单片机的串行口及其应用综述

*1 项目6 单片机的串行口及其应用 u串行口的结构 u串行口控制寄存器 u单片机串行口的设计方法 本章主要内容： 本章目录 6.1 任务1 认识串行通信与串行口 6.2 任务2 单片机的双机通信 6.3 任务3 单片机与PC串行通信 6.4 任务4 远程控制交通灯的设计 *3 6.1 任务1 认识串行通信与串行口 6.1.1 串行通信的概念 通信的基本方式分为并行通信和串行通信两种。 u并行通信是构成数据信息的各位同时进行传送的通信 方式。例如8位数据或16位数据并行传送。 u优点是传输速度快。 u缺点是需要多条传输线，当距离较远、位数又多时， 导致通信线路复杂且成本高。 u串行通信是数据一位接一位地顺序传送。 u特点是通信线路简单，只要一对传输线就可以实现通信( 如电话线)，从而大大地降低了成本，特别适用于远距离通 信。 u缺点是传送速度慢。 串行通信可分为异步传送和同步传送两种基本方式 。 1. 串行通信的分类 （1）异步通信 异步传送的特点是数据在线路上的传送不连续，在传送时, 数据是以字符为单位组成字符帧进行传送的。 在异步通信中，接收端是依靠字符帧(Character Frame) 格式来判断发送端是何时开始发送，何时结束发送的。字 符帧格式是异步通信的一个重要指标，是CPU与外设之间 事先的约定。字符帧也叫数据帧，由起始位、数据位、奇 偶校验位和停止位4个部分组成。 图6-2串行异步传送的字符格帧式 在串行通信中，两相邻字符帧之间，可以没有空闲位，也可以 有若干空闲位，这由用户来决定。图6-2(a)为无空闲位的字符 帧，图6-2(b)表示有3个空闲位的字符帧格式。 （2）同步通信 同步通信是一种连续串行传送数据的通信方式，1次通信只 传输一帧信息，即1次传送1组数据。这里的信息帧和异步通 信的字符帧不同，通常有若干个数据字符，如图6-3所示。 图6-3(a)为单同步字符帧结构，图6-3(b)为双同步字符帧结构 图6-3 同步通信的字符帧格式 2. 串行通信的制式 在串行通信中数据是在两个站之间进行传送的，按照数据传 送方向，串行通信可分为单工、半双工和全双工三种制式。 （1）单工制式：在这种制式下，通信线的一端接发送器，另一端 接接收器，数据只能按照一个固定的方向传送。 （2）半双工制式：数据可实现双向传送，但不能同时进行。 （3）全双工制式：全双工通信系统的每端都有发送器和接收器， 可以同时发送和接收。 3. 串行通信的接口电路 串行接口电路的种类和型号很多。 能够完成异步通信的硬件电路称为UART，即通用异步接收 器 /发送器; 能够完成同步通信的硬件电路称为USRT; 既能够完成异步又能同步通信的硬件电路称为USART. 从本质上说，所有的串行接口电路都是以并行数据形式与CPU接 口，以串行数据形式与外部逻辑接口。它们的基本功能都是从外 部逻辑接收串行数据，转换成并行数据后传送给CPU，或从CPU 接收并行数据，转换成串行数据后输出到外部逻辑。 6.1.2 串行通信的接口 异步串行通信接口标准主要有三类： RS-232C接口 RS-449、RS-422和RS-485接口 20mA电流环 1. RS-232C接口 （1）RS-232C信息格式标准 （2）RS-232C总线规定及其电平转换器 RS-232C采用的是负逻辑，即： 逻辑“0”：+5V+15V 逻辑“1”：-5V-15V 因此，RS-232C不能和TTL电平直接相连，使用时必须进行电平 转换。常用的电平转换集成电路是传输线驱动器MC1488和传输 线接收器MC1489。 图6-6 接收器和发送器电平转换集成电路 （3）RS-232C总线规定 RS-232C标准总线为25根，采用标准的DB-25或DB-9的D形 插头座。目前计算机上只保留有两个DB-9插头，即COM1和 COM2两个串行接口。 