MCS-51单片机的串行通信.ppt

6、 MCS-51单片机的串行通信 教 学 目 的 掌握串行通信基础知识。 了解常用的串行通信总线标准。 掌握MCS-51单片机的串行通信的基本原理。 学习学习 重点重点 和和 难点难点 MCS-51单片机串行通信的基本原理。 单片机串行通信的应用。 串行通信主要内容串行通信主要内容 1）串行通信概述 2）常用的串行通信总线 略 3）MCS-51的串行接口 4）MCS-51单片机之间的通信 本节小结 应用举例 1）串行通信概述 单片机除了需要控制外围器件完成特定的功 能外，在很多应用中还要完成单片机与单片机之 间、单片机和外围器件之间、单片机与计算机之 间的数据交换和指令的传输，称为单片机的通信 。 1）串行通信概述 在计算机系统中，CPU与外部通信的基本方式有 两种： A、并行通信 数据的各位同时传送。 B、串行通信 数据一位一位顺序传送。 下面分别看看这两种通信方式的特点 并行通信的特点：各数据位同时传送，传送速度快 、效率高。但有多少数据位就需要有多少根数据线 ，因此传送成本高。 在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等的数据传送都是并行 的。并行数据传送的距离通常小于30米。 串行通信的特点：数据传送按位顺序进行，最少只 需一根传输线即可完成，成本低，但速度慢。 计算机与远程终端或终端与终端之间的数据传送通 常都是串行的。串行数据传送的距离可以从几米到 几千公里。 串行通信又有同步通信和异步通信两种基本方式。 基本 通信方式 示意图 下面分别看看串行通信的异步通信和同步通信 A. 异步通信方式(Asynchronous Communication) 在异步通信中，数据通常是以字符(或字节)为单 位组成字符帧传送的。 字符帧由发送端一帧一帧地发送，通过传输线被 接收设备一帧一帧地接收。 发送端和接收端可以有各自的时钟来控制数据的 发送和接收。两个时钟源彼此独立，互不同步。 A. 异步通信方式(Asynchronous Communication) 在异步通信中，接收端是依靠字符帧格式来判断 发送端是何时开始发送及何时结束发送。如下： 不发送数据时，发送线为高电平(逻辑“1”)； 当接收端检测到传输线上发送过来的低电平逻辑 “0”(字符帧起始位)时，就知道发送端已开始发送 ； 每当接收端接收到字符帧中的停止位时，就知道 一帧字符信息己发送完毕。 (1) 字符帧(Character Frame) 字符帧也叫数据帧，由起始位、数据位、奇偶校验 位和停止位四部分组成。各部分结构和功能如下： 起始位：位于字符帧开头，占一位，为逻辑 “0”，用于向接收设备表示发送端开始发送一帧信息 数据位：紧跟起始位之后，用户根据情况可取5 位、6位、7位或8位，低位在前高位在后。若所传数据 为ASCII字符，则常取7位。 (1) 字符帧(Character Frame) 奇偶校验位：位于数据位后，仅占一位，表 征串行通信中采用奇校验还是偶校验，由用户根据 需要决定。 停止位：位于字符帧末尾，为逻辑“1”(高 电平)，通常可取1位、1.5位或2位，用于向接收端 表示一帧字符信息已发送完毕，也为发送下一帧字 符作准备。 (1) 字符帧(Character Frame)-空闲位 在串行通信中，发送端一帧一帧发送信息，接收 端一帧一帧接收信息。两相邻字符帧之间可以无空闲位 ，也可以有若干空闲位，这由用户根据需要决定。 异步通 信的字 符帧格 式 异步通信 下页为同步通信的知识 (2) 波特率(baud rate) l波特率的定义为每秒钟传送二进制数码的位数( 亦称比特数)，单位是bit/s，即位/秒。 l波特率是串行通信的重要指标，用于表征数据传 输的速度。 l波特率越高，数据传输速度越快，但和字符的实 际传输速率不同。字符的实际传输速率是指每秒 内所传字符帧的帧数，和字符帧格式有关。 看下面的例子 例如：波特率为1200 bit/s的通信系统，若采用上 图(a)的字符帧，则字符的实际传输速率为 1200/11=109.09帧/秒 若改用上图(b)的字符帧，则字符的实际传输速 率为 1200/14=85.71帧/秒 (2) 波特率(baud rate) l每位的传输时间定义为波特率的倒数。例如：波特 率为1200 bit/s的通信系统，其每位的传输时间应 为： l波特率还和信道的频带有关。波特率越高，信道频 带越宽。