第6章 串行通信接口

第6章 串行通信接口

一、串行数据通信基本原理

计算机的数据传送有并行和串行两种方式。并行传送的特点是：各数据位同时传送，传送速度快、效率高。但需要的数据线多，因此传送成本高。并行数据传送的距离通常小于30米。串行传送的特点是：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。串行数据传送的距离可以从几米到几千公里。

1. 异步串行通信的字符格式

异步串行数据通信以字符为单位，即一次传送一个字符。异步通信的数据格式为：

一帧信息 = 1位起始位（为低电平）+ 5－8位数据位（紧跟着起始位），表示要传送的有效数据（低位在前）+ 1位奇偶校验位（可有可无）+ 1、1.5或2位停止位（为高电平）。

从起始位开始到停止位结束的时间间隔称为一帧。就是一个字符的完整通信格式。因此也把串行通信的字符格式称为帧格式。

2. 串行通信的数据通路形式

串行数据通信有以下几种数据通路形式：

• 单工形式: A发,B接。
• 半双工形式: A发或接, B接或发。
• 全双工形式: A发、接，B接、发。

3. 串行通信的传送速率

传送速率用于说明数据传送的快慢。在串行通讯中，数据是按位进行传送的。因此，传送速度用每秒传送数据位数目来表示，称之为波特率（Baud），每秒传送一个数据位就是一波特。即：

1波特 = 1bps(位/秒）

常用的波特率有：75，110，300，600，1200，2400，4800，9600，19200。

4. 串行通信接口电路

串行数据通信中主要有两个技术问题：

• 数据传送：数据传送主要解决传送中的标准、格式及工作方式等问题
• 数据转换：数据转换是指数据的串并转换

串行接口电路基本组成逻辑框图如下：

串行输入 -> 并行输出
并行输入 -> 串行输出 
时钟、复位、控制信号 <-> 状态、控制信息

通用异步接收发送器（UART）是实现异步串行通信的常用接口，其他常见的异步串行通信接口还有：

• TTL电平直接连接
• RS-232C
• RS-422、RS-485
• 20mA电流环

二、MCS-51单片机串行口

MCS-51单片机片内有一个全双工串行口，既可以实现异步串行通信，还可以作为同步移位寄存器来使用。定时器T1可作为串行通信波特率发生器。

1. 串行口寄存器结构

MCS-51单片机串行口的基本结构如下：

TXD串行输出 <- 移位 <- SBUF发送寄存器
RXD串行输入 -> 移位 -> SBUF接收寄存器 -> RI接收中断  
时钟 -> 移位

SBUF是串行口的缓冲寄存器。它是一个可字节寻址的专用寄存器,其中包括发送寄存器（只能写）和接收寄存器（只能读）,以便能够以全双工方式进行通信，这两个寄存器共用一个地址（99H）。

例如：
启动发送：MOV SBUF，A ；SBUF←(A)
启动接收：MOV A，SBUF ；A←(SBUF)

2. 与串行通信有关的寄存器

与串行通信控制有关的专用寄存器有：

• SCON：串行控制，用来设定串行口的工作方式
• PCON：电源控制，可控制波特率。
• IE： 设置串行中断允许。

串行控制寄存器SCON（98H）格式如下：

SM0 SM1 SM2 REN TB8 RB8 TI RI

各位功能说明：

• SM0、SM1：串口工作方式选择位
  • 00 方式0: 同步移位寄存器,波特率固定。
  • 01 方式1：8位异步，波特率可变。
  • 10 方式2：9位异步，波特率固定。
  • 11 方式3：9位异步，波特率可变。
• SM2：多机通信控制位，主要用于方式2、3中。
• REN：允许串行接收,用软件置位或清除。
• TB8/RB8：
  在工作方式２、3中，TB8是发送的第九位数据，由软件置位（SETB TB8）或复位（CLR TB8）。在双机通信中，该位作为奇偶校验位；在多机通信中用来表示D7～D0是地址帧或数据帧。即：D8＝0：表示数据帧；D8＝1：表示地址帧。
  RB8：在工作方式２和３中，该位是接收到的第９位数据。
• TI：发送中断标志。在发送停止位之前，该位由硬件置位，申请中断，CPU响应中断后，可以发送下一帧数据。该位必须由软件清零。
• RI：接收中断标志。在接收到停止位的一半时，该位由硬件置位（还需考虑SM2的设定），申请中断，CPU响应中断后，可以接收下一帧数据。该位也必须由软件清零。

电源控制寄存器PCON（87H）格式如下:

SMOD - - - GF1 GF0 PD IDL

它主要是为CHMOS型单片机的电源控制而设置的。对HMOS型单片机，除了最高位（SMOD）之外，其它位都虚设的,SMOD是串行口波特率的倍增位。

当：SMOD＝1时，串行口波特率加倍。系统复位时，SMOD＝0。可由下列指令设置：

MOV PCON，#80H ；SMOD←1
MOV PCON，#00H ；SMOD←0  

3. 串行口的工作方式

(1) 方式0

方式0为同步移位寄存器方式。RXD端作为数据移位的入口或出口，TXD端提供移位时钟脉冲,移位数据的发送和接收以8位为一帧，不设起始位和停止位，低位在前高位在后，波特率是固定的，为fOSC/12。即一个机器周期移位一次。

