第五章串行通信及其接口.pdf

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1、 第五章 串行通信及其接口 第五章 串行通信及其接口 教学内容 本章主要介绍串行通信的基本概念、51 单片机通信的接口电路设计及软件设计。主要内容有：串行通信的特点、数据传输方式，51 单片机的串口结构、控制方法，双机通信的硬件设计、软件设计，多机通信的原理及软件设计，单片机与 PC 机通信方法等。教学安排 安排 6 学时的理论教学学时，2 学时的实验课时。以多媒体授课为主。知识点及其基本要求 1 了解串行通信的特点，理解三种数据传输方式的特点：全双工，半双工，单工。了解异步通信与同步通信的区别；2 了解 51 单片机串口的物理结构，理解该串口的工作方式、控制方法，掌握 SCON 的控制方法，

2、能够根据波特率设置串口的工作方式、计算 T1 的时间常数，正确进行串口初始化；3 了解双机通信的基本过程，掌握常用串行通信接口标准，如 RS-232、RS-485，并熟悉相关的器件如 MC1488、1489 等。要求能进行简单的双机通信程序设计及电路设计。掌握单片机与PC 机的软件编程方法；4 了解多机通信的工作原理，能进行多机通信的软件设计；重点和难点 重点：1 串行通信的基本概念，波特率的计算；2 51 单片机的串口操作及初始化；3 双机通信的硬件及软件设计；难点：1 波特率的计算 2 多机通信中 SM2 位的作用及其与 TB8、RB8 的关系。7.1 概述 本节知识点：本节知识点：1 串

3、行通信的分类 按数据传输方式：单工、半双工、全双工。按传输的数据格式：异步、同步。2 常用的串行通信接口标准 RS-232、RS422/485、USB、IEE1394 教学要求：教学要求：1 要求学生掌握串行通信的两种分类方法，理解每种分类中的通信方式的特点；2 要求了解常有的几种串行通信接口标准，了解各种标准的物理特性及特点。1 基本概念?按数据传输方式分类 单工方式数据只能向一个方向传输，甲只能向乙发送数据信息。半双工方式允许数据两个方向传输，但不能同时传输，只能交替进行。因此可利用一根传送线进行两个相反方向的数据传送。甲发时，乙收；或乙发时，甲收。这种情况下，需要对数据的传输方向进行协调

4、。全双工方式数据可以同时往两个相反的方向传输。需要两条独立的数据通路分别传输两个相反方向的数据流。?按数据传输格式分类 两个设备之间进行串行数据通信，对于接收方式来说，什么时候开始接收数据，什么时候数据接收完毕，需要有方法来通知和协调收发双方，也就是同步问题。因而串行通信有两种方式：异步通信方式和同步通信方式。异步方式：它用一个起始位表示字符的开始，用停止位表示字符的结束。数据位则在起始位之后，停止位之前，这样构成一帧。2 常用串行通信接口标准?RS-232 RS-232 是 PC 机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。RS-232 被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。RS

5、-232 采取不平衡传输方式，即所谓单端通讯.0：+5+15V，1：在-5-15V 传送距离最大为约 15 米 最高速率为 20kb/s?RS-422/485 RS-422、RS-485 与 RS-232 不一样，数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输，它使用一对双绞线，将其中一线定义为 A，另一线定义为 B。1:A、B 电压差在+2+6V 0：A、B 电压差在-26V 在 RS-485 中还有一“使能”端，而在 RS-422 中这是可用可不用的。RS-422 的最大传输距离为 4000 英尺（约 1219 米），最大传输速率为 10Mb/s。其平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在 100k

6、b/s 速率以下，才可能达到最大传输距离。一般 100 米长的双绞线上所能获得的最大传输速率仅为 1Mb/s。RS-485 比 RS-422 有改进，总线上可多 32 个设备。?USB 通用串行总线 USB 特点：速度快，USB2.0 速度达 480MbpsM 接口数量无限：一个设备上如果有 USB 接口，那其它 USB 设备接到此口上和接到主机的 USB 接口上是一样的。USB 可连接 127 个周边设备，所以说是“无限的”。提供外设电源 具有即插即用的功能 具有热插拔功能 USB 外设可以带电插拔功能。传输距离 5m?IEEE1394 使用方便，支持热插拔，即插即用，无需设置设备 ID 号

