2022年单片机串行通信.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,电子工业出版社所有,*,单片机技术基础教程与实践,第6章 51单片机串行通信,6.1 异步串行通信,6.1.1 异步串行通信介绍,串行通信就是同一时刻只传送一位信息，当一位发送之后，经过一段时间延迟，再发送下一位的通信。图示为两台单片机串行通信示意图，其中UART是通用异步通信收发器，TX表示发射端，RX表示接收端。,1.异步通信数据格式,异步是指通信中的发送方与接收方不使用同一个时钟源，收发双方各使用自己的时钟源来控制发送的速率和接收数据的时刻，为了保证时钟不一致导致的数据接收错误，在通信过程中必须约定两点：,（1）约定通信双方的通信速率和字符总长度。,（2）发送方应该发送接收方需要的起始位，以使接收方进行接收定位与再同步。,在异步通信中，需要有双方认可的通信格式，一般由4部分组成：起始位、n位数据、奇偶校验位和停止位，这样一组信息称为一帧。,起始位：起始位通常是逻辑0，占用一位时间，表示一个新字符通信的开始。在不通信时，线路呈现逻辑1，接收方不断检测逻辑0，若是在多个逻辑1后，出现一位0，则表示一个新字符发过来，就准备接收数据，使接收方的时钟与起始位同步，顺利接收随后的数据。,n位数据：起始位后紧跟的就是数据，数据位数可以是5、6、7、8、9位，通常采用8位、9位为多，通常是低位在前，就是紧跟起始位的是最低位（LSB）。,奇偶校验位：占一位，并不是必须的，常改作他用，传递一些特定信息。,停止位：表示完成了一个字符的传输，用逻辑1表示。可以是1位或是2位，但通常采用1位。,波特率（Band rate）：波特率是单位时间内在串行通信中传送的比特数，定义为：,波特率=1/位时间,带宽的概念：带宽=（每帧包含的信息位数/每帧包含的位数）*波特率,下图中上侧为8位数据位格式，下侧为9位数据位格式，数据位中的最后一位与奇偶校验位共用。,2.异步通信传送方式,（1）单工传送,单工通信示意图如图所示。一方只发送，另一方只接收。只需要一条通信通道。,（2）半双工传送,半双工通信允许信息在两个方向上传输，但需要分时发送与接收，就是在某时刻，只能单工通信。只需要一条通信通道。,图中RTS信号是发送控制信号，74125是三态缓冲器，通常情况下，RTS为高电平，通信双方都处于高阻状态；若是某一方需要发送，则使RTS为低电平，使74125输出通信数据。,（3）全双工通信,在某时刻，通信中的每一方既可以发送也可以接收，就是在发送的同时，也可以接收。这需要发送与接收两条通信通道。例如RS232C通信。,4.组网方式,（1）点对点通信,点对点通信方式是一对一的双机通信方式：,1）参加通信的节点只有两个，一个节点为主控器，另一个为被控器。,2）通信线路为两个节点专用。,3）不存在寻址问题。,4）没有争夺线路控制权问题。,（2）一点对多点的通信,一点对多点的通信，是一点主控器（主机），其他点为被控器（从机）。,1）参与通信的节点多于两个。,2）通信线路为多点拥有，但不是同时使用。,3）一个节点为主控器，其他节点为被控器。,4）主控器需要首先通过广播发送被控器地址，才能与被控器通信。,5）被控器需具有地址检测功能。,6）主控器控制通信线路，享有通信线路的使用权。,7）一般只能主控器与一个被控器之间通信，而被控器之间不能通信。,（3）多主机通信,多主机通信中具有多个主控器（主机），其特点如下。,1）参与通信的节点有多个。,2）通信线路为多点拥有，但不是同时使用。,3）有多个节点为主控器（主机）。,4）占据通信线路的节点，就是主控器，不占有通信线路的节点则为被控器。某一时刻只能有一个主控器（主机）占用通信线路与被控器通信,5）主控器需要首先通过广播发送被控器地址，才能与被控器通信,6）被控器需具有地址检测功能。,7）具有争夺线路控制权问题，主控器需要有解决总线仲裁问题的功能。,5.