LGD8-1(4)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,*,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,第八章,80C51,单片机串行通信,本书前几章涉及的数据传送都是采用,并行,方式。,80C51,处理,8,位数据，若以并行传送方式一次传送一个字节的数据，至少需要,8,条数据线。,计算机之间、计算机与其终端之间的距离有时非常远，此时，电缆线过多是不经济的,1,8.1,串行通信基本知识,8,.1.1,数据通信,8,.1.2,串行通信的传输方式,8,.1.3,异步通信和同步通信,8,.1.4,串行通信的过程及通信协议,2,8.1.1,数据通信,在实际工作中，计算机的,CPU,与外部设备之间常常要进行信息交换，一台计算机与其他计算机之间也往往要交换信息，所有这些信息交换均可称为,通信,。,通信方式有两种，即,并行通信和串行通信,。,通常根据信息传送的,距离,决定采用哪种通信方式。,3,图,8-1,数据通信方式,返回,80C51,80C51,4,8.1.1,数据通信,并行通信是指数据的各位同时进行传送（发送或接收）的通信方式。,其优点是传送速度快；缺点是数据有多少位，就需要多少根传送线。,图,8-1,（,a,）,所示为,80C51,与外设间,8,位数据并行通信的连接方法。并行通信在位数多、传送距离又远时就不太合适了。,5,8.1.1,数据通信,串行通信指数据是一位一位按顺序传送的通信方式。,它的突出优点是只需一对传输线（利用电话线就可作为传输线），这样就大大降低了传送成本，特别适用于远距离通信；,其缺点是传送速度较低。假设并行传送,N,位数据所需时间位,T,，那么串行传送的时间至少为,NT,实际上总是大于,NT,的。,图,8-1,（,b,）,所示为串行通信方式的连接方法。,6,8.1.2,串行通信的传输方式,串行通信的,传送方向,通常有三种：,单向,(,或,单工,),配置，只允许数据向一个方向传送；,半双向（或,半双工,）配置，允许数据向两个方向中的任一方向传送，但每次只能有一个站点发送；全双向（,全双工,）配置，允许同时双向传送数据，因此，全双工配置是一对单向配置，它要求两端的通信设备都具有完整和独立的发送和接受能力。,图,8-2,所示为串行通信中的数据传送方式。,7,图,8-2,串行通信中的数据传送方式,8,8.1.3,异步通信和同步通信,串行通信有两种基本,通信方式,，即,异步通信和同步通信。,1.,异步通信,在异步通信中，数据是一帧一帧（包括一个字符代码或一字节数据）传送的，每一帧的数据格式如,图,8-3,所示,9,图,8-3,异步通信数据格式,10,2.,同步通信,同步通信中，在数据开始传送前用,同步字符,来指示（常约定,1,个,-2,个），并由,时钟,来实现发送端和接收端同步，即检测到规定的同步字符后，下面就连续按顺序传送数据，直到通信告一段落。,同步传送时，字符与字符之间没有间隙，也不用起始位和停止位，仅在数据块开始时用同步字符,SYNC,来指示，其数据格式如,图,8-4,所示。,11,图,8-4,同步通信数据格式,12,3.,波特率（,Baud rate,）,波特率,，即数据传送速率，表示每秒钟传送二进制代码的位数，它的单位是,b/s,。,波特率对于,CPU,与外界的通信是很重要的。,假设数据传送速率是,120,字符,/s,，而每个字符格式包含,1,个代码位（,1,个起始位、,1,个终止位、,8,个数据位）。这时，传送的波特率为：,10b,字符,120,字符,s,1200b,s,13,3.,波特率（,Baud rate,）,每一位代码的传送时间,Td,为波特率的倒数。,Td,1b,(1200bs-1),0.833ms,异步通信的传送速率在,50b/s-19200b/s,之间，常用于计算机到终端机和打印机之间的通信、直通电报以及无线电通信的数据发送等。