全部正确AJMPGDERR：SETBF0；F0=1，接收数据出错GD：RET,四、双机通信,A机发送：SEND：MOVA，R0MOVC，PMOVTB8，CMOVSBUF，AWAIT：JBCTI，NEXTSJMPWAITNEXT：INCR0DJNZR7，SENDRET,B机接收：WAIT:JBCRI，NEXT；等待串行口接收SJMPWAITNEXT:MOVA，SBUF；读取接收字符JNBP，COMP；奇偶校验JNBRB8，ERR；PRB8，出错SJMPSAVE；P=RB8=1，正确COMP:JBRB8，ERRSAVE:MOVR0，A；保存一个字符INCR0；修改指针DJNZR7，WAIT；全部字符接收完?CLRF0；接收数据全部正确AJMPGDERR：SETBF0；接收数据出错SJMPSAVEGD：RET,双机通信联络的实现,方法：A机到B机：发“AA”B机到A机：发“BB”,A方：CONTACT：MOVSBUF，#0AAHWAIT：JBCTI，NEXTSJMPWAITNEXT：ACALLDISMJBCRI，NEXT1SJMPCONTACTNEXT1：MOVA，SBUFCJNEA，#0BBH，CONTACT；联络成功,B方：CONTACT：JBCRI，NEXTSJMPCONTACTNEXT：MOVA，SBUFCJNEA，#0AAH，CONTACTMOVSBUF，#0BBHNEXT1：JNBTI，NEXT1CLRTI；联络成功,帧格式统一波特率统一波特率存在误差（单片机与PC机通信）,双机通信注意的问题：,思考：1.4种工作方式的特点是什么？分别应用于什么场合？2.如何启动发送和接收过程？3.首先移出或发送的是D0，还是D7？(9AH10011010B)4.在接收数据过程中采用了什么措施提供可靠性？5.TI标志和RI标志何时会自动置1？6.哪些情况下传送的数据会丢失?,要求,掌握：MSC51单片机串行接口4种工作方式的特点和应用场合RS232C标准的基本内容和特点串行通讯的基本特点，帧格式、波特率的概念及其计算方法（要求熟练）奇偶校验的基本概念、基本原理和实施过程双机通讯的程序设计方法（查询方式）双机通讯的硬件连线方法（单片机单片机，单片机PC机）,定义第九位数据为地址帧与数据帧的识别位，1为地址帧，0为数据帧。当SM2=1时：若是地址帧，则接收有效，若是数据帧，则丢弃。当SM2=0时：无论地址帧、数据帧，接收都有效。,9.2.4多机通信控制（不考）,一、多机通信原理,(1)使所有从机的SM2位为1，处于只接收地址帧的状态。(2)主机发送一帧地址信息，其中包含8位地址，并以第9位为1表示发送的是地址。(3)从机接收到地址帧后，各自将接收到的地址与其本身的地址相比较。(4)被寻址的从机清除其SM2值，未被寻址的其它从机仍维持SM21不变。(5)第9位为0表示主机发送数据或控制信息。对于已被寻址的从机，由于SM20，可以接收主机发送来的信息；而对于其他从机，因SM2维持为1，不理睬主机发来的数据帧。(6)当主机与另外从机联系时，可再发出地址帧寻址其从机，并且先已被寻址的从机这次未被寻址时，恢复其SM21，并且不理睬主机随后发来的数据帧。,二、通信协议的约定,要保证通信的可靠性，必须有严格的通信协议。(1)系统中从机容量最多为255台，其地址分别为00HFEH。(2)地址FFH是对所有从机都起作用的一条控制命令，命令各从机恢复SM2=1的状态。(3)数据块长度：16个字节。(4)主机和从机的联络过程为：主机首先发送地址帧，被寻址从机返回本机地址给主机，在判断地址相符合后，主机给被寻址的从机发送控制命令，被寻址从机根据其命令向主机回送自己的状态。若主机判断状态正常，则主机开始发送或接收数据，发送或接收的第一个字节是数据块长度。(5)假定主机发送的控制命令代码为00：要求从机接收数据块；01：要求从机发送数据块；其他：非法命令(6)从机状态字格式为：,D7D6D5D4D3D2D1D0,其中：若ERR1，则从机接收到非法命令；若TRDY1，则从机发送准备就绪；若RRDY1，则从机接收准备就绪。,三、多机通信编程,例218,
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