串行通信模块,很多单片机具有串行通信模块（SCI），又称为通用异步收发器（UART）。串行通信模块的示意图如图所示。,（1）波特率发生器,波特率发生器通过对系统时钟进行分数分频，输出串行通信需要的波特率。由于系统时钟与波特率之间不是整数分频关系，因此很难分频出没有误差的波特率，通常低时钟频率误差大，高时钟频率误差小。,如果单片机时钟fosc=4MHz，设分频器分频比为16，则fclk=fosc/16=250000,如果波特率为9600，则波特率预置数X为,实际误差为 （9615.389600）/9600=0.16%,（2）异步模式传送,异步模式传送模块如下所示。,1）模块有发送数据引脚TXD。,2）10位或11位的移位寄存器。,3）发送缓冲寄存器TXBUF。,4）模式控制位M=0时，发送8位数据，M=1时发送9位数据。,5）在9位数据模式（模式位M=1）时，有写发送缓冲器TXBUF的T8位功能。,当8位新数据装载到发送缓冲寄存器TXBUF中，就会被拷贝到移位寄存器中，接着加入开始位、停止位和T8（M=1），然后帧以波特率发生器发生的波特率移出一位。（注意，只有移位寄存器为空时，才能向发送缓冲寄存器中写入数据。,图中向下的箭头表示移位寄存器的移位时间，模式位M=0时发送8位数据，M=1时发送9位数据。,控制发送硬件的实际时钟TXCLK是波特率的16倍，则每隔16个脉冲，使移位寄存器移位一次，如图所示。发送过程（硬件自动完成）如下：,1）使引脚TXD=0，/发送启动位,2）等待16个脉冲,3）使位计数器n=0 /设置位计数器,4）使引脚TXD=Bn /发送数据位（最低位）,5）等待16个脉冲。,6）使位计数器n=n+1。,7）如果位计数器n7，转移到第4步，发送下一位。,8）若M=1，则发送9位数据，使引脚TXD=T8。,9）等待16个脉冲。,10）使引脚TXD=1 发送停止位。,11）等待16个脉冲。,（2）异步模式接收,异步模式接收示意图如图所示。,1）模块有接收数据的引脚RXD。,2）10位或11位的移位寄存器。,3）只读的接收缓冲寄存器RXBUF。,4）在9位数据模式时（M=1），一帧接收完毕后，读R8数据位功能。,在线路空闲情况下，接收器等待起始位（由1跳变为0的信号沿），接着每次从RXD引脚移入一位到10位或是11位数据，然后去掉开始位和停止位，将8位数据装入接收寄存器RXBUF，将第9位数据放入R8（若M=1）后设置读数据标志。如果移位寄存器完成移位后，接收缓冲寄存器RXBUF已经有数据，则移位寄存器将等到接收缓冲寄存器内容被取走时，才将数据传送到接收缓冲寄存器。如果移位寄存器中有一帧数据，接收缓冲寄存器中也有一帧，若是RXD引脚再来一帧，则溢出标志将被置位。,接收帧过程中的开始位时序。,图中S指示接收器检测到起始位的时刻，R指示当接收移位寄存器移位的时刻，在R时刻，引脚RXD上的逻辑电平将被移位到移位寄存器。在时刻R之前和R之后RXD引脚上的信号必须保证有效，为此接收器在检测到起始位的1向0跳变后，延迟半个位时间，因此需要比波特率快的时钟RXCLK，在此用快于波特率16倍的时钟实现，就是用延迟8个RXCLK时钟的方法达到延迟半位的目的。,6.1.2 RS232接口,RS-232C是美国电子工业协会（EIA）确定的接口标准，RS的英文是“推荐标准”的意思，232是标识号，C为修改次数，现在RS-232C接口在PC机上是标准配置。,该接口实际上只需要3根线（TX、RX和地线）就可以进行双工通信，通常都是使用封装为DB9的9芯接口。,RS-232C规定的数据传输速率波特率为50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200、38400、43000、56000、576000、115200b/s，驱动器允许有2500pF的电容负载。