因此，波特率也是衡量通道频宽的重要指 标，通常，异步通信的波特率在50bit/s 9600bit/s之间。波特率不同于发送时钟和接收时 钟，它通常是时钟频率的1/16或1/64。 异步通信 - 小结 图2.18 串行异步传送的字符格式 (a) 字符格式；(b) 有空闲位的字符格式 在串行异步传送中，通信双方必须事先约定： (1) 字符格式。双方要事先约定字符的编码形式、 奇偶校验形式及起始位和停止位的规定。例如用ASCII 码通信，有效数据为7位，加一个奇偶校验位、一个起 始位和一个停止位共10位。当然停止位也可以大于1位 。 (2) 波特率(Baud rate)。要求发送端与接收端的 波特率必须一致。 异步串行通信的传送速率一般为509600波特，常 用于计算机到CRT终端和字符打印机之间的通信等。 下面看看同步通信 2. 同步通信(Synchronous Communication) 同步通信是一种连续串行传送数据的通信方式， 一次通信只传送一帧信息。这里的信息帧和异步通 信中的字符帧不同，通常有若干个数据字符，如下 图所示。 同步字符帧由同步字符、数据字符和校验字符三部 分组成。 同步通信 的字符帧 格式 同步字符位于帧结构开头，用于确认数据字符 的开始 (接收端不断对传输线采样，并把采到的字 符和双方约定的同步字符比较，只有比较成功后才 会把后面接收到的字符加以存储)； 同步通信 的字符帧 格式 数据字符在同步字符之后，个数不受限制，由 所需传输的数据块长度决定； 校验字符有12个，位于帧结构末尾，用于接 收端对接收到的数据字符的正确性的校验。 同步通信 的字符帧 格式 2. 同步通信(Synchronous Communication) 在同步通信中，同步字符可以采用统一标准符式， 也可由用户约定。 l在单同步字符帧结构中，同步字符常采用ASCII码 中规定的SYN(即16H)代码； l在双同步字符帧结构中，同步字符一般采用国际通 用标准代码EB90H。 同步通信 的字符帧格式 2.异步通信与同步通信的特点 l异步通信的优点是不需要传送同步脉冲，字符帧 长度也不受限制，故所需设备简单。 l异步通信的缺点是字符帧中因包含有起始位和停 止位而降低了有效数据的传输速率。 l同步通信的优点是传输速率较高，通常可达 56000bit/s或更高。 l同步通信的缺点是要求发送时钟和接收时钟保持 严格同步，故发送时钟除应和发送波特率保持一 致外，还要求把它同时传送到接收端去。 在串行通信中，数据是在两个站之间传送的 。按照数据传送方向，串行通信可分为以下三种 传送方式: 单工方式： 通信线的一端接发送器，另一端接接收器 ，它们形成单向连接，只允许数据按照一个固 定的方向传送。数据只能单方向传送。 半双工方式： 系统中的每个通信设备都由一个发送器和 一个接收器组成，通过收发开关接到通信线上 。数据能够实现双方向传送，但任何时刻只能 由其中的一方发送数据，另一方接收数据。 其收发开关并不是实际的物理开关，而是 由软件控制的电子开关，通信线两端通过半双 工协议进行功能切换。 半双工方式： 全双工方式： 系统的每端都含有发送器和接收器，数据 可以同时在两个方向上传送。 尽管许多串行通信接口电路具有全双工功 能，但在实际应用中，大多数情况下只工作于 半双工方式，即两个工作站通常并不同时收发 。这种用法并无害处，虽然没有充分发挥效率 ，但简单、实用。 2）常用的串行通信总线 3）MCS-51的串行接口 80C51串行口的结构 （99H） （99H） 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 ；接收器是双缓冲结构 ；发送缓冲器， 因为发送时CPU是主动的，不会产生重叠错误。 v 串行发送时，通过“MOV SBUF,A”写指令，把A 的内容送入发送缓冲寄存器SBUF，再由TxD引脚一 位一位地向外发送。 （99H） （99H） v 串行接收时，接收端从RxD一位一位地接收数据 ，直到收到一个完整的字符数据后通知CPU，再通 过“MOV A,SBUF”读指令，CPU从接收缓冲寄存器 SBUF读出数据。发送和接收可采用中断方式。 （99H） （99H） SCON 是一个特殊功能寄存器，用以设定串行口的 工作方式、接收/发送控制以及设置状态标志： v 80C51串行口的控制寄存器 SM0和SM1为工作方式选择位，可选择四种工作方式： 同步 SM2，多机通信控制位，主要用于方式2和方 式3。