图6-8 RS-232C引脚图 表6-1 DB-9连接器各引脚各引脚定义 引 脚 名称功 能引脚名称功 能 1DCD载载波检测检测6DSR数据准备备完成 2RXD发发送数据7RTS发发送请请求 3TXD接收数据8CTS发发送清除 4DTR数据终终端准备备完成9RI振铃铃指示 5SG（GND）信号地线线 在最简单的全双工系统中，仅用发送数据、接收数据和信号地三根线即 可，对于MCS-51单片机，利用其RXD（串行数据接收端）线、TXD（ 串行数据发送端）线和一根地线，就可以构成符合RS-232C接口标准 的全双工通信口。 在远距离通信时，一般要加MODEM(调制解调器)，当计算机与 MODEM 连接时，只要将编号相同的引脚连接起来即可 。 图6-9 RS-232-C(DB9)与调制解调器的连接图 在距离较近(小于15m)的情况下进行通信时，不需要使用MODEM， 两个计算机的RS-232-C接口可以直接互连。 图6-10 两个RS-232C(DB9)终端设备的连接图 2. RS-449、RS-422A、RS-485标准接口 RS-449标准除了与RS-232C兼容外，在提高传输速率，增加传 输距离，改善电气性能等方面有了很大改进。 （1）RS-449标准接口 RS-449在很多方面可以代替RS-232C使用。RS-449与RS- 232C的主要差别在于信号在导线上的传输方法不同：RS-232C 是利用传输信号与公共地的电压差，RS-449是利用信号导线之 间的信号电压差，在1219.2 m的24-AWG双铰线上进行数字通信 。 RS-449规定了两种接口标准连接器，一种为37脚，一种为9脚 。 RS-449可以不使用调制解调器，它比RS-232C传输速率高， 通信距离长，且由于RS-449系统用平衡信号差传输高速信号， 所以噪声低，又可以多点或者使用公共线通信，故RS-449通信 电缆可与多个设备并联。 （2）RS-422A接口 RS-422A输出驱动器为双端平衡驱动器，如图6-11所示。如果其 中一条线为逻辑“1”状态，另一条线就为逻辑“0”，比采用单端不 平衡驱动对电压的放大倍数大一倍。 RS-422A传输速率（90Kbps）时，传输距离可达1200米。 图6-11 RS-422A接口 （2）RS-485接口 RS-485的信号传输采用两线间的电压来表示逻辑1和逻辑0，如图 6-12所示。由于发送方需要两根传输线，接收方也需要两根传输 线。传输线采用差动信道，所以它的干扰抑制性极好，又因为它 的阻抗低，无接地问题，所以传输距离可达1200米，传输速率可 达1Mbps。 图6-12 RS-485接口 6.1.3 单片机串行口的结构与控制寄存器 MCS-5l单片机的串行口主要由两个独立的数据缓冲器SBUF、一个 输入移位寄存器PCON(9位)、一个串行控制寄存器SCON和一个波 特率发生器T1等组成。其结构见图6-13。 图6-13 串行口结构框图 1. 串行口数据缓冲器SBUF SBUF是两个在物理上独立的接收、发送寄存器，是可以直接寻 址的专用寄存器。一个用于存放接收到的数据，另一个用于存放欲 发送的数据，可同时发送和接收数据。 两个缓冲器共用一个地址99H，通过对SBUF的读、写指令来区 别是对接收缓冲器还是发送缓冲器进行操作。 CPU在写SBUF时，就是修改发送缓冲器；读SBUF，就是读接 收缓冲器的内容。 接收或发送数据，是通过串行口对外的两条独立收发信号线RXD （P3.0）、TXD(P3.1)来实现的，因此可以同时发送、接收数据， 其工作方式为全双工制式。 串口的接收/发送端具有缓冲的功能，由SBUF特殊功能寄存器实 现该功能。接收缓冲器是双缓冲的,发送缓冲器为单缓冲。 2. 