,引脚号,信号名称,方向,信号功能,1,DCD,向RS-232C输入,外部送来的检测到载波信号,2,RXD,向RS-232C输入,接收数据,3,TXD,从RS-232C输出,发送数据,4,DTR,从RS-232C输出,数据准备就绪，外部设备可以传输,5,GND,6,DSR,向RS-232C输入,外部设备准备就绪信号,7,RTS,从RS-232C输出,请求外部设备发送数据信号,8,CTS,向RS-232C输入,外部设备送来的请求发送信号,9,RI,向RS-232C输入,外部设备送来的检测到电话的信号（振铃信号）,参数,技术指标,输出阻抗,300,输出短路电流,500mA,转换速率,30V/s,最大负载电容,+3V,逻辑1时输出逻辑电平（带37k负载时）,155V,逻辑1时输入逻辑电平,4;/将高4位右移4位,ns /取低4位。ns是接收到数据的高4位,P0=tableng;/将低4位送P0口，用数码管显示低4位,P1=tablens;/将高4位送P1口，用数码管显示高4位,else TI=0;/清除发送标志,右图显示的是串口助手软件与例题6-1程序通信的情况，串口助手发送55H，51单片机收到后，向串口助手转发55H，串口助手收到并显示在接收区中。,例题6-2 51单片机与PC机串口通信2。,单片机P2口接8只LED灯，P3.2P3.3引脚连接有K1和K2共2个按键，使用单片机串行口与PC机通信。,1）由PC机控制单片机的P2口，将PC机送出的数以二进制形式显示在LED灯上；,2）按下按键K1向PC机发送数字0 x55，按下K2向PC机发送数字0 xAA。,源程序如下：,#define uchar unsigned char,#include string.h,#include reg51.h,unsigned char code table=0 xC0,0 xF9,0 xA4,0 xB0,0 x99,0 x92,0 x82,0 xF8,0 x80,0 x90,0 x08,0 x03,0 x46,0 x21,0 x06,0 x0e;/十六进制-7段译码表,void mDelay(unsigned int DelayTime)/延时函数,unsigned char j=0;,for(;DelayTime0;DelayTime-)/延时循环,for(j=0;j4;/将高4位右移4位,ns /取接收数据高4位,P0=tableng;/P0口连接的数码管显示低4位,P1=tablens;/P1口连接的数码管显示高4位,6.4 SPI总线通信,6.4.1 SPI总线介绍,下图所示的SPI总线是摩托罗拉公司首先推出的一种同步串行传送规范的总线，是单片机外设芯片的串行扩展接口。该公司的HC08系列单片机和HC11系列单片机都配备了SPI专用模块，现在很多公司的单片机芯片与外设芯片都具有SPI接口。,1.SPI总线中的信号线,SPI接口可用全双工方式同时发送与接收8位数据，共使用4条线：,（1）主器件输入/从器件输出线（MISO，master in slave out）,在主器件侧为输入线，在从器件侧为输出线，就是从器件向主器件传送数据，传输中首先送高位，后送低位。,（2）主器件输出/从器件输入（MOSI，master out slave in）,在主器件侧为输出，在从器件侧为输入，先传高位，再传低位。,（3）同步时钟线（SCK，serial clock）,在主器件侧为输出线，在从器件侧为输入线，用于主从器件传送数据时的同步脉冲，就是主器件与从器件必须有相同的时序，发送数据是在SCK的一个边沿，接收数据在SCK的另外一个边沿，例如，在时钟的下降沿主器件输出有效数据，而在时钟SCK的上升沿，从器件接收数据。,（4）从机方式选择线（SS，slave select）,从器件具有输入选择线SS，当SS为低电平时，从器件接收或是发送数据。,一般情况下主器件是单片机，而从器件可以是单片机或是其他具有SPI接口的芯片。,2.SPI工作原理,SPI主要包含3部分：移位寄存器、发送缓冲器和接收缓冲器，发送缓冲器与接收缓冲器与总线相连，可以从总线接收数据和向总线接收数据。