当接收机的SM2=1时可以利用收到的RB8来 控制是否激活RI（RB80时不激活RI，收到的信 息丢弃；RB81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）。 当SM2=0时，不论收到的RB8为0和1，均可以使 收到的数据进入SBUF，并激活RI（即此时RB8不 具有控制RI激活的功能）。通过控制SM2，可以 实现多机通信。 在方式0时，SM2必须是0。在方式1时，若 SM2=1，则只有接收到有效停止位时，RI才置1。 REN，允许串行接收位。由软件置REN=1， 则启动串行口接收数据；若软件置REN=0，则禁 止接收。 TB8，在方式2或方式3中，是发送数据的第九位 ，可以用软件规定其作用。可以用作数据的奇偶校验 位，或在多机通信中，作为地址帧/数据帧的标志位。 TB8=0表示发送地址帧。 在方式0和方式1中，该位未用。 RB8，在方式2或方式3中，是接收到数据的第九 位，作为奇偶校验位或地址帧/数据帧的标志位。在方 式1时，若SM2=0，则RB8是接收到的停止位。 TI，发送中断标志位。在方式0时，当串行发送第 8位数据结束时，或在其它方式，串行发送停止位 的开始时，由内部硬件使TI置1，向CPU发中断申 请。在中断服务程序中，必须用软件将其清0，取 消此中断申请。 RI，接收中断标志位。在方式0时，当串行接收 第8位数据结束时，或在其它方式，串行接收停止 位的中间时，由内部硬件使RI置1，向CPU发中断 申请。也必须在中断服务程序中，用软件将其清0 ，取消此中断申请。 PCON中只有一位SMOD与串行口工作有关 ： SMOD（PCON.7） 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 。 （99H） （99H） SMOD（PCON.7） 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。 下面具体看看串行口的工作方式 v 80C51串行口的工作方式 一、方式0 方式0时，串行口为同步移位寄存器的输入输出方式。主要用 于扩展并行输入或输出口。数据由RXD（P3.0）引脚输入或输出， 同步移位脉冲由TXD（P3.1）引脚输出。发送和接收均为8位数据 ，低位在先，高位在后。波特率固定为fosc/12。 8位串入并出的 移位寄存器 v 方式0发送和接收电路 下面具体看看 1、方式0输出： （P3.0） （P3.1） 低位在先，高位在后。波特率固定为fosc/12 8位串入并出的 移位寄存器 v 方式0发送和接收电路 v 串行数据通过RXD引脚输 出，而在TXD引脚输出移位 时钟，作移位脉冲输出端。 1、方式0输出： （P3.0） （P3.1） 低位在先，高位在后。波特率固定为fosc/12 8位串入并出的 移位寄存器 v 方式0发送和接收电路 v 当一个数据写入串行口数据缓 冲器时，就开始发送。 v 在此期间，发送控制器送出移 位信号，使发送移位寄存器的内 容右移一位。直至最高位(D7位) 数字移出后，停止发送数据和移 位时钟脉冲，完成了发送一帧数 据的过程，并置TI为1，就申请中 断。 v 若CPU响应中断，则从0023H单 元开始执行串行口中断服务程序 。 2、方式0输入 v 方式0发送和接收电路 8位并入串出的 移位寄存器 REN，允许串行接收位。由软件置REN=1 ，则启动串行口接收数据；若软件置 REN=0，则禁止接收。 看方式0的例子 下面看看方式1 （P3.0） （P3.1） v方式0输入(接收)： RXD端为数据输入端，TXD端为 同步脉冲信号输出端。 接收器以振荡频率的l/12的波 特率接收RXD端输入的数据信息。 二、方式1 方式1是10位数据的异步通信口。TXD为数据发送引脚， RXD为数据接收引脚，传送一帧数据的格式如图所示。其中1位起 始位，8位数据位，1位停止位。 1、方式1输出 下面看看方式1输入 2、方式1输 入 用软件置REN为1时，接收器以所选择波特率的 16倍速率采样RXD引脚电平，检测到RXD引脚输入电平 发生负跳变时，则说明起始位有效，将其移入输入移 位寄存器，并开始接收这一帧信息的其余位。 REN，允许串行接收位。由软件置REN=1，则启动 串行口接收数据；若软件置REN=0，则禁止接收。 