第8章串行口.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,*,本章介绍的主要内容,串行通信的基本概念,串行通信接口,结构和工作原理,串行通信,的控制,寄存器,串行通信,的应用编程,8,1,概 述,单片机应用与数据采集或工业控制时，往往作为前端机安装在工业现场，远离主机，现场数据采用串行通信方式发往主机进行处理，以降低通信成本，提高通信可靠性。如下图所示,。,数据通信方式有两种：并行通信与串行通信,并行通信：所传送数据的各位同时发送或接收，,数据有多少位就需要多少根数据线。,特点：速度快，成本高，适合近距离传输,如计算机并口，打印机，,8255,。,串行通信：所传送数据的各位按顺序一位一位,地发送或接收。,只需一根数据，一根地线，共,2,根,（如双向通信发送和接收各需,1,根数据线。）,特点：成本低，硬件方便，适合远距离通信，,传输速度低。,串行通信的分类：同步串行通信和异步串行通信,一、异步通信：,通信的双方应该有一个约定，什么时候开始发送，什么时候发送完毕；接收方收到的信息是否正确等，这就是,通信协议,。,异步串行通信一帧数据格式：,一个起始位“,0”,表示字符的开始，然后是,5,8,位数据即该字符的代码，规定低位在前，高位在后，接 下来是奇偶校验位,(,可省略,),，最后以停止位“,1”,表示字符的结束。,优点：硬件结构简单。,缺点：传输速度慢。,P,1,D0,D1,D2,D3,D4,D5,D6,D7,P,1,0,第,n,个字符（一帧）,n-1,n+1,0,D0,起始位,数据位（,5,8,位）,校验位,停止位,二、同步通信,在同步通信中，发送方在数据或字符开始处就用同步字符,(,常约定,1,2,个字节,),指示一帧的开始，由时钟来实现发送端和接收端同步，接收方一旦检测到与规定的同步字符符合，下面 就连续按顺序传送若干个数据，最后发校验字节。见下图：,SYN,字符,1,SYN,字符,2,数据,1,数据,2,.,数据,n,连续传送,n,个数据,校验,三、单工、半双工、全双工通信方式,按通信方向分类：单工、半双工、全双工通信方式,1,单工方式,:一端是发送端，另外一端是接收端：,2.,半双工方式,每端口有一个发送器和一个接收器，通过开关连接在线路上，数据可以双向传送，但不能同时发送和接收,.,要通过换向器转换方向。,3.,全双工方式,通信双方用两个独立的收发器单独连接,可以同时发送和接收数据,因而提高了速度。,1.,实现数据格式化,因为,CPU,发出的数据是并行数据，接口电路应实现不同串行通信方式下的数据格式化任务，如自动生成起止方式的帧数据格式,(,异步方式,),或在待传送的数据块前加上同步字符等。,在串行传输中，通信的双方都按通信协议进行，所谓,通信协议,就是通信双方必须共同遵守的 一种约定，约定包括数据的格式、同步的方式、传送的步骤、检纠错方式及控制字符的定义 等。,串行接口的基本任务就是：,2.,进行串、并转换,在发送端，接口将,CPU,送来的并行信号转换成串行数据进行传送；而在接收端，接口要将接 收到串行数据变成并行数据送往,CPU,，由,CPU,进行处理。,3.,控制数据的传输速率,接口应具备对数据传输率,波特率的控制选择能力，即具有波特率发生器。,4.,进行传送错误检测,在发送时，对传送的数据自动生成校验位或校验码，在接收端能检查校验位或校验 码，以确定传送中是否有误码。,51,系列单片机内有一个全双工的异步通信接口，通过对串行接口写控制字可以选择其数据格 式，同时内部有波特率发生器，提供可选的波特率，可完成双机通信或多机通信。,四、,波特率,单位时间内传送的信息量。在计算机中，以每秒传送的二进制位数为单位。,例如：,100,字符,/,秒，,1,个字符,11,位，,波特率为：,10011=1100,（波特）,平均每位传送占用时间,Td=1/1100=0.909ms,（一）通信线的连接,通信速率和通信距离这两个方面是相互制约的，降低通信速率，可以提高通信距离,.,不同的通信距离，,串行通信电路有不同的连接方法,五,.,串行通信总线标准及接口,RXD,TXD,GND,RXD,TXD,GND,RXD,TXD,GND,电,平,转,换,RXD,TXD,GND,RXD,TXD,GND,电,平,转,换,RXDTXD,GND,微机,微机其他设备,较远距离传送电路,近距离传送电路,微,机,接,口,调,制,解,调,器,调,制,解,调,器,接,口,微,机,电,话,分,机,电,话,分,机,远距离传送电路,数字信号通过调制器变成模拟信号通过电话线传送到对方，接收方通过解调器将模拟信号转换成数字信号接收。