有时发送缓冲与接收缓冲是同一个缓冲器。如图6-18所示。,主机向从机发送数据的半双工通信过程：,（1）主机将欲发送的数据写入主机缓冲器SPIDAT，数据被自动写入移位寄存器，并开始发送操作（MOSI）,（2）主机启动发送过程，送出时钟信号，有效数据从主机的移位寄存器移到从机的移位寄存器，同时，从机移位寄存器中的无效内容，也被移到主机的移位寄存器中。,（3）8个时钟脉冲后，时钟停止，主机移位寄存器的内容全部移到从机移位寄存器中，随后，从机移位寄存器的内容自动移到从机缓冲器SPIDAT中，并设置从机中断标志位等待取走。当然，主机移位寄存器的内容也被自动送到主机缓冲器SPIDAT中，也设置主机中断标志位等待取走，由于是无效数据，程序不取走就可以了。,（4）从机取走从机缓冲器SPIDAT中的内容,主机读从机数据的半双工通信过程：,（1）在第一个SCK时钟沿之前，从机已经将数据写入从机发送缓冲的情况。,这种情况需要主机向从机发送SS信号，从SS的下降沿开始，从机将数据写入发送缓冲器，并在第一个SCK时钟沿，主机接收从机数据；当8位数据发送完毕后，主机将从机SS置1，发送下个字节时，主机再使从机SS=0，使SS出现下降沿。,6.4.2 51单片机实现SPI总线输出数据,51单片机工作在串口模式0，向串入并出移位寄存器74164发送数据，特点是只用P3_0（RXD）引脚和P3_1（TXD）引脚两根线，就可以输出数据。,图中的76LS164是串入并出移位寄存器，该芯片的引脚9（clr）是清零端，低电平有效，可以将8位输出都清除为0，不需要清零功能时接高电平；引脚1（A）和引脚2（B）是串行信号输入端，两者之间的关系是“与”关系；引脚8（CLK），是同步脉冲输入端；在同步脉冲的上升沿，输入端A&B端的信号被移位到芯片的低位，并随着时钟CLK的上升沿不断到来，数据从芯片的低位向高位移动，经过8个上升沿，将外部的8个数据移动到芯片中。若是再有时钟脉冲，数据将从最高位引脚13移出，因此可以多个74164串连，就是所有的74164采用同一时钟，数据从前一个74LS164的高位引脚（13）输出到下一级74LS164的输入端A&B（引脚1和2）。,单片机工作在串行模式0（同步模式），就是TXD（引脚11）输出CLK，RXD（引脚10）输出数据。CLK时钟频率（波特率）为：石英晶体频率/12，例如石英晶体频率为12MHz，则CLK时钟频率为12MHz/12=1MHz。,例题6-3 串行输出数据（查询方式）,该例采用查询方式向74LS164送两位串行数据（09数字），并显示在74LS164上连接的共阳数码管上。,该例中：,n是循环变量，同时也是向74LS164发送的数据。,k是延时循环变量。,P3_0连接到74LS164的时钟端CLK。,P3_1连接到74LS164的数据输入A和B端。,程序中table是共阳数码管的09数字的段码编码。,#include AT89X51.h,unsigned int code table=0 xC0,0 xF9,0 xA4,0 xB0,0 x99,0 x92,0 x82,0 xF8,0 x80,0 x90;/共阳数码管数据,void main(),unsigned int n,k;,SCON=0;/设置串行口，工作在方式0,EA=0;/禁止中断，采用查询方式发送，,while(1),for(n=0;n2;n+)/发送两位数据,TI=0;/清发送完毕标志位,SBUF=tablen;/发送n的七段译码,while(!TI);/等待发送完毕,for(k=0;k20000;k+);/延时后再次发送下一个数,for(k=0;k+0.2V,1,0,0,0;DelayTime-),for(j=0;j0;i-)/循环延时,for(j=248;j0;j-);,for(i=220;i0;i-)for(j=248;j0;j-);,P2_7=1;/将485芯片处于发送状态,SBUF=uart_data;/将接收的数据发送回主机,while(1),if(TI)/等待发送完毕,TI=0;break;,P2_7=0;/使485芯片处于接收状态,（3）主机采用中断方式接收，则源程序如下：,#define