P3.0 继续 （99H） 接收过程中，数据从输入移位寄存器右边移入，当起始 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RI=0，且SM2=0（或接收到的停止位为1）时，将接收到的 9位数据的前8位数据装入接收SBUF，第9位（停止位）进入RB8 ，并置RI=1，向CPU请求中断。 注意 注意： 在方式1的接收器中设置有数据辨识功能， 当同时满足以下条件时，接收的数据才有效。接收控 制器再次采样RxD的负跳变，以便接收下一帧数据。 （99H） RI=0; 接收到的停止位为 1 或 SM2=0。 多机通信控制位 下面看看方式2和方式3 三、方式2和方式3 方式2或方式3时为11位数据的异步通信口。TXD为数 据发送引脚，RXD为数据接收引脚 。 方式2和方式3时起始位1位，数据9位（含1位附 加的第9位，发送时为SCON中的TB8，接收时为RB8）， 停止位1位，一帧数据为11位。 方式2的波特率固定为晶振频率的1/64或1/32， 方式3的波特率由定时器T1的溢出率决定。 下面看看方式2和方式3输出 1、方式2和方式3输出 发送开始时，先把起始位0输出到TXD引脚，然后发送 移位寄存器的输出位（D0）到TXD引脚。每一个移位脉冲都 使输出移位寄存器的各位右移一位，并由TXD引脚输出。 第一次移位时，停止位“1”移入输出移位寄存器的第9位 上 ，以后每次移位，左边都移入0。当停止位移至输出位时， 左边其余位全为0，检测电路检测到这一条件时，使控制电路 进行最后一次移位，并置TI=1，向CPU请求中断。 下面看看方式2和方式3输入 2、方式2和方式3输入 接收时，数据从右边移入输入移位寄存器，在起 始位0移到最左边时，控制电路进行最后一次移位。 当RI=0，且SM2=0（或接收到的第9位数据为1） 时，接收到的数据装入接收缓冲器SBUF和RB8（接收数 据的第9位），置RI=1，向CPU请求中断。如果条件不满 足，则数据丢失，且不置位RI，继续搜索RXD引脚的负跳 变。 下面看看方式2和方式3输入注意的问题 装入 SBUF和 RB8以及置位 RI的信号只有在产生最 后一个移位脉冲且同满足下列两个条件, 才会产生: RI=0; SM2 =0 或接收到的第 9 位数据为“1”。 上述两个条件中任一个不满足, 所接收的数据帧就 会丢失, 不再恢复。 两者都满足时, 第 9 位数据装 入 TB8, 前 8 位数据装入 SBUF。 请注意: 与模式1不同, 模式2和3中装入RB8的是第 9位数据, 而不是停止位。所接收的停止位的值与SBUF 、 RB8和RI都没有关系, 利用这一特点可用于多机通信 中。 下面看看波特率的计算 四、波特率的计算 在串行通信中，收发双方对发送或接收 数据的速率要有约定。 通过软件可对单片机串行口编程为四种 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三种波特率 。各种方式的波特率计算公式如下 方式0的波特率 = fosc/12 方式2的波特率 =（2SMOD/64） fosc 方式1的波特率 =（2SMOD/32）（T1溢出 率） 方式3的波特率 =（2SMOD/32）（T1溢出 率） 当T1作为波特率发生器时，最典型的用法是使T1工作 在自动再装入的8位定时器方式（即方式2，且TCON的TR1=1 ，以启动定时器）。这时溢出率取决于TH1中的计数值。 T1 溢出率 = fosc /12256 （TH1） 在单片机的应用中，常用的晶振频率为：12MHz和 11.0592MHz。所以，选用的波特率也相对固定。常用的串行 口波特率以及各参数的关系如表所示。 下面总结一下串行口的初始化 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： v确定T1的工作方式（编程TMOD寄存器）；方式1方式3 v计算T1的初值，装载TH1、TL1； v启动T1（编程TCON中的TR1位）； v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）。 6.3 单单片机串行口应应用举举例 在计算机分布式测控系统中，经常要利用串 行通信方式进行数据传输。80C51单片机的串行口 为计算机间的通信提供了极为便利的条件。 利用单片机的串行口还可以方便地扩展键盘 和显示器，对于简单的应用非常便利。 6.3.1 单片机与单片机的通信 一、点对点的通信 1、硬件连接 二、应用程序 设1号机是发送方，2号机是接收方。