单片机原理与接口技术 教学课件 ppt 作者 朱玉红 单元9

1、单元9 单片机的串口及应用,学习目的： 掌握单片机的串口结构，熟悉串口通信工作方式，掌握串口编程方法。 重点难点： 单片机串口工作方式和串口的应用。 外语词汇： Sieries（串行）、Baud Rate（波特率）、Communication（通信）。 通常把计算机与外界的数据传送称为通信，随着80C51单片微机应用范围的不断拓宽，单台仪器仪表或控制器往往会带有不止一个的单片微机，而多个智能仪器仪表或控制器在单片微机应用系统中又常常会构成一个分布式采集、控制系统，上层由PC进行集中管理等。单片微机的通信功能也随之得到发展。,9.1数据通信概述,9.1.1并行通信和串行通信,在实际工作中，单片机与外部设备之间、单片机与单片机之间经常需要交换信息，所有这些信息的交换均称为通信。通信按数据传送的方式分为两种，即并行通信和串行通信。,计算机的数据传送方式如图9-1所示。,图9-1 计算机的数据传送方式,1.并行通信 在数据传输时，如果一个数据编码字符的所有各位都同时发送、并排传输，又同时被接收，则将这种传送方式称为并行通信。 2.串行通信 在数据传输时，如果一个数据编码字符的所有各位不是同时发

2、送，而是按一定顺序，一位接着一位在信道中被发送和接收，则将这种传送方式称为串行通信。串行通信的物理信道为串行总线。 两种基本通信方式比较起来，串行通信方式能够节省传输线，特别是数据位数很多和远距离数据传送时，这一优点更为突出；串行通信方式的主要缺点是传送速度比并行通信要慢。,9.1.2 串行通信的基本知识,1.串行通信中数据的传输方向 串行传送方式有单工方式、半双工方式和全双工方式。 （1）单工方式 信号(不包括联络信号) 在信道中只能沿一个方向传送，而不能沿相反方向传送的工作方式称为单工方式，单工方式如图9-2所示。,（2）半双工方式 通信的双方均具有发送和接收信息的能力，信道也具有双向传输性能。但是通信的任何一方都不能同时既发送信息又接收信息，即在指定的时刻，只能沿某一个方向传送信息。这样的传送方式称为半双工方式，半双工方式如图9-3所示。,图9-2 单工方式,图9-3 半双工方式,（3）全双工方式 若信号在通信双方之间沿两个方向同时传送，任何一方在同一时刻既能发送又能接收信息，这样的方式称为全双工方式，全双工方式如图9-4所示。,按照串行数据的时钟控制方式,串行通信可分为同步传输

3、和异步传输两类。 1.同步传输 同步传输用来对数据块进行传输，一个数据块中包含着许多连续的字符，在字符之间没有空闲。同步传输可以方便地实现某一通信协议要求的帧格式。,图9-4 全双工方式,9.1.3 串行通信的传输方式,2.异步传输 异步传输以字符为单位进行数据传输，每个字符都用起始位、停止位包装起来，在字符间允许有长短不一的间隙。在异步通信中，数据通常是以字符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，每一帧数据是低位在前，高位在后，通过传输线被接收端一帧一帧地接收。发送端和接收端由各自独立的时钟来控制数据的发送和接收，这两个时钟彼此独立，互不同步。 在单片微机中使用的串行通信都是异步方式。异步传输必须掌握两个基本概念：通信协议字符格式和波特率。异步串行通信的字符格式如图9-5所示。,图9-5 异步串行通信的字符格式,（1）起始位 开始一个字符的传送的标志位。起始位使数据线处于“0”状态。 （2）数据位 起始位之后传送的数据信号位。在数据位中，低位在前（左）高位在后（右）。由于字符编码方式的不同，数据位可以是5位、6位、7位或8位。 （3）奇偶效验位 用于对字符的传送作正确