功能：用作I/O口扩展。

(2) 方式1

方式1的帧格式为：1位起始位 + 8位数据位 + 1位停止位。

数据发送是由一条写发送寄存器（MOV SBUF，A）指令开始的。此后在串行口由硬件自动加入起始位和停止位，构成一个完整的帧格式。然后在移位脉冲的作用下，由TXD端串行输出。一个字符帧发送完后，使TXD端输出线维持高电平，并将TI置位，通知CPU可以发送下一个字符。

接收数据时，应使REN＝1。在此前提下，串行口采样RXD端，当采样到从1到0的跳变时，就认定是接收到了起始位。随后在移位脉冲的控制下，把接收到的数据位移入接收寄存器中。直到停止位到来之后把它送入到RB8中，并置位RI，通知CPU从SBUF取走接收到的一个字符。

方式1的波特率可变,由下式决定：

波特率 = (2^SMOD)/32 * (T1溢出率)
       = (2^SMOD)/32 * fOSC/(12*[256-X])  

其中：smod为PCON寄存器最高位的值,fOSC为晶振频率,X为当T1工作于方式2（8位自动加载）时的计数初值。实际使用时,总是先确定波特率,再计算T1的计数初值。即：

X = 256 - (2^SMOD) * fOSC/(384*波特率)

(3) 方式2和方式3

串行口工作在方式2、3时，为9位异步通信口，发送和接收１帧信息由11位组成，即：

1位起始位(0) + 8位数据位(D0～D7) + 1位可编程位(D8) + 1位停止位(1)

D8位既可作为奇偶校验位,也可作为控制位使用,其功能由用户来确定。发送时,可编程位D8(TB8)可设置为0（CLR TB8）或1（SETB TB8）。接收时,TB8送入SCON寄存器中RB8位。

方式2、3的区别是波特率设置不同：

• 方式2的波特率是固定的。即：波特率 = fosc/32或fosc/64
• 方式3的波特率是可变的。计算公式同方式1。

下表列出了一些常用的波特率与对应的时间常数设置：

利用串行口工作方式0可以方便地扩展I/O口。

三、串行口应用举例

例6-1 双机通信

设:甲机发送乙机接收，串行口工作在方式1，波特率为1200，fosc=11.0592MHz。

硬件连接如图：

甲 TXD ---> RXD 乙
   RXD <--- TXD

计算时间常数：T1作为波特率发生器，工作于方式2。由表1查得时间常数为E8H。

甲机发送程序：
甲机将内部RAM单元20H～3FH的32个字节的ASCII码数据，在最高位上加奇校验位后，由串行口TXD发送给乙机。即可采用8位异步通信。

START:  MOV TMOD,#20H       ;T1为方式2
        MOV TL1,#0E8H       ;时间常数低8位
        MOV TH1,#0E8H       ; 
        SETB TR1            ;启动T1工作
        MOV SCON,#01000000B ;串行口方式1   
        MOV R0,#20H         ;数据首地址   
        MOV R7,#32          ;32字节数据   

LOOP:   MOV A, @R0          ;取数据
        MOV C, P            ;置奇校验位
        CPL C   
        MOV ACC.7, C    
        MOV SBUF,A          ;启动发送

DONE:   JNB TI, DONE        ;等待发完一帧
        CLR TI              ;清TI,允许再发送
        INC R0              ;指向下一数据
        DJNZ R7, LOOP       ;未送完,送下一个数
        AJMP START          ;循环发送

乙机接收程序：
与甲机发送相呼应,接收器把接收到的32个字节数据存放在内部RAM的20H～3FH中,波特率与晶振频率同上。若奇校验出错,则置进位位1。
程序如下：

START:  MOV TMOD,#20H       ;T1方式2
        MOV TL1,#0E8H
        MOV TH1,#0E8H
        SETB TR1
        MOV R0,#20H
        MOV R7,#32

LOOP:   MOV SCON,#01010000B ;串行口方式1,能接收

DONE:   JNB RI,DONE         ;等待接收一帧
        CLR RI              ;清RI,再接收
        MOV A,SBUF          ;取数据
        JNB P, ERROR        ;校验错,转出错处理
        ANL A,#7FH          ;去掉奇校验位
        MOV @R0,A           ;奇校验正确,存数据
        INC R0              ;指向下一数据
        DJNZ R7,LOOP        ;数据块未接收完,循环
        AJMP START          ;循环接收

ERROR:  ...                 ;出错处理

多机通信

多机通信是指一个主机与多个从机之间进行通信。通常采用半双工方式，由主机轮流询问从机。主机发送的数据帧以11位传送，其中第9位为1表示是地址帧，为0表示是数据帧。

从机接收到主机发来的地址帧后，将自己的地址与之比较，若相同则做出响应，准备接收数据帧。否则不响应。

多机通信可以大大节省通信线路，适用于分布式数据采集等场合。