串行口控制寄存器SCON 该专用寄存器的主要功能是选择串行口的工作方式、接收和发送控 制以及串行口的状态标志指示等，可以位寻址，字节地址为98H。 收发双方都有对SCON的编程，单片机复位时，SCON的所有位全 为0。 SCON的各位含义如图6-14所示。 （1）SM0、SM1（SCON.7、SCON.6） 串行口的工作方式选择位。其定义如表6-2所示。 SM0 SM1工 作 方 式功 能波 特 率 0 0方式08位同步移位寄存器fosc/12 0 l方式l10位UART可变 1 0方式211位UARTfosc/64或fosc/32 1 1方式311位UART可变 表6-2串行方式的定义 （2）SM2 多机通信控制位，用于方式2和方式3中。 在方式2和方式3处于接收时,若SM2=1，且接收到的第9位数据RB8 为0时，则不激活RI；若SM2=1，且RB8=1时，则置RI=1；若 SM2=0，不论接收到第9位RB8为0还是为1，TI、RI都以正常方式被 激活。 在方式1处于接收时，若SM2=1，则只有当收到有效的停止位后，RI 才置1。在方式0中，SM2应为0。 （3）REN 允许串行接收控制位。由软件置位或清零。REN=1时，允许接收； REN=0时，禁止接收。 （4）TB8 发送数据的第9位。在方式2和方式3中，由软件置位或复位，一般用 做奇偶校验位。在多机通信中，可作为区别地址帧或数据帧的标识 位，一般约定地址帧时TB8为1，数据帧时TB8为0。 （5）RB8 接收数据的第9位。功能同TB8。 （6）TI 发送中断标志位。在方式0中，发送完8位数据后，由硬件置位；在 其它方式中，在发送停止位之初由硬件置位。因此TI是发送完一帧 数据的标志，可以用指令来查询是否发送结束。TI=1时，也可向 CPU申请中断，响应中断后必须由软件清除TI。 （7）RI 接收中断标志位。在方式0中，接收完8位数据后，由硬件置位；在 其它方式中，在接收停止位时由硬件置位。因此RI是接收完一帧数 据的标志，也可以通过指令来查询是否接收完一帧数据。RI=1时， 也可向CPU申请中断，响应中断后也必须由软件清除RI。 3. 电源和波特率控制寄存器PCON PCON是一个特殊功能寄存器，其字节地址为87H，只能进行字节寻 址，不能按位寻址。 其格式如下图6-15所示。 PCON的最高位D7位作为SMOD，是串行口波特率的选择位。在 工作方式1、2、3时，串行通信的波特率与SMOD有关。当 SMOD=1时，波特率加倍，当SMOD=0时，波特率不变。系统复 位后，SMOD位为0。其他各位用于电源管理 。 6.1.4 单片机串行口的工作方式 MCS-51的串行口有4种工作方式， 通过SCON中的SM1、SM0位来决定 。 1方式0 在方式0下，串行口作同步移位寄存器用，以8位数据为一帧。 无起始位和停止位。 其波特率固定为fosc/12。 串行数据从RXD（P3.0）端输入或输出，同步移位脉冲由TXD （P3.1）送出。 这种方式常用于扩展I/O口，外接移位寄存器实现数据并行输入或 输出。 2方式1 当SM0=0、SM1=1时，串行口被定义为方式1。 在方式1下，串行口为波特率可调的10位通用异步接口UART，发送 或接收的一帧信息，包括1位起始位0，8位数据位和1位停止位1。 图6-18 方式1下10位数据帧格式 3方式2 当SM0=1、SM1=0时，串行口被定义为方式2。 方式2下，串行口为11位通用异步接口UART，这种方式可接收 或发送11位数据，传送波特率与PCON的最高位SMOD有关。 发送或接收的一帧数据包括1位起始位0，8位数据位，1位可编程 位（D8）和1位停止位1，共11位。 第9个数据位即D8位可以通过软件来控制它。 图6-19 方式2下11位数据帧格式 4方式3 方式3为波特率可变的11位UART通信方式，除了波特率以外，方