,（二）,串行通信接口总线标准,测控系统中，计算机通信主要采用异步串行通信方式，常用的异步总线标准有三种：,RS-232,（,RS-232A RS-232B RS-232C,）,RS-449,（,RS422 RS423 RS485,）,这里重点介绍,RS-232,RS-232C,：速率：,20Kbit/S,，最大通信距离 ：,15m,RS422,：,10Mbit/s,，,:300m,90Kbit/s,，：,1200m,1,2.,抗干扰能力,采用标准的通信接口，本身具有一定的抗干扰能力，但是工业现场的情况往往很恶劣，因而要根据具体情况进行选择。,RS232C,：一般场合,RS422,：共模信号比较强,光纤：电磁干扰较强,二、,RS,232C,美国电子工业协会（,EIA,）公布的一种异步通信标准。,RS232C,标准是：,设备之间通信的距离不大于,15,米,最大传输速率,20KB/S,采用负逻辑：“,1”5V 15V,“0”,+,5V ,+,15V,不带负载时输出电平：,25V +25V,输出短路电流：,0.5A,最大负载电容,:2500pF,当计算机采用,RS232,标准时必须通过电平，,MAX232,是,EIA,和,TTL,电平转换芯片。内部具有电压提升电路，并有两路接收器和发送器。其连线和引脚如图,TTL,电平可以由专用集成电路转换成,RS232C,标准,;,如,:MC1488,或,75188 TTL RS232C,从,MC1489,或,75189 RS232C TTL,由于,MC1488,需要采用,12V,电源，一般在单片机通信中大量使用的是只需要,+5V,电源、具有发送和接收的一体化芯片，如：,MAX232,、,ICL232,、,ADM202,等。,MCS,51,之间的,双机通信,RXD,TXD,GND,TXD,GND,8xx51,8xx51,RXD,MCS,51,和,PC,机的,双机通信,MCS,51,和,PC,机的,双机通信见下图,8.2 MCS-51,的,串行口,结构,51,单片机有一个可编程的全双工异串,行通信接口，它可作,UART,用，也可作同,步移位寄存器，其帧格式可有,8,位、,10,位,或,11,位，并能设置各种波特率，给使用者,带来很大的灵活性。,一、串行口的内部结构,发送,SBUF,（,99H,）,门,8,8,串行口结构框图,RXD(P3.0),TXD(P3.1),中断,接收,SBUF,（,99H,）,定,时,器,T1,f,osc,2,分频器,发送控制器,接收控制器,串寄,行存,控器,制,SCON,（,98H,）,输入移位寄存器,TI,RI,内 部 总 线,5 l,单片机通过引脚,RXD(P3.0),串行数,据接收端,),和引脚,TXD(P3.l),串行数据发送,端,),与外界进行通信。,图中有两个物理上独立的接收、发送,缓冲器,SBUF,，它们占用同一地址,99H,，可,同时发送、接收数据。,发送缓冲器只能写入，不能读出，,CPU,写,SBUF,，一方面修改发送寄存器，同时启动数据串行发送；,接收缓冲器只能读出、不能写入。读,SBUF,，就是读接收寄存器。,串行控制寄存器,SCON,用以存 放串行口的控制和状态信息。,8XX51,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。,特 殊功能寄存器,PCON,的最高位,SMOD,为串行口波特率的倍增控制位。,波特率发生器,可以有两种选择：,1.,定时器,T1,作波特率发生器，改变计数初值就可以改变串行通信的速率，称为可变波特率。