,14,8.1.4,串行通信的过程及通信协议,1.,串,并转换与设备同步,两个通信设备在串行线路上成功地实现通信必须解决两个问题：,一,是,串,并,转换，即如何把要发送的并行数据串行化，把接收的串行数据并行化；,二,是,设备同步,，即同步发送设备与接收设备的工作节拍，以确保发送数据在接收端被正确读出。,15,1.,串,并转换与设备同步,（,1,）串,并转换,串行通信是将计算机内部的并行数据转换成串行数据，将其通过一根通信线传送；并将接收的串行数据再转换成并行数据送到计算机中。,16,图,8-5,17,图,8-6,18,（,2,）设备同步,进行串行通信的两台设备必须同步工作才能有效地检测通信线路上的信号变化，从而采样传送数据脉冲。,设备同步对通信双方有,两个共同要求,：,一是通信双方必须采用统一的编码方法；,二是通信双方必须能产生相同的传送速率。,19,（,2,）设备同步,采用,统一的编码方法,确定了一个字符二进制表示值的位发送顺序和位串长度，当然还包括统一的逻辑电平规定，即电平信号高低与逻辑,1,和逻辑,0,的固定对应关系。,通信双方只有产生,相同的传送速率,，才能确保设备同步，这就要求发送设备和接收设备采用相同频率的时钟。发送设备在统一的时钟脉冲上发出数据，接收设备才能正确检测出与时钟脉冲同步的数据信息。,20,2.,串行通信协议,通信协议是对数据传送方式的规定，包括数据格式定义和数据位定义等。,通信双方必须遵守统一的通信协议。串行通信协议包括同步协议和异步协议两种。,21,2.,串行通信协议,（,1,）起始位,通信线上没有数据被传送时处于逻辑,1,状态。,当发送设备要发送一个字符数据时，首先发出一个逻辑,0,信号，这个逻辑低电平就是起始位。,起始位通过通信线传向接收设备，接收设备检测到这个逻辑低电平后，就开始准备接收数据位信号。,起始位所起的作用就是设备同步，通信双方必须在传送数据位前协调同步。,22,2.,串行通信协议,（,2,）数据位,当接收设备收到起始位后，紧接着就会收到数据位。数据位的个数可以是,5,、,6,、,7,或,8,。,IBM-PC,中经常采用,7,位或,8,位数据传送，,89C51,串行口采用,8,位或,9,位数据传送。这些数据位被接收到移位寄存器中，构成传送数据字符。在字符数据传送过程中，数据位,从最低有效位开始发送,，依次顺序在接收设备中被转换为并行数据。,23,2.,串行通信协议,（,3,）奇偶校验位,数据位发送完之后，可以发送奇偶校验位。奇偶校验用于有限差错检测，通信双方需约定已知的奇偶校验方式。如果选择偶校验，那么组成数据位和奇偶位的逻辑,1,的个数必须是偶数；如果选择奇校验，那么逻辑,1,的个数必须是奇数。,24,2.,串行通信协议,（,4,）停止位约定,在奇偶位或数据位（当无奇偶校验时）之后发送的是停止位。停止位是一个字符数据的结束标志，可以是,1,位，,1.5,位或,2,位的高电平。接收设备收到停止位之后，通信线路上便又恢复逻辑,1,状态，直至下一个字符数据的起始位到来。,25,2.,串行通信协议,（,5,）波特率设置,通信线上传送的所有位信号都保持一致的信号持续时间，每一位的信号持续时间都由数据传送速度确定，而传送速度是,以每秒多少个二进制位,来衡量的，这个速度,叫波特率,。如果数据以,300,个二进制位每秒在通信线上传送，那么传送速度为,300,波特，通常记为,300b/s,。,26,8,.2 80C51,串行口,1.,结 构,2.,串行口控制字及控制寄存器,27,图,8-7,串行口内部结构示意简图,28,2.,串行口控制字及控制寄存器,80C51,串行口是可编程接口，对它初始化编程只用两个控制字分别写入特殊功能寄存器,SCON,（,98H,）和电源控制寄存器,PCON,（,87H,）中即可。,（,1,）,SCON,（,98H,）,80C51,串行通信的方式选择、接收和发送控制以及串行口的状态标志等均由特殊功能寄存器,SCON,控制和指示，其控制字格式如,图,8-8,所示。