当1号机发送时， 先发送一个“E1”联络信号，2号机收到后回答一个“E2”应答信 号，表示同意接收。当1号机收到应答信号“E2”后，开始发送 数据，每发送一个数据字节都要计算“校验和”，假定数据块长 度为16个字节，起始地址为40H，一个数据块发送完毕后立即 发送“校验和”。2号机接收数据并转存到数据缓冲区，起始地 址也为40H，每接收到一个数据字节便计算一次“校验和”，当 收到一个数据块后，再接收1号机发来的“校验和”，并将它与2 号机求出的校验和进行比较。若两者相等，说明接收正确，2 号机回答00H；若两者不相等，说明接收不正确，2号机回答 0FFH，请求重发。1号机接到00H后结束发送。若收到的答复 非零，则重新发送数据一次。双方约定采用串行口方式1进行 通信，一帧信息为10位，其中有1个起始位、8个数据位和一个 停止位；波特率为2400波特，T1工作在定时器方式2，振荡频 率选用11.0592MHZ，查表可得TH1=TL1=0F4H，PCON寄存 器的SMOD位为0。 发送程序清单如下： ASTART：CLR EA MOV TMOD，#20H ；定时器1置为方式2 MOV TH1，#0F4H ；装载定时器初值，波特率2400 MOV TL1，#0F4H MOV PCON，#00H SETB TR1 ；启动定时器 MOV SCON，#50H ；设定串口方式1，且准备接收应答信号 ALOOP1：MOV SBUF，#0E1H ；发联络信号 JNB TI，$ ；等待一帧发送完毕 CLR TI ；允许再发送 JNB RI，$ ；等待2号机的应答信号 CLR RI ；允许再接收 MOV A，SBUF ；2号机应答后，读至A XRL A，#0E2H ；判断2号机是否准备完毕 JNZ ALOOP1 ；2号机未准备好，继续联络 ALOOP2：MOV R0，#40H ；2号机准备好，设定数据块地址指针初值 MOV R7，#10H ；设定数据块长度初值 MOV R6，#00H ；清校验和单元 ALOOP3：MOV SBUF，R0 ；发送一个数据字节 MOV A，R6 ADD A，R0 ；求校验和 MOV R6，A ；保存校验和 INC R0 JNB TI，$ CLR TI DJNZ R7，ALOOP3 ；整个数据块是否发送完毕 MOV SBUF，R6 ；发送校验和 JNB TI，$ CLR TI JNB RI，$ ；等待2号机的应答信号 CLR RI MOV A，SBUF ；2号机应答，读至A JNZ ALOOP2 ；2号机应答“错误”，转重新发送 RET ；2号机应答“正确”，返回 接收程序清单如下： BSTART：CLR EA MOV TMOD，#20H MOV TH1，#0F4H MOV TL1，#0F4H MOV PCON，#00H SETB TR1 MOV SCON，#50H ；设定串口方式1，且准备接收 BLOOP1：JNB RI，$ ；等待1号机的联络信号 CLR RI MOV A，SBUF ；收到1号机信号 XRL A，#0E1H ；判是否为1号机联络信号 JNZ BLOOP1 ；不是1号机联络信号，再等待 MOV SBUF，#0E2H ；是1号机联络信号，发应答信号 JNB TI，$ CLR TI MOV R0，#40H ；设定数据块地址指针初值 MOV R7，#10H ；设定数据块长度初值 MOV R6，#00H ；清校验和单元 BLOOP2：JNB RI，$ CLR RI MOV A，SBUF MOV R0，A ；接收数据转储 INC R0 ADD A，R6 ；求校验和 MOV R6，A DJNZ R7，BLOOP2 ；判数据块是否接收完毕 JNB RI，$ ；完毕，接收1号机发来的校验和 CLR RI MOV A，SBUF XRL A，R6 ；比较校验和 JZ END1 ；校验和相等，跳至发正确标志 MOV SBUF，#0FFH ；校验和不相等，发错误标志 JNB TI，$ ；转重新接收 CLR TI END1：MOV SBUF，#00H RET 二、多机通信 1、硬件连接 单片机构成的多机系统常采用总线型主从式结构。所谓 主从式，即在数个单片机中，有一个是主机，其余的是从机， 从机要服从主机的调度、支配。80C31单片机的串行口方式2 和方式3适于这种主从式的通信结构。当然采用不同的通信标 准时，还需进行相应的电平转换，有时还要对信号进行光电隔 离。在实际的多机应用系统中，常采用RS-485串行标准总线 进行数据传输。 2、通信协议 v所有从机的SM2位