单片机原理及应用 蔡启仲 第7章 串行通信及应用

7.2.1 串行口的结构
(1) 发送部分与接收部分独立控制，分开操作。 (2) 发送中断标志位TI与接收中断标志位RI单独产生，但共用一个 中断申请。 (3) 需要依赖于额外的波特率发生器。一般由单片机内部的定时器 T1产生。 (4) 具备两个在物理上相互独立的数据缓冲器：发送SBUF和接收 SBUF，但是两者的特殊功能寄存器字节地址相同。 (5) 发送部分：并行数据转换成串行数据通过TXD(P3.1)引脚发送； 接收部分通过RXD(P3.0)引脚接收串行数据，并将串行数据转换为并 行数据进行处理。 (6) 工作状态受SCON和PCON两个寄存器的配置决定。
端向接收端的数据传输要求，实现真正意义上的两个方向的数据同时
传送。从本质上看，全双工通信就是两个单工通信的组合体。
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7.2 51单片机串行口
51单片机内部有一个可编程的全双工串行通信接
口UART，可同时进行数据的发送和接收。 RXD端(P3.0)：作为串行数据接收端 TXD端(P3.1)：作为串行数据发送端
机器周期 写SBUF RXD 串行数据 TXD移位脉冲 TI中断标志位 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7
S1~S6 S1~S6
方式0发送时序图
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方式0接收 单片机的TXD引脚输出移位脉冲，RXD引脚输入串行数据。 串行口以固定的波特率(fOSC/12)采样RXD引脚的电平信息，执 行指令MOV A, SBUF读入数据。
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(4) TB8 — 发送的第9位数据 方式0和方式1中不使用TB8。 方式2和方式3中的TB8由软件置1或清0。发送的字符帧中，TB8即发送 的第9位数据。通信过程中，该位既可以作为奇偶校验位使用，也可以在多机 通信中作为声明地址帧/数据帧使用。 (5) RB8 — 接收到的第9位数据 方式0：不使用RB8。 方式1：如果SM2=0，则RB8存放的是已接收的停止位。 方式2和方式3：由接收到的第9位来决定RB8是“1”还是“0”。 (6) TI — 发送中断标志位 方式0：串行发送完第8位数据时TI由硬件置1。 方式1、2 、3：发送停止位开始时由硬件置1。 TI必须通过软件清0。 (7) RI — 接收中断标志位 方式0：串行接收完第8位数据时RI由硬件置1。 方式1、2 、3：接收停止位中间时刻由硬件置1。 RI必须通过软件清0。
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7.4 单片机串行口波特率 7.4.1波特率与字符传输速率 7.4.2 波特率的计算 7.5 串行口的应用 7.5.1 串行口扩展并行I/O口 7.5.2 双单片机异步串行通信 7.5.3 多机通信 7.5.4 RS-232总线及接口电路 习题
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7.1 数据通信的基本概念
串行通信是信息交换的一种基本通信方式， 与并行通 信对应。 常见应用较多的串行通信包括： I 2C SPI USB RS232 等。
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(b) 串行通信
7.1.2 根据同步方式分类
串行通信传输过程中，不可避免地存在一个同步问题。发送 端将数据以位的形式不断发送，接收端如何从这一串连续的位信 息流中正确的识别通信的开始与结束，这就归属为同步问题。
同步通信：面向比特(位)同步
通信方式特点：通信双方数据传输中， 一起开始，一起结束。同步的关键就 是发送或接收的时钟同步，通信双方 采用同频同相的同步时钟信号，以固 定的频率发送和接收数据。
固定(fOSC/12)
可变(波特率发生器) 固定(fOSC/32或fOSC/64) 可变(波特率发生器)
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7.3.1 方式0
方式0：同步移位寄存器输入/输出方式，一般不用做单片机间 的串行通信，而用作外部扩展移位寄存器实现串并转换，达到 扩展并行I/O口的目的。 方式0数据格式：一帧数据包括8位信息，按照先发送/接收
(a) 同步通信
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(b)异步通信
异步通信
异步通信中，字符帧具备一定的格式要求，发送或接收一个数据也是
以这种帧格式的形式进行，异步通信的字符帧一般包括起始位、数据位、
奇偶校验位和停止位4个部分。
起始位 1位 数据位 5~8位 奇偶校验辑“0”低电平有效，1位长度，表 示本字符帧的开始。 (2) 数据位：紧跟起始位之后，根据实际需求，可取5位、6位、7 位或8位，其中低位在前，高位在后。一般情况下，字符帧采用8位 数据位。 (3) 奇偶校验位：紧跟数据位之后，1位长度，可选用奇校验或偶 检验，由用户根据实际需要决定。 (4) 停止位：紧跟奇偶校验位之后，表示结束。逻辑“1”高电平 有效。停止位根据约定，可选择1位、1.5位、2位长度。
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7.2.2 串行口控制寄存器SCON