7、，从 Win98 SE 以上版本的操作系统开始内置 IEEE1394 支持核心，无需驱动程序。数据传输速度快，IEEE1394a 高达 400Mbps，后续的 IEEE1394b 标准可将速度提升到800Mbps、1.6Gbps 甚至 3.2Gbps。自带供电线路，能提供 840V 可变电压，允许通过最大电流也达到 1.5A 左右，因此它能为耗电量要求小的设备进行供电。真正点对点连接(peertopeer)，设备间不分主从，可直接实现两台 DV 间的数据传输或是多台电脑共享一台 DV 机，而且从理论上讲我们可以直接将 IEEE1394 接口 DV 机中的图像数据保存到 IEEE1394 接口的

8、硬盘中。7.2 MCS-51的串行口 本节知识点：本节知识点：1 串行口的结构 三个寄存器 SBUF、SCON、PCON 各自的作用。2 串行口的四种工作方式 方式 0、1、2、3 的各自特点，发送接收时序。3 由波特率公式计算 T1 的时间常数 教学要求：教学要求：1 理解 SBUF 在通信过程中的作用；2 理解 SCON 中每一位的作用；理解 TI/RI 的作用，TB8/RB8 的两种作用；2 理解四种串行通信方式的各自特点以及应用场合；重点内容：重点内容：1 TI/RI 在通信过程中值的变化；2 通过 SCON 对串行通信的控制；3 通过波特率公式计算 T1 的时间常数。难点：难点：通过

9、波特率公式计算 T1 的时间常数。7.2.1 串行口的结构?串行口缓冲器串行口缓冲器 SBUF 单片机内部的串行口有两个物理上独立的接收、发送缓冲器 SBUF，可同时接收和发送数据。发送缓冲器只能写入不能读出，接收缓冲器只能读出不能写入。两个缓冲器占用同一个地址（99H）。?串行口控制寄存器串行口控制寄存器 SCON 该寄存器的字节地址为 98H，可位寻址。SCON 格式如下图所示。D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 SM0 SM1 SM2 REN TB8 RB8 TI RI SCON 位地址 9F 9E 9D 9C 9B 9A 99 98 图 5-2-1 SCON 格式 SM0、

10、SM1：控制串行口的工作方式，其功能详见串行口工作方式节。SM2：允许方式 2 和方式 3 进行多机通信控制位。REN：允许串行接收控制位。由软件置位时允许接收，由软件清零时禁止接收。TB8：是工作在方式 2 和方式 3 时要发送的第 9 位数据，根据需要由软件置位和复位。RB8：是工作在方式 2 和方式 3 时接收到的第 9 位数据。在方式 1，如果 SM2=0，RB8 是接收到的停止位。在方式 0，不使用 RB8。TI：发送中断标志位。由片内硬件在方式 0 串行发送第 8 位结束时置位，或在其他方式串行发送停止位的开始置位。必须由软件清零。RI：接收中断标志位。由片内硬件在方式 0 串行接

11、收到第 8 位结束时置位，或在其他方式串行接收到停止位的中间时置位。必须由软件清零。SCON 的所有位复位时都被清零。?特殊功能寄存器特殊功能寄存器 PCON 其字节地址为 87H，没有位寻址功能。PCON 的格式如图 7-2-2 所示，其中与串行接口有关的只有 D7 位：D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 PCON SMOD 图 5-2-2 PCON 格式 SMOD：波特率倍增位。当 SMOD=1 时，波特率加倍；当 SMOD=0 时，波特率不加倍。7.2.2 串行口的工作方式 串行接口的工作方式有四种，由 SCON 中的 SM0、SM1 定义。在这四种工作方式中，串行通信只使用

