【正文】 單 片 機 技 術(shù) 與 應(yīng) 用 實 踐 第 7章 單片機串行接口 串行接口通信概述 常用的串行通信總線 MCS51單片機之間的通信 實 踐 訓 練 單片機技術(shù)與應(yīng)用實踐 串行接口通信概述 串行通信基礎(chǔ)及基本概念 1．并行通信和串行通信 并行通信，即數(shù)據(jù)的各位同時傳送；串行通信，即數(shù)據(jù)一位一位順序傳送。上述兩種基本通信方式比較起來，串行通信能夠節(jié)省傳輸線，特別是數(shù)據(jù)位數(shù)很多和遠距離數(shù)據(jù)傳送時，這一優(yōu)點更為突出；串行通信方式的主要缺點是傳送速度比并行通信要慢，如圖 71所示。 圖 71 兩種通信方式的示意圖 2．串行通信中的數(shù)據(jù)傳輸方向 在串行通信中數(shù)據(jù)是在兩個站之間進行傳送的。按照數(shù)據(jù)傳送方向，串行通信可分為單工、半雙工和全雙工 3種制式。在單工制式下，通信線的一端接發(fā)送器，另一端接接收器，數(shù)據(jù)只能按照一個固定的方向傳送，如圖 72(a)所示。 在半雙工制式下，系統(tǒng)的每個通信設(shè)備都由一個發(fā)送器和一個接收器組成，如圖 72(b)所示。在這種制式下，數(shù)據(jù)能從 A站傳送到 B站，也可以從 B站傳送到 A站，但是不能同時在兩個方向上傳送，即只能一端發(fā)送一端接收。其收、發(fā)開關(guān)一般是由軟件控制的電子開關(guān)。全雙工通信系統(tǒng)的每端都有發(fā)送器和接收器，可以同時發(fā)送和接收，即數(shù)據(jù)可以在兩個方向上同時傳送，如圖 72(c)所示。 圖 72 單工、半雙工和全雙工 3種制式示意圖 3．同步通信和異步通信 同步通信的基本特征是發(fā)送和接收保持嚴格同步。由于 8051單片機沒有同步串行通信的方式，這里不詳介紹。 在異步通信中，數(shù)據(jù)通常是以字符為單位組成字符幀傳送的。字符幀由發(fā)送端一幀一幀地發(fā)送，每一幀數(shù)據(jù)是低位在前，高位在后，通過傳輸線被接收端一幀一幀地接收。發(fā)送端和接收端可以由各自獨立的時鐘來控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，這兩個時鐘彼此獨立，互不同步。在異步通信中，接收端是依靠字符幀格式來判斷發(fā)送端是何時開始發(fā)送何時結(jié)束發(fā)送的。字符幀格式是異步通信的一個重要指標。字符幀也叫數(shù)據(jù)幀，由起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗位和停止位等 4部分組成，如圖 73所示。 圖 73 異步通信的字符幀格式 (1)起始位：位于字符幀開頭，只占一位，為邏輯 0低電平，用于向接收設(shè)備表示發(fā)送端開始發(fā)送的一幀信息。 (2)數(shù)據(jù)位：緊跟起始位之后，用戶根據(jù)情況可取 5位、 6位、 7位或 8位，低位在前高位在后。 (3)奇偶校驗位：位于數(shù)據(jù)位之后，僅占一位，用來表征串行通信中采用奇校驗還是偶校驗，由用戶決定。 (4)停止位：位于字符幀最后，為邏輯 1高電平。通?？扇?1位、 2位，用于向接收端表示一幀字符信息已經(jīng)發(fā)送完，也為發(fā)送下一幀作準備。 另外，異步通信的另一個重要指標為波特率。波特率為每秒鐘傳送二進制數(shù)碼的位數(shù)，也叫比特數(shù)，單位為 bit/s，即位 /秒。波特率用于表征數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣龋ㄌ芈试礁?，?shù)據(jù)傳輸速度越快。但波特率和字符的實際傳輸速率不同，字符的實際傳輸速率是每秒內(nèi)所傳字符幀的幀數(shù)，與字符幀格式有關(guān)。通常，異步通信的波特率為 50～ 9600bit/s。異步通信的優(yōu)點是不需要傳送同步時鐘，字符幀長度不受限制，故設(shè)備簡單；缺點是字符幀中因包含起始位和停止位而降低了有效數(shù)據(jù)的傳輸速率。 MCS51單片機串行口結(jié)構(gòu) 8051單片機內(nèi)部集成有一個功能很強的全雙工串行通信口，設(shè)有兩個相互獨立的接收、發(fā)送緩沖器，可以同時接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。 8051單片機通過引腳 RXD(，串行數(shù)據(jù)接收端 )和引腳 TXD(，串行數(shù)據(jù)發(fā)送端 )與外界通信。圖 74所示是內(nèi)部串行口的結(jié)構(gòu)。 圖 74 串行口結(jié)構(gòu)示意圖 1．串行口緩沖寄存器 SBUF SBUF是串行口緩沖寄存器，包括發(fā)送寄存器和接收寄存器。