,2.,以内部时钟的分频器作波特率发生器，因内部时钟频率一定，称为固定波特率,shift,MOV A,SBUF,串行数据,CPU,CPU,SBUF,SBUF,shift,MOV SBUF,A,并行数据,并行数据,甲方（发送）,乙方（接收）,甲方发送时，,CPU,执行,指令,MOV SBUF,A,启动了发送过程，数据并行送入,SBUF,，在发送时钟,shift,的控制下由低位到高位一位一位发送，乙方在接收时钟,shift,的控制下由低位到高位 顺序进入移位寄存器,SBUF,，甲方一帧数据发送完毕，置位发送中断标志,二、串行通信的传送过程用下面简图说明,TI,RI,TI,，该位可作为查询标志（或引起中断），,CPU,可再发送下一帧数据。乙方一帧数据到齐,即接收缓冲器满，置位接收中断标志,RI,，该位,可作为查询标志（或引起接收中断），通过,MOV A,SBUF,CPU,将这帧数据并行读入。,由上述可知：,甲、乙方的移位时钟频率应相同，即应具有相同的波特率，否则会造成数据丢失。,发送方是先发数据再查标志，接收方是先查标志再收数据。,51,单片机串行口是一个可编程接口，对它的编程只用两个控制字分别写入特殊功能寄存器：,串行口控制寄存器,SCON(98H),电源控制寄存器,PCON(97H),三、串行口的控制寄存器,3.CPU,通过指令和,SBUF,并行交换数据，并不能控制数据的串行移位，它只能查询标志位来确定数据的移位是否完成。,8.3,串行口的控制寄存器,8.3.1,串行口的控制寄存器,SCON 98H,8XX51,串行通信的方式选择,接受和发送控制及串,行口的标志均由专用寄存器,SCON,控制和指示,其格式,如下,:,SM0,SM1,SM2,REN,TB8,RB8,TI,RI,方式选择,多机控制,串行接收,允许/,禁止,欲发的第九位,收到的第九位,发送中断有,/,无,接收中断有,/,无,SM0,、,SM1,：工作方式设置位,0 0,：移位寄存器 ，,fosc/12,0 1,：,10,位异步收发器（,8,位数据），,波特率可变,1 0,：,11,位异步收发器（,9,位数据），,fosc/64,或,fosc/32,1 1,：,11,位异步收发器（,9,位数据），,波特率可变,SM2,，多机通信控制位。,主要用于方式,2,和方式,3,。对于接收机,SM2=0,，收到,RB8,（,0,或,1,）既可使收到的数据进入,SBUF,，并激活,RI,。,SM2=1,，收到的,RB8,0,时，收到的信息丢弃，不激活RI,；若收到的,RB8,1,时，收到的数据进入,SBUF,，并激活,RI,，进而在中断服务中将数据从,SBUF,读走。,方式,0,时，,SM2,必须是,0,。,方式,1,时，,SM2=1,时，只有接收到有效停止位时，,RI,才激活。,REN,，允许串行接收位。,置,REN=1,，启动串口接收过程,置,REN=0,，则禁止串口接收,TB8,，,在方式,2,、,3,中，是发送数据的第,9,位,数据的奇偶校验位,地址帧,/,数据帧的标志位,RB8,，,在方式,2,、,3,中，是接收到数据的第,9,位,奇偶校验位,地址帧,/,数据帧的标志位。,方式,1,时，若,SM2=0,，则,RB8,是接收到的停止位。,TI,，发送中断标志位。,方式,0,时，串行发送第,8,位数据结束时,其它方式，串行发送停止位的开始时,硬件使,TI,置,1,，发中断申请。必须在中断服务程序中用软件将其清,0,。,RI,，接收中断标志位。,方式,0,时，串行接收第,8,位数据结束时,其它方式，串行接收停止位的中间时,硬件使,RI,置,1,，发中断申请。必须在中断服务程序中用软件将其清,0,。,PCON,的字节地址为,87H,无位地址,只能字节,寻址,.,初始化时,SMOD=0.,SMOD,X,X,X,X,X,X,X,PCON,87H,8.3.2,电源控制寄存器,PCON,PCON,的格式如下图所示,串行通信只用其中的最高位,SMOD,SMOD:,波特率加倍位。在计算串行方式,1,、,2,、,3,的波特率时，,SMOD,0,不加倍,;,SMOD,1,加倍,8.4,串行口的工作方式,根据串行通信数据格式和波特率的不同,51,系列单片机的串行通信有四种工作方式,通过编程进行选择,各工作方式的特点如下,:,1.,方式,0,RXD,为串行数据的发送端或接收端,TXD,输出频率为,fosc/12,的时钟脉冲。