,29,图,8-8,串行口控制寄存器,SCON,30,2,、串行口控制字及控制寄存器,SM0,和,SM1,（,SCON.7,，,SCON.6,）,串行口工作方式选择位。两个选择位对应,4,种通信方式，如表,7-1,所示。其中，,fosc,是振荡频率。,8,31,2,、串行口控制字及控制寄存器,REN,（,SCON.4,）,允许接收控制位。由软件置,1,或清,0,，只有当,REN,1,时才允许接收，相当于串行接收的开关；若,REN,0,，则禁止接收。,在串行通信接收控制过程中，如果满足,RI,0,和,REN,1,允许接收）的条件，就允许接收，一帧数据就装载入接收,SBUF,中。,32,2,、串行口控制字及控制寄存器,TB8,（,SCON.3,）,发送数据的第,9,位（,D8,）装入,TB8,中。在方式,2,或方式,3,中，根据发送数据的需要由软件置位或复位。在许多通信协议中可用作奇偶校验位，也可在多机通信中作为发送地址帧或数据帧的标志位。在方式,0,或方式,1,中，该位未用。,33,2,、串行口控制字及控制寄存器,RB8,（,SCON.2,）,接收数据的第,9,位。在方式,2,或方式,3,中，接收到的第,9,位数据放在,RB8,位。它或是约定的奇,/,偶校验位，或是约定的地址,/,数据标识位。在方式2,和方式,3,多机通信中，若,SM2,1,，如果,RB8,1,，说明收到的数据为地址帧。,在方式,1,中，若,SM2,0,（即不是多机通信情况），,RB8,中存放的是已接收到的停止位。在方式,0,中，该位未用。,34,2,、串行口控制字及控制寄存器,TI,（,SCON.1,）,发送中断标志。在一帧数据发送完时被置位。在方式,0,串行发送第,8,位结束或其他方式串行发送到停止位的开始时由硬件置位，可用软件查询。它同时也申请中断，,TI,置位意味着向,CPU,提供“发送缓冲器,SBUF,已空”的信息，,CPU,可以准备发送下一帧数据。串行口发送中断被响应后，,TI,不会自动清,0,，必须由,软件清,0,。,35,2,、串行口控制字及控制寄存器,RI,（,SCON.0,）,接收中断标志。在节收到一帧有效数据后由硬件置位。,RI,1,，申请中断，表示一帧数据接收结束，并已装入接收,SBUF,中，要求,CPU,取走数据。,CPU,响应中断，取走数据。,RI,也必须由,软件清,0,，,清除中断申请，并准备接收下一帧数据。,串行发送中断标志,TI,和接收中断标志,RI,是同一个中断源，,CPU,事先不知道是发送中断,TI,还是接收中断,RI,产生的中断请求，所以，在全双工通信时，必须由软件来判别。,复位时，,SCON,所有位均清,0,。,36,2,、串行口控制字及控制寄存器,（,2,）,PCON,（,87H,）,电源控制寄存器,PCON,中只有,SMOD,位与串行口工作有关，如图,8-9,所示。,图,8-9,电源控制寄存器,PCON,37,2,、串行口控制字及控制寄存器,SMOD,（,PCON.7,）,波特率倍增位。,在串行口方式,1,、方式,2,和方式,3,时，波特率和,SMOD,成正比，亦即当,SMOD,1,时，波特率提高一倍。,复位时，,SMOD,0,。,38,8.3 80C51,串行口工作方式,根据实际需要，,80C51,串行口可设置,4,种工作方式，可有,8,位、,10,位或,11,位帧格式。,方式,0,以,8,位数据为一帧，不设起始位和停止位，先发送或接收最低位。其帧格式如下：,39,方式,1,以,10,位为一帧传输，设有,1,个起始位（,0,），,8,个数据位和,1,个停止位（,1,）。其帧格式为：,40,方式,2,和方式,3,以,11,位为,1,帧传输，设有,1,个起始位（,0,），,8,个数据位，,1,个附加第,9,位和,1,个停止位（,1,）。其帧格式为,：,附加第,9,位（,D8,）由软件置,1,或清,0,。发送时在,TB8,中，接收时送,RB8,中。