4、性检查，因此奇偶效验位是可选择的，共有3种可能，即奇效验、偶效验和无效验，由用户根据需要选定。 （4）停止位 用以标志一个字符的结束，它对应于“1”状态。停止位在一帧的最后，它可能是1位、1.5位或2位，在实际中根据需要确定。 （5）位时间 每个格式位的时间宽度。 （6）帧（frame） 从起始位开始到停止位结束的全部内容称之为一帧。帧是一个字符的完整通信格式，因此也就把串行通信的字符格式称之为帧格式。 3.波特率 波特率指数据的传送速率，表示每秒传送二进制数据的位数，它的单位为bit/s，波特率表示了数据通信的快慢。比如1s传送1位，就是1波特，即1波特1bit/s。,假设数据传送速率为120字符每秒，而每个字符包含10位（1位起始位、8位数据、1位停止位），这时传送的波特率为 10bit/字符120字符/s1200bit/s 异步串行通信的波特率一般设置在5019200bit/s之间。 波特率用于表征数据传输的速度，波特率越高，数据传输速度越快。但波特率和字符的实际传输速率不同，字符的实际传输速率是每秒内所传字符帧的帧数，和字符帧格式有关。 串行通信常用的标准波特率在RS-232C

5、标准中已有规定，如波特率为600bit/s、1200bit/s、2400bit/s、4800bit/s、9600bit/s、19200bit/s 每一位数据传送的时间为波特率的倒数： T11200s0.833ms,9.2 80C51串口及控制,9.2.1 80C51串口结构,串行数据通信主要有两个技术问题，一个是数据传送，另一个是数据转换。80C51中的串口是一个全双工的异步串行通信接口，它可作UART（通用异步接收和发送器）用，也可作同步移位寄存器用。80C51串口基本结构如图96所示。,图9-6 80C51串口基本结构,由图9-6可知，单片机串行通信实际上是依据数字电路中移位寄存器的工作原理构成，它利用输出移位寄存器实现并-串转换发送数据，利用输入移位寄存器实现串-并转换接收数据。,1.数据发送 要发送的数据首先送到发送缓冲器SBUF中，该步骤可以通过写发送SBUF指令“MOV SBUF,A”实现。同时发送SBUF得到要发送的数据后，依据约定的通信协议自动加入附加的控制信息，如起始位、停止位等，并将组合后的控制信息和数据自动装载到输出移位寄存器中，在移位时钟的作用下，将组合后的控制

6、信息和数据依次逐位发送出去，发送完后，置发送完成标志TI为1 。 2.数据接收 先置允许接收标志REN（SCON.4）为1，允许接收器接收，同时检测到RXD引脚由高电平1跳变到低电平0时，输入移位寄存器依据约定的通信协议在移位时钟的控制下依次移入接收到的数据（含控制信息和数据），一帧接收完后，自动装入接收SBUF中，在接收SBUF中自动去除控制信息，得到接收的数据，同时置位接收标志RI，向中断系统提出接收中断申请。单片机利用中断系统或查询得知接收到数据后，执行读接收SBUF指令“MOV A,SBUF”，将接收的数据读入累加器A中。,3.移位时钟的获取 由以上分析可知，串行通信主要利用数字电路中移位寄存器的工作原理构成，而移位寄存器需要移位时钟来控制数据移位的速度，即波特率。由图9-6可知，串行通信的移位时钟由单片机内部定时器T1产生，具体产生过程如下：T1溢出率经16分频后直接输出（SMOD=1）或再2分频（SMOD=0）作为移位时钟，因此串行通信的波特率主要由T1的溢出率和SMOD值决定。,9.2.2 80C51串口控制,单片机的串口是可编程的，结构图中的SMOD等电子开关的选择都需

7、要通过将控制字写入预定的特殊功能寄存器SCON（串口控制寄存器）和PCON（电源控制寄存器）来实现的。下面分别对这两个寄存器进行介绍，以便为串口的编程打下基础。 1.串口状态控制寄存器 SCON 串口状态控制寄存器SCON用来控制串行通信的方式选择、接收，指示串口的中断状态。寄存器SCON既可字节寻址也可位寻址，字节地址为98H，位地址为98H9FH。其格式如下：,其格式如下：,各位的意义如下： SM0(SCON.7)、SM1(SCON.6):串口工作方式选择位。串口工作方式设置见表9-1。,表9-1串口工作方式设置,SM2(SCON.5):允许方式2、3中的多处理机通信位。 方式0时，SM20。 方式1时，若SM2l，只有接收到有效的停止位，接收中断RI才置1。而当SM20时，则不论接收到的笫九位数据是“0”或“1”，都将前8位数据装入SBUF中，并申请中断。,方式2和方式3时，若SM21，则只有当接收到的第9位数据（RB8）为1时，才将接收到的前八位数据送入缓冲器SBUF中，并把RI置1、同时向CPU申请中断；如果接收到的第9位数据（RB8）为0，RI置0，将接收到的前八位数据丢弃