,波特率固定为,fosc/12(fosc,为单片机晶振频率,),方式,0,的数据格式为,8,位,低位在前,高位在后,移位寄位器方式多用于接口的扩展,当用单片机构成系统时,往往感到并行口不够用,此时可通过外接串入并出移位寄存器扩展输出接口；通过外接并入串出移位寄存器扩展输入接口，方式,0,也可应用于短距离的单片机之间的通信。,2.,方式,1,为,10,位异步通信方式,几每帧数据由,1,个起始位,“,0”.,八个数据位 和,1,个停止位“,1”,共,10,位构成,.,其 中起始位和停止位在发送时是自动插入的,.,以,TXD,为串行数据的发送端,T1,提供位时钟,RXD,为数据的接收端,由,T1,提供移位时钟,是波特率可,变方式,波特率,=,(2,SMOD,/32)(,TI,的溢出率,),=,(2,SMOD,/32)(fosc/12(256-x),根据给定的波特率,可以计算,T1,的计数初值,X,。,11位异步发送,/,接收方式,即每帧数据由有一个起,始位,“,0,”,9,个数据位和,1,个停止位,“,1,”,组成,.,发送时九个数据位,由,SCON,寄存器的,TB8,位 提供,接收,到的第九位数据存放在,SCON,寄存器的,RB8,位,.,第九位数据可作为检验位,也可用于多机通信中,识别传送的是地址还是数据的特征位。,波特率固定为,(2,SMOD,/64)fosc.,3.,方式,2,4.,方式,3,数据格式同方式,2,，所不同的是,波特率可变，计,算,方式同方式,1,。,波特率的计算,方式,0,、,2,的波特率是固定的，而方式,1,、,3,的波特率是可变的，由定时器,T1,的溢出率来决定。方式,0,波特率,=fosc/12,方式,2,波特率,=,（,2,SMOD,/64,）,fosc,方式,1,波特率,=,（,2,SMOD,/32,）,（,T1,溢出率）,方式,3,波特率,=,（,2,SMOD,/32,）,（,T1,溢出率）,T1,溢出率,=fosc/12256,（,TH1,）,T1,方式,2,，,TR1=1,（以启动定时器）,串行口初始化具体步骤：,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，还要进行中断设置（编程,IE,、,IP,寄存器）。,8.5,串行口的应用编程,串行口的波特率有两种方式：,固定波特率,可变波特率,注意：使用可变波特率时，先确定,TI,的计数初值，,并对,TI,进行初始化。,串行通信的编程方式：,查询方式,:,查,TI,或,RI,是否为“,1”,。,中断方式：如果预先开了中断，当,TI,、,RI,为“,1”,，会自动产生中断。,注意：两种方式中当发送或接受数据后都要注意,清,TI,或,RI,。,查询方式发送程序：,(,先发后查）,发送一个数据查询,TI,发送下一个数据,查询方式接收程序：（先查后收）,查询,RI,读入一个数据查询,RI,读下一个数据,中断方式发送程序发送一个数据等待中断，在中断中再发送下一个数据。,中断方式接收程序：,等待中断，在中断中再接收一个数据。,8.5.1,查询方式,查询方式发送流程图和接收流程图见下页,T1,初始化、启动,T1,工作,设定串行通信方式,置发送数据块首址,数据块长度计数器,清,TI,发送数据,TI,1,？,修改地址指针,和块长度计数器,全部数据发送完？,开始,结束,查询方式发送流程图,Y,N,Y,N,T1,初始化、启动,T1,工作,设定串行通信方式,允许接收,置接收缓冲区首址,接收数据块长度,清,RI,RI,1,？,修改地址指针,和块长度计数器,全部数据接收完？,开始,结束,接收数据,Y,查询方式接收流程图,YN,Y,N,8.5.2,中断方式,中断方式的初始化编程同查询方式，不,同的是要开中断，即置位,EA,和,ES,，编写中,断服务程序。,中断方式串行通信的程序流程见下图：,T1,初始化、启动,T1,工作,设定串行通信方式,置发送数据块首址,数据块长度计数器,发送数据,全部数据发送完？,Y,N,中断方式发送流程图,等待中断,1,EA,1,ES,发送数据,中断返回,0,EA,0,ES,中断服务程序,主程序,修改地址指针,和块长度计数器,清,TI,Y,N,T1,初始化、启动,T1,工作,设定串行通信方式,置接收数据块首址,数据块长度计数器,全部数据接收完？