,41,（,1,）串行口方式,0,方式,0,为同步移位寄存器输入,/,输出方式，常用于扩展,I/O,口。,串行数据通过,RXD,输入或输出，而,TXD,用于输出移位时钟，作为外接部件的同步信号。,图8-10,（,a,）,为发送电路，,图,8-11,（,a,）,为接收电路。,这种方式不适用于两个,80C51,之间的直接数据通信，但可以通过外接移位寄存器来实现单片机的接口扩展。,42,43,44,例如，,74LS164,可用于扩展并行输出口，,74LS165,可用于扩展输入口。,在这种方式下，收,/,发的数据为,8,位，低位在前，无起始位、奇偶校验位及停止位，波特率是固定的。,45,（,2,）串行口方式,1,方式,1,真正用于串行发送或接收，为,10,位通用异步接口。,TXD,与,RXD,分别用于发送与接收数据。,收发一帧数据的格式为,1,位起始位、,8,位数据位（,低位在前,）、,1,位停止位，,共,10,位,。,在接收时，停止位进入,SCON,的,RB8,，此方式的传送,波特率可调,。,串行口方式,1,的发送和接收时序如,图,8-12,（,a,）和（,b,）,所示,46,图,8-12,方式,1,发送和接收时序,47,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,中数据已被取走。由软件使,RI=0,，以便提供“接收,SBUF,已空”的信息。,SM2=0,或收到的停止位为,1,（方式,1,时，停止位进入,RB8,），则将接收到的数据装入串行口的,SBUF,和,RB8,（,RB8,装入停止位），并置位,RI,；如果不满足，接收到的数据不能装入SBUF,，这意味着该帧信息将会丢失。,值得注意的是，在整个接收过程中，保证,REN=1,是一个先决条件。只有当,REN=1,时，才能对,RXD,进行检测。,48,（,3,）串行口方式,2,和方式,3,串行口工作在方式,2,和方式,3,均为每帧,11,位异步通信格式，由,TXD,和,RXD,发送与接收（两种方式操作是完全一样的，所,不同的只是波特率,）。,每帧,11,位,，即,1,位起始位，,8,位数据位（低位在前），,1,位可编程的第,9,数据位和,1,位停止位。发送时，第,9,数据位（,TB8,）可以设置为,1,或,0,，也可将奇偶位装入,TB8,，从而进行奇偶校验；接收时，第,9,数据位进入,SCON,的,RB8,。,49,图,8-13,方式,2,、方式,3,发送和接收时序,方式,2,和方式,3,的发送、接收时序如,图,8-13,所示。,50,发送前，先根据通信协议由软件设置,TB8,（如作奇偶校验位或地址,/,数据标志位），然后将要发送的数据写入,SBUF,，即可启动发送过程。串行口能自动把,TB8,取出，并装入到第,9,位数据位的位置，再逐一发送出去。发送完毕，使,TI=1,。,51,接收时，使,SCON,中的,REN=1,，允许接收。当检测到,RXD(P3.0),端有,10,的跳变（起始位）时，开始接收,9,位数据，送入移位寄存器（,9,位）。当满足,RI=0,且,SM2=0,，或接收到的第,9,位数据为,1,时，前,8,位数据送入,SBUF,，附加的,第,9,位数据送入,SCON,中的,RB8,，置,RI,为,1,；否则，这次接收无效，也不置位,RI,。,52,8.4,串行通信数据传输速率,在串行通信中，收发双方对发送或接收的数据速率有一定的约定，通过软件对,80C51,串行口编程可约定四种工作方式。其中，方式,0,和方式,2,的波特率是固定的；,而方式,1,和方式,3,的波特率是可变的，由定时器,T1,的溢出率来决定。,串行口的四种工作方式对应着三种波特率。由于输入的移位时钟来源不同，因此，各种方式的波特率计算公式也不同。,53,（,1,）方式,0,的波特率,由,图,8-14,可见，方式,0,时，发送或接收一位数据的移位时钟脉冲由,S6,（即第,6,个状态周期，第,12,个节拍）给出，即每个机器周期产生一个移位时钟，发送或接收一位数据。