8、。这种功能可用于多处理机通信中。 主要用于方式2和方式3（含9位数据）。如果设置接收机的SM21，则接收机允许多机通信。多机通信协议规定如下： 1）当单片机工作在方式2和方式3，并且SM2=1时，如果第9位数据为1，说明本帧为地址帧，如果第9位数据为0，说明本帧为数据帧。 2）如果SM2=0，接收一帧数据后，不管第9位是1还是0，即不管是地址还是数据，都将接收的数据送SBUF中，并置接收标志RI为1，提出接收中断申请。 多机通信过程如下： 1）当一片单片机（称为主机）与多片单片机（称为分机，每个分机预先定义一个地址，即机号）进行多机通信时，先将所有的从机SM2置为1。 2）当主机要和某分机(如1号机)通信时，先发送一个地址帧，即该从机的机号（如1号机），并使第9位（TB8）为1（表示地址）。,3）由于所有从机的SM21，所以所有的从机都接收数据，并且每接收一个数据，就判断该数据的第9位（RB8）是否为1，如果为1，表明该数据是地址，再判断该地址是否是本机地址，如果是，表明主机将要和本机通信，将本机的SM2设为0，作好接收数据准备；如果RB80，表明是数据，本机对该数据不予理睬。由以上分

9、析可知，只有1号从机经地址比较后匹配，将SM2设置为0，作好接收数据准备，其他分机由于地址不匹配，SM2保持为1。此时主机和1号分机就建立了通信联系。 4）主机继续发送数据，并设置TB8为0（表明是数据），此时由于1号机的SM20，不管接收到的数据第9位是1还是0，都将数据接收下来送SBUF，而其他分机由于SM2=1，数据接收后还要判断接收到的数据第9位是1还是0，由于第9位为0，对该数据不予理睬。所以只有主机和1号机之间进行通信。 REN(SCON.4):允许串行接收位。 REN1时，允许串行接收；REN0时，禁止串行接收。用软件置位清除。 TB8(SCON.3):方式2和方式3中要发送的第9位数据。 在通信协议中，常规定TB8作为奇偶校验位。在80C51多机通信中，TB8用来表示数据帧是地址帧还是数据帧。用软件置位清除。,RB8(SCON.2):方式2和方式3中接收到的第9位数据。方式1中接收到的是停止位。方式0中不使用这一位。 TI（SCON1）:发送中断标志位。 方式 0中，在发送第 8位末尾置位；在其他方式时，在发送停止位开始时设置。 由硬件置位，用软件清除。 RI（SCON0）:接收中断标志位。 方式 0中，在接收第 8位末尾置位；在其他方式时，在接收停止位中间设置。由硬件置位，用软件清除。在中断系统中，发送标志TI和接收标志RI共用同一个中断源，CPU事先并不知产生的串口中断是由发送标志TI还是接收标志RI引起，所以在全双工通信中，必须由软件来判别。 系统复位后，SCON中所有位都被清除。 电源控制寄存器 PCON 电源控制寄存器PCON仅有几位有定义，其中最高位SMOD与串口控制有关，其他位与掉电方式有关。寄存器PCON的地址为87H，只能字节寻址。其格式如下：,SMOD(PCON.7):串行通信波特率系数控制位。 当SMOD1时，使波特率加倍。复位后，SMOD0。 串行数据寄存器SBUF 串行数据寄存器SBUF包含在物理上是隔离的两个8位寄存器：发送数据寄存器和接收数据寄存器，但是它们共用一个地址99H。 读“SBUF（MOV A，SBUF）”，访问接收数据寄存器。 写“SBUF（MOV SBUF，A）”，访问发送数据寄存器。,9.3串口的工作方式,9.3.1

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