,Y,N,中断方式接收流程图,等待中断,1,EA,1,ES,中断返回,0,EA,0,ES,中断服务程序,主程序,修改地址指针,和块长度计数器,清,RI,接收数据,Y,N,例,8-1.,在内部数据存贮器,20H,3FH,单元中共有,32,个数据，要求采用方式,1,串行发送出去，传送速率为,1200,波特，设,fosc,12MHZ,。,方法：,T1,工作于方式,2,作波特率发生器，取,SMOD,0,，,T1,的时间常数计算如下：,波特率,1200,(1/32)1210/12(256-x),x,230,E6H,2,SMOD,fosc,12(256-x),32,6,发送程序：,ORG 0000H ,MOV TMOD,，,#20H,；,T1,方式2,MOV TH1,，,#0E6H ,MOV TL1,，,#0E6H,；,T1,时间常数,SETB TR1,；启动,T1,MOV SCON,，,#40H,；串行口工作于方式,1,MOV R0,，,#20H,；,R0,指发送缓冲区首,MOV R7,，,#32,；,R7,作发送数据计数,LO:MOV SBUF,，,R0,；发送数据,JNB TI,，；一帧未发完继续查询,CLR TI,；一帧发完清,TI,INC R0,DJNZ R7,，,LO,；数据块未发完继续,SJMP,接收程序：,ORG 0000H ,MOV TMOD,，,#20H ,MOV TH1,，,#0E6H ,MOV TL1,，,#0E6H ,SETB TR1,；初始化,T1,，并启动,T1,MOV SCON,，,#50H,；设定串行方式,1,，并允许接收,MOV R0,，,#20H ,MOV R7,，,#32 ,LOOP,：,JNB RI,，；一帧收完,?,CLR RI,；收完清,RI,MOV,R0,，,SBUF,；将数据读入,INC R0,DJNZ R7,，,LOOP ,SJMP,RXD,89C51,TXD,P1.0,例,8-2,接线如图，编一个自发自收程序，检查单片机的串行口是否完好，,f=12MHz,，波特率,600,，取,SMOD,0,。,解：依据公式,波特率,求得,汇编语言编程,MOV TMOD,#20H,MOV TH1,#0CCH,MOV TL1,#0CCH ;,设定波特率,SETB TR1,MOV SCON,#50H,ABC:CLR TI,MOV P1,#0FEH ;LED,灭,ACALL DAY ;,延时,MOV A,#OFFH,MOV SBUF,A ;,发送数据,FFH,JNB RI,$;RI=0,等待,CLR RI,MOV A,SBUF ;,接收数据，,A=FFH,MOV P1,A ;,灯亮,JNB TI,$;TI=0,等待,ACALL DAY ;,延时,SJMP ABC,DAY:MOV R0,#0,DAL:MOV R1,#0,DJNZ R1,$,DJNZ R0,DAL,RET,如果发送接收正确，可观察到,P1.0,接的发光二极管闪亮。,例,8-3,例如串行通信方式,0,，扩展,I/O,接口，接八个数码管，使内部数据存储器,58H,-5FH,单元的内容为,0XH,。,分析,由于,TXD,，,RXD,运行在工作方式,0,时，可方便的连接串入并出移位寄存器,74LS164,，,TXD,发送移位脉冲，,RXD,发送数据，,P3.3,用于显示器的输入控制，通过,74LS164,接八个数码管，电路如下图所示。,例,8-4,程序如下：,ORG 0050H,SETB P3.3 ;,允许移位寄存器工作,MOV SCON,#0 ;,选串行通信方式,0,MOV R7,#08H ;,显示八个字符,MOV R0,#5FH ;,先送最后一个显示字符,MOV DPTR,#TBA ;DPTR,指向字形表首址,DLO:MOV A,R0 ;,取待显示数码,MOVC A,A+DPTR ;,查字形表,MOV SBUF,A ;,送出显示,JNB TI,$;,一帧输出完？,CLR TI ;,已完，清中断标志,DEC R0 ;,修改显示数据地址,DJZN R7,DLO,CLR P3.3 ;8,位送完，关发送脉冲,SJMP$,TBA:DB 0C0H,0F9H,0A4H,B0H,99H,92H DB 82H,0F8H,80H,90H,83H,83H,0C6H,DB 0A1H,86H,84H,0FFH,0BFH,