因此，波特率固定为振荡频率的,1/12,，并不受,PCON,寄存器中,SMOD,位的影响。,图,8-14,串行口方式,0,波特率的产生,54,方式,0,波特率,fosc,/12,注意，符号“,”,表示左面的表达式只是引用右面表达式的数值，即右面的表达式是提供了一种计算的方法。,55,（,2,）方式,2,的波特率,其时钟输入部分入,图,8-15,所示。,控制接收与发送的移位时钟由振荡频率,fosc,的第二节拍,P2,时钟（即,fosc/2,）给出，所以，方式,2,波特率取决于,PCON,中,SMOD,位的值：,SMOD=0,时，波特率为,fosc,的,1/64,；,SMOD=1,时，波特率为,fosc,的,1/32,。,即方式,2,波特率,2,SMOD,/64fosc,图,8-15,串行口方式,2,波特率的产生,56,（,3,）方式,1,和方式,3,的波特率,80C51,串行口方式,1,和方式,3,的波特率由定时器,T1,的溢出率与,SMOD,值同时决定。即,方式,1,、方式,3,波特率,T1,溢出率,/n,图,8-16,串行口方式,1,、方式,3,波特率的产生,返回,57,当,SMOD=0,时，,n=32,；,SMOD=1,时，,n=16,。所以，可用下式确定方式,1,和方式,3,的波特率：,方式,1,、方式,3,波特率,2,SMOD,/32(T1,溢出速率,),其中，,T1,溢出速率取决于,T1,的计数速率（计数速率,fosc/12,）和,T1,预置的处置。,若定时器,T1,采用模式,1,时，波特率公式如下：,串行方式,1,、方式,3,波特率,2,SMOD,/32(fosc/12)/(216-,初值,),返回,58,定时器,T1,用作波特率发生器时，通常选用,定时器模式,2,（自动重装初值定时器）比较实用。要设置定时器,T1,为定时方式（使,C/T=0,），让,T1,计数内部振荡脉冲即计数速率为,fosc/12,（注意应禁止,T1,中断，以免溢出而产生不必要的中断）。先设定,TH1,和,TL1,定时即输初值为,X,，那么每过“,28-X”,个机器周期，定时器,T1,就会产生一次溢出。,返回,59,因此，,T1,溢出速率为,T1,溢出速率,(fosc/12)/(28-X),于是，可得出定时器,T1,模式,2,的初始值,X,：,60,例,8-1,：,80C51,单片机时钟振荡频率为,11.0592MHz,，选用定时器,T1,工作模式,2,作为波特率发生器，波特率为,2400b/s,，求初值。,解：设置波特率控制为,(SMOD)=0,所以，,(TH1)=(TL1)=F4H,。61,系统晶体振荡频率选为,11.0592MHz,就是为了使初值为整数，从而产生精确的波特率。,如果串行通信选用很低的波特率，可将定时器,T1,置于模式,0,或模式,1,，即,13,位或,16,位定时方式；但在这种情况下，,T1,溢出时，需要中断服务程序重装初值。中断响应时间和执行指令时间会使波特率产生一定的误差，可用改变初值的办法加以调整。,62,小结,概念：串行通信和并行通信、异步通信和同步通信,串行通信线路形式：单工、半双工、全双工,工作方式,功能,说明,波特率,方式,0,8,位同步移位寄存器,常用于扩展,I/O,口,fosc/12,方式,1,10位UART,8,位数据、起始位、结束位,可变（取决于定时器,1,溢出率）,方式,2,11位UART,8,位数据、起始位,0,、结束位,1,和奇偶校验位,fosc/64,或,fosc/32,方式,3,11位UART,8,位数据、起始位、结束位,可变（取决于定时器,1,溢出率）,63,1.,若异步通信接口按方式,3,传送，已知其每分钟传送,3600,个字符，其波特率是多少？,2.,设,fosc,11.059MHz,，试编写一段程序，其功能为对串行口初始化，使之工作于,方式,1,，波特率为,1200b/s,；并用查询串行口状态的方法，读出接收缓冲器的数据并回送到发送缓冲器。,64,