12、方式 1，方式 2，方式 3。方式 0 主要用于扩展并行口。1.方式 0 同步移位寄存器方式。用于扩展并行I/O接口。一帧8位，无起始位和停止位。RXD：数据输入/输出端。TXD：同步脉冲输出端，每个脉冲对应一个数据位。波特率B=fosc/12 如：fosc=12MHz，B=1MHz，每位数据占1s。发送过程：写入SBUF，启动发送，一帧发送结束，TI=1。接收过程：REN=1且RI=0，启动接收，一帧接收完毕，RI=1。2方式1 当 SCON 中的 SM0SM1=01 时，串行口以工作方式 1 工作，此时串行口为 8 位异步通信接口。一帧信息为 10 位：1 位起始位，8 位数据位（低位在先

13、）和一位停止位。TXD 为发送端，RXD 为接收端，波特率可变。一帧 10 位：8 位数据位，1 个起始位(0)，1 个停止位(1)。RXD：接收数据端。TXD：发送数据端。波特率：用 T1 作为波特率发生器，B=(2SMOD/32)T1 溢出率。发送：写入 SBUF，同时启动发送，一帧发送结束，TI=1。接收：REN=1，允许接收。接收完一帧，若 RI=0 且停止位为 1(或 SM2=0)，将接收数据装入 SBUF，停止位装入 RB8，并使 RI=1；否则丢弃接收数据，不置位 RI。3方式2、3 当 SM0SM1=10 时，串行口工作在方式 2，为 9 位异步通信口，发送和接收的一帧信息由1

14、1 位组成，即 1 位起始位、8 位数据位（低位在先）、1 位可编程位（第 9 位数据位）和 1 位停止位。发送时可编程位（TB8）根据需要设置为 0 或 1（TB8 既可作为多机通信中的地址数据标志位又可作为数据的奇偶校验位），接收时，可编程位被送入 SCON 中的 RB8。5.2.3 四种方式的波特率 方式 0 为固定波特率：BR=fosc/12 方式 2 可选两种波特率：BR=(2SMOD/64)fosc 方式 1、3 为可变波特率，用 T1 作波特率发生器。BR=(2SMOD/32)T1 溢出率 T1 溢出率=fosc/（12 （256-x)）串行口方式 1、3，根据波特率选择 T1

15、工作方式，计算时间常数。T1 选方式 2：TH1=X=28-(2SMOD fosc)/(1232BR)T1 选方式 1 用于低波特率，需考虑 T1 重装时间常数时间。重点是方式 1、2 两种方式的由波特率计算 T1 的时间常数。T1 溢出率的概念：定时器 T1 每秒钟的溢出次数。此处举例，计算 T1 的时间常数，设置 SCON 和定时器，完成串行通信初始化。例：设波特率为 1200bps，求定时器初值 X 大小并进行初始化（设 SMOD=0,fosc=12MHz）1200=（1/32）*（fosc/(12*(256-x)）X=E6H INITCOM:MOV TMOD,#20H MOV TH1,

16、#0E6H MOV TL1,#0E6H MOV PCON,#00H MOV SCON,#50H SETB TR1 RET 73 串行口的控制 7.3.1 双机通信 本节知识点：1 双机通信的硬件设计 2 双机通信的软件设计 教学要求：1 能根据设计要求正确设计双机通信的电路；2 能根据设计要求完成串行通信的初始化；3 能完成简单的双机通信程序设计，具有数据发送、接收功能；重点内容：1 串口初始化 2 简单的双机通信程序设计 本节内容主要介绍单片机与单片机间的串行异步通信。由于 8031 串行口为全双工异步通信串行接口，因此当两个 8031 进行通信时，很容易连接。最简单的连接方法如图 7-3-

17、1，传输线为电缆或双绞线，但这样连接的距离不超过 1.5 米。若采用 RS232C 接口标准的话，传输距离最长可达 15 米，因此可根据通信距离远近采用下面两种接口电路。图 4-3-2 两台 8031 采用 RS232C 总线通信 通信约定：双方都采用串行通信方式，波特率为 9600（晶振为 11.059M），采用中断方式进行发送和接收数据。程序如下：8751-1 程序：BUFFER EQU 30H ；发送数据缓冲区 ECHOFLAG BIT 00H ；当发送与接收到的数据相同时此标志置 1 ERRFLAG BIT 01H ；当发送与接收到的数据不同时此标志置 1 ORG 0000H SJMP