uchar unsigned char,#include AT89X51.H,unsigned char code table=0 xC0,0 xF9,0 xA4,0 xB0,0 x99,0 x92,0 x82,0 xF8,0 x80,0 x90,0 x08,0 x03,0 x46,0 x21,0 x06,0 x0e;,void SendData(uchar Dat)/发送函数,SBUF=Dat;,while(1),if(TI),TI=0;break;,void mDelay(unsigned int DelayTime)/延时函数,unsigned char j=0;,for(;DelayTime0;DelayTime-),for(j=0;j125;j+);,unsigned char uart_data,nn;,unsigned char ns,ng,temp;,void main()/主函数,P2=0 xff;/关闭P2口接的所有LED灯,TMOD=TMOD|0 x20;/定时器1，工作在模式2,TH1=0 xFD;,SCON=0 x50;/串口工作方式1,TR1=1;/启动定时器1,ES=1;/使能串口中断,EA=1;/使能总中断,P2_7=0;/使485芯片处于接收状态,while(1)/无限循环,if(P3_7=0)/如果按键按下,mDelay(10);/调用延时函数消除抖动,while(P3_7=0);/等待按键抬起,P2_7=1;/使485芯片处于发送状态,SendData(0 x55);/发送数据0 x55,P2_7=0;/使485返回接收状态,P2_2=0;/使连接在P2_2引脚的LED灯亮，用于调试程序和观察程序运行,if(P3_6=0)/若是连接在P3_6引脚的按键按下,mDelay(10);/调用延时函数，消除抖动,while(P3_6=0);/等待按键抬起,P2_7=1;/使485芯片处于发送状态,SendData(0 xaa);/调用发送函数，发送数据0 xaa,P2_7=0;/使485芯片返回接收状态,P2_2=1;/使连接在P2_2引脚的LED灯亮，用于调试程序和观察程序运行,P0=tableuart_data%16;/显示接收数据的低4位,P1=tableuart_data/16;/显示接收数据的高4位,void serial_IT(void)interrupt 4 /串口中断服务函数,if(RI=1)/如果接收中断标志为1,RI=0;/清除接收中断标志,uart_data=SBUF;/接收数据,若是将上述的主机程序同时下载到主从机中，则互为主从机，但是没有接收到数据后自动返回数据功能。,本章参考文献：12，17，18，21,第6章 习题,1.设计一个51单片机向PC机串口助手软件发送0 x88的程序。,2.设计一个51单片机接收PC机串口助手发送0 x99的程序。,3.设计2个51单片机采用串口互相发送接收1个字节的程序。,4.试设计一个51单片机的P3.4P3.7引脚输入开关量数据，并将开关量数据发送到PC机串口助手的程序。,5.设计51单片机采用串口向PC机串口助手软件发送4个端口（P0P3）数据的程序，要求程序使P0、P1、P2口分别输出数字7、8、9。,6.安装1个74HC164芯片驱动共阳数码管的实验电路，编制51单片机向74HC164发送09数字的程序。,7.安装RS485接口电路，设计一个51单片机的P3.4P3.7引脚输入开关量数据，并采用RS485接口发送到另外一个单片机的程序。,8.安装RS485接口电路，设计主51单片机与两从51单片机采用RS485接口通信的程序，要求从单片机采集P3.4P3.7引脚输入开关量数据，并发送到主单片机，主机在P2口连接的LED灯显示从机采集的开关量数据。,