它們有相同的名字和地址空間 (都為 99H)，但不會發(fā)生沖突，因為它們兩個中一個只能被CPU讀出數(shù)據(jù)，另一個只能被 CPU寫入數(shù)據(jù)。 2．串行口控制寄存器 SCON 它用于定義串行口的工作方式及實施接收和發(fā)送控制。字節(jié)地址為 98H，其格式如圖 75所示。 圖 75 SCON的各位定義 ? SM0、 SM1：串行口工作方式選擇位，其定義如表 71所示 (其中 fOSC為晶振頻率 )。 表 71 串行口工作方式 ? SM2：多機通信控制位。在方式 0時， SM2一定要等于 0。在方式 1中，當 (SM2)=1則只有接收到有效停止位時， RI才置 1。在方式 2或方式 3中，當 (SM2)=1且接收到的第9位數(shù)據(jù) RB8=0時， RI才置 1。 ? REN：接收允許控制位。由軟件置位以允許接收，又由軟件清 0來禁止接收。 ? TB8：是要發(fā)送數(shù)據(jù)的第 9位。在方式 2或方式 3中，要發(fā)送的第 9位數(shù)據(jù)，根據(jù)需要由軟件置 1或清 0。例如，可約定作為奇偶校驗位，或在多機通信中作為區(qū)別地址幀或數(shù)據(jù)幀的標志位。 ? RB8：接收到的數(shù)據(jù)的第 9位。在方式 0中不使用 RB8。在方式 1中，若 (SM2)=0，RB8為接收到的停止位。在方式 2或方式 3中， RB8為接收到的第 9位數(shù)據(jù)。 ? TI： 發(fā)送中斷標志。在方式 0中，第 8位發(fā)送結(jié)束時由硬件置位。在其他方式的發(fā)送停止位前，由硬件置位。 TI置位既表示一幀信息發(fā)送結(jié)束，同時也是申請中斷，可根據(jù)需要，用軟件查詢的方法獲得數(shù)據(jù)已發(fā)送完畢的信息，或用中斷的方式來發(fā)送下一個數(shù)據(jù)。 TI必須用軟件清 0。 ? RI：接收中斷標志位。工作在方式 0，當接收完第 8位數(shù)據(jù)后，由硬件置位。在其他方式中，在接收到停止位的中間時刻由硬件置位 (例外情況見 SM2的說明 )。 RI置位表示一幀數(shù)據(jù)接收完畢，可用查詢的方法獲知或者用中斷的方法獲知。 RI也必須用軟件清 0。 3．電源及波特率選擇寄存器 PCON PCON主要是為 CHMOS型單片機的電源控制而設(shè)置的專用寄存器，不可以位尋址，字節(jié)地址為 87H。在 HMOS的 8051單片機中， PCON除了最高位以外，其他位都是虛設(shè)的。其格式如圖 76所示。 圖 76 PCON的各位定義 與串行通信有關(guān)的只有 SMOD位。 SMOD為波特率選擇位。在方式方式 2和方式 3時，串行通信的波特率與 SMOD有關(guān)。當 SMOD=1時，通信波特率乘 2；當 SMOD=0時，波特率不變。其他各位用于電源管理，在此不再贅述。 串行接口的工作方式 MCS51的串行口有 4種工作方式，通過 SCON中的 SM SM0位來決定，現(xiàn)分述如下： 1．方式 0 在方式 0下，串行口作同步移位寄存器用，其波特率固定為 fOSC/12。串行數(shù)據(jù)從 RXD()端輸入或輸出，同步移位脈沖由 TXD()送出。這種方式常用于擴展 I/O口。 1)發(fā)送 當一個數(shù)據(jù)寫入串行口發(fā)送緩沖器 SBUF時，串行口將 8位數(shù)據(jù)以 fOSC/12的波特率從 RXD引腳輸出 (低位在前 )，發(fā)送完置中斷標志位 TI為 1，請求中斷。再次發(fā)送數(shù)據(jù)之前，必須由軟件清 TI為 0。具體接線如圖 77所示。其中74LS164為串入并出移位寄存器。 13 16 圖 77 方式 0用于擴展 I/O口輸出 圖 78 方式 0用于擴展 I/O口輸入 2) 接收 在滿足 REN=1和 RI=0的條件下，串行口即開始從 RXD端以 fOSC/12的波特率輸入數(shù)據(jù) (低位在前 )，當接收完 8位數(shù)據(jù)后，置中斷標志位 RI為 1，請求中斷。在再次接收數(shù)據(jù)之前，必須由軟件清 RI為 0。具體接線如圖 78所示。其中 74LS165為并入串出移位寄存器。 串行控制寄存器 SCON中的 TB8和 RB8在方式 0中未用。值得注意的是，每當發(fā)送或接收完 8位數(shù)據(jù)后，硬件會自動置 TI或 RI為 1， CPU響應(yīng) TI或 RI中斷后，必須由用戶用軟件清 0。另外工作在方式 0時， SM2必須為 0。 【 例 71】 利用兩片 74LS165擴展兩個 8位并行輸入端口。 解：擴展電路如圖 79所示。 74LS165是 8位并行輸入、串行輸出移位寄存器， RXD為串行輸入引腳，與 74LS165的串行輸出端相連； TXD為移位脈沖輸出端，與所有的74LS165芯片移位脈沖輸入端相連；用 1根 I/O線來控制移位與置位 。 圖 79 利用串行口擴展并行輸入口電路 以兩個 8位并行口讀入 10組字節(jié)數(shù)據(jù)，并把它們轉(zhuǎn)存到內(nèi)部 RAM數(shù)