18、 START ORG 0023H ；串行口中断输入口 SJMP UART1 ORG 0030H START：MOV TMOD，#20H；定时器 1 设置为方式 2，作波特率发生器 ANL PCON，#7FH MOV TH1，#0FDH；波特率为 9600 MOV TL1，#0FDH SETB TR1 MOV SCON，#50H；设置为串行方式 1 允许接收 MOV IE,#90H；允许串行口中断 MOV BUFFER，#00H；缓冲区清零 WAIT：MOV A，P1 CJNE A，BUFFER，SWCH SJMP WAIT SWCH：MOV BUFER，A TRAGIN：MOV SBUF，A；

19、发送数据 CLR ECHOFLAG CLR ERRFLAG WAITEO：JB ERRFLAG，TRAGIN JNB ECHOFLAG，WAITEO SJMP WAIT UART1：PUSH PSW PUSH ACC SETB RS0 CLR RS1 JBC RI,RCV1；判断是否为接收中断 CLR TI SJMP RETURN RCV1：MOV A，SBUF CJNE A，BUFFER，DATAER SETB ECHOFLAG SJMP RETURN DATAER：SETB ERRFLAG RETURN：POP ACC POP PSW RETI END 8751-2 程序：ORG 0000

20、H SJMP START ORG 0023H ；串行口中断输入口 SJMP UART1 ORG 0030H START：MOV TMOD，#20H；定时器 1 设置为方式 2，作波特率发生器 ANL PCON，#7FH MOV TH1，#0FDH；波特率为 9600 MOV TL1，#0FDH SETB TR1 MOV SCON，#50H；设置为串行方式 1 允许接收 MOV IE,#90H；允许串行口中断 LOOP：SJMP LOOP UART1：PUSH PSW PUSH ACC SETB RS0 CLR RS1 JBC RI，RCV1；判断是否为接收中断 CLR TI SJMP RETU

21、RN RCV1：MOV A，SBUF MOV P1，A MOV SBUF，A RETURN：POP ACC POP PSW RETI END 7.3.2 多机通信程序设计 本节知识点：本节知识点：1 串行口的结构 三个寄存器 SBUF、SCON、PCON 各自的作用。3 串行口的四种工作方式 方式 0、1、2、3 的各自特点，发送接收时序。3 由波特率公式计算 T1 的时间常数 教学要求：教学要求：1 理解 SBUF 在通信过程中的作用；2 理解 SCON 中每一位的作用；理解 TI/RI 的作用，TB8/RB8 的两种作用；3 理解四种串行通信方式的各自特点以及应用场合；重点内容：重点内容：

22、1 TI/RI 在通信过程中值的变化；2 通过 SCON 对串行通信的控制；3 通过波特率公式计算 T1 的时间常数。难点：难点：通过波特率公式计算 T1 的时间常数。典型应用：校园卡系统、智能楼宇、自动温控蔬菜大棚、大型粮库、工厂自动化典型应用：校园卡系统、智能楼宇、自动温控蔬菜大棚、大型粮库、工厂自动化 1 多机通信原理多机通信原理 串行口控制寄存器 SCON 中的 SM2 为多机通信接口控制位。串行口以方式 2 或 3 接收时，若 SM2 为 1，则仅当接收到的第 9 位数据 RB8 为 1 时，数据才装入 SBUF，置位 RI，请求 CPU对数据进行处理；如果接收到的第 9 位数据 R

23、B8 为 0，则不产生中断标志 RI，信息丢失，CPU不做任何处理。当 SM2 为 0 时，则接收到一个数据后，不管第 9 位数据 RB8 是 0 还是 1，都将数据装入接收缓冲器 SBUF 并置位中断标志 RI，请求 CPU 处理。在方式 2 或方式 3 中，每发送或接收一帧数据为 11 位：1 位起始位（0），8 位数据位，1位附加检验位和 1 位停止位（1）。其中附加的第 9 位数据，在发送端由串行控制器 SCON 中的TB8 产生，在接收端自动将该位传送到 SCON 中的 RB8。第 9 位数据由程序来设定为“0”或“1”，在 MCS-51 中利用了这一可控的第 9 位数据来分地址帧和

24、数据帧。在发送端或接收端，当第 9 位为“1”时，作为地址帧标志，当第 9 位为“0”则作为数据帧标志。在多机系统中作如下约定：每一前沿机均处于在线“听号”状态，它的串行控制寄存器 SCON中的 SM2 设置为“1”，当接收到一帧信息的第 9 位 RB8 为“1”时，各前沿机均发生接收中断，RB8 不为“1”时，则不产生中断，也即当接收到的第 9 位数据为“1”时，表示由主机发来的是一帧地址信息，为主机发出的一帧地址“呼号”，所有前沿机便发生中断，当某一前沿机发现所接收到的地址与本机地址相符时，则令其 SCON 中的 SM2 为“0”，并把本机地址发回以作应答，该前沿机便与主机连通，准备接收由

25、主机发来的命令或数据信息。主机在发送命令或数据帧信息时，由程序将第 9 位数据置为“0”，与此同时，其它的前沿机由于地址与本机不浮，它们的 SCON 中的 SM2 还为“1”，第 9 位为“0”时，均不会发生接收中断。只有另 SM2 为“0”的那号前沿机才能接收到数据，从而顺利地实现了地址帧和数据帧的分离，实现了单片机之间的多机通信。以教师点名回答问题为例讲解多机通信过程 2 多机通信系统设计多机通信系统设计 1）MCS-51多机通信系统硬件多机通信系统硬件 多机系统的构成有多种方式。以典型的主从式多机系统（1 个 MCS-51 单片机为主机，其它 MCS-51 单片机为从机）为例，如图 1

26、所示，阐述多机通信的程序设计。通信接口采用标准的 RS-485 通信接口。每个从机在网络中的具有唯一的站号。系统结构如下图所示。多机通信系统结构图 2)系统软件设计系统软件设计 设多机通信系统主从机晶振为 6MHz，波特率为 2400，均以方式 3 进行多机串行通信。每次通信时主机先发送对应的从机地址，然后发一个字节数据。复杂的通信协议将在教材第十章实例部分再介绍。?主机软件设计主机软件设计（1）初始化程序 INIT：MOV TMOD，#20H MOV TH1，#0F9H；设置波特率为 2400 MOV TL1，#0F9H MOV SCON，#0F0H；设置串行口为方式 3，SM2=1，允许接

27、收 SETB TR1 RET(2)通信子程序 COM：SETB TB8 ;地址标志 MOV SBUF,#ADDR1;发送要通信的从机地址 LOOP:JNB TI,LOOP ；等待地址发完 CLR TI CLR TB8 ;数据标志 MOV A,R0 ;取要发送的数据 MOV SBUF,A ;发数据 LOOP1:JNB TI,LOOP1 ；等待数据发完 CLR TI RET?从机软件设计从机软件设计(1)初始化程序 INIT:MOV TMOD，#20H MOV TH1，#0F9H；设置波特率为 2400 MOV TL1，#0F9H MOV SCON，#0F0H；设置串行口为方式 3，SM2=1，允

28、许接收 ANL PCON，#7FH SETB TR1 SETB ES ；允许串行口中断 SETB EA RS-485 接口 从机 0#主机 RS-485 接口 RS-485 接口 从机 1#RS-485 接口 从机 n#WAIT：SJMP WAIT；听号（2）串口中断服务通信程序 当接收到地址帧“呼号”且地址帧与本机地址相符时，要置 SM2 为 0 以便准备接收数据帧，同时需要将本机地址发回作为应答，建立与主机的联络。编程如下：SIO：CLR RI PUSH PSW ;现场保护 PUSH ACC MOV A，SBUF；接收串行数据 XRL A，#ADDR；判断是否与本机地址相符 JNZ BACK ；不相符则返回 CLR SM2 ；相符则 SM2 为 0 且发回本机地址 CLR ES ;关串口中断，避免中断嵌套 MOV A，SBUF;接收数据 WAIT：JNB RI，WAIT CLR RI MOV R0,A ;保存数据 SETB SM2 ;恢复多机通信，SETB ES ;开串口中断 BACK：POP ACC ;恢复现场 POP PSW RETI 作业：P140 第 6、9 题