D7 SCON SM0 9FH D6 SM1 9EH D5 SM2 9DH D4 REN 9CH D3 TB8 9BH D2 RB8 9AH D1 TI 99H D0 RI 98H
(1) SM0和SM1 — 串行口工作方式选择位
SM0 0 0 1 1 SM1 0 1 0 1 工作方式 方式0 方式1 方式2 方式3 特点 同步移位寄存器 10位异步收发通信 11位异步收发通信 11位异步收发通信 波特率 固定(fOSC/12) 可变(波特率发生器) 固定(fOSC/32或fOSC/64) 可变(波特率发生器)
例7–1 采用异步通信方式连续发送字节数据“25H”(二进制 00100101B)，规定1位起始位，8位数据位，1位奇校验位，1位停 止位，组成11位的字符帧，无空闲位。 分析：奇校验，而待发送字节数据25H中“1”的个数为奇数，所以 此时奇偶校验位为“0”。
移位脉冲 TXD发送 第n-1字符帧 起始位 1 低 第n个字符帧 数据位 第n+1字符帧 奇校验位 停止位 0 1 0 0 1 0 0 0
高位在后，8位数据和1位停止位发送完成后，中断标志位TI硬 件置1，SEND失效 。
TX时钟 写SBUF SEND TXD TI标志位
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起始位
D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
机器周期 写SCON RXD 串行数据 TXD移位脉冲 RI中断标志位 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7
S1~S6 S1~S6
方式0接收时序图
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7.3.2 方式1
方式1：波特率可变的固定8位数据的通用异步通信方式 。 通信数据格式：字符帧包括1位起始位(低电平)，8位数据位、
1位停止位(高电平)，按照先发送/接收低位，后发送/接收高 位的顺序通信，波特率由具体的波特率发生器(定时器T1产 生)设置决定。
7.1.1 根据通信方式分类
D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 微处理器A GND
1 0 1 0 1 1 1 0
D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 微处理器B GND
0 1 1 TXD RXD
1
0 1 0 1 RXD TXD
微处理器A GND
微处理器B GND
(a) 并行通信
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(2) SM2 — 多机通信控制位
方式0：SM2必须配置为0。 方式1：发送时设置SM2无意义；接收时一般设置SM2=0，此时，不考 虑接收到的停止位电平状态。如果SM2=1，则只有收到有效的停止位时才能 置位RI=1，请求中断。 方式2和方式3：SM2的配置在接收状态下起重要作用。 SM2=1：只有接收到第9位数据(RB8)为1时，才可以将已接收的8位数 据送入SBUF，并置位RI=1，产生中断请求，等待接收完成的处理。若接收 到的第9位数据(RB8)为0时，则接收的8位数据不会送入SBUF，将被丢弃， 也不会置位RI。 SM2=0：不考虑接收到的第9位数据(RB8)状态，直接将已接收的8位数 据送入SBUF，并置位RI=1，产生中断请求，等待接收完成的处理。 (SM2被定义为多机通信控制位，主要是考虑多机通信协议的规定。) (3) REN — 允许接收控制位 REN=1：允许串行口接收数据。REN=0：禁止串行口接收数据。
形式：同步通信一般以信息块为 传输单位，因此又称为区块传输。同 步通信传输数据帧由同步字符块、数 据块、校验字符块、结束字符块等部 分组成。
异步通信：面向一个字符帧(也
称为数据帧) 的通信方式。 特点：发送字符时，发送端发送字 符帧之间时间间隔可以任意，接收端 时刻做好接收准备。每一帧的数据前 后设置控制字符，通信双方的时钟可 以彼此独立，但发送数据和接收数据 的传输速率必须一致。 形式：异步通信的字符帧一般包 括起始位、数据位、奇偶校验位和停 止位4个部分。
第7章 串行通信及应用
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第7章
目录
7.1 数据通信的基本概念 7.1.1根据通信方式分类 7.1.2根据同步方式分类 7.1.3根据数据传输方向分类 7.2 51单片机串行口 7.2.1 串行口的结构 7.2.2 串行口控制寄存器SCON 7.2.3 电源控制寄存器PCON 7.3 串行口工作方式 7.3.1 方式0 7.3.2 方式1 7.3.3 方式2和方式3
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7.2.1 串行口的结构
8 发送 SBUF (99H) 门 串 行 控 制 寄 存 器 SCON (98H) RXD(P3.0引脚) TXD(P3.1引脚)
发送控制器 波特 率发 生器 PCON 8 接收 SBUF (99H) 8 输入移位寄 存器 串行口中断 ≥1 TI RI 接收控制器
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数据以位(bit，比特)方式按顺 数据以组的方式在多条线路上 序分时进行收、发数据的通信 同时传输的通信方式。一般并 方式。并行数据发送前采用并 行通信按照字长组织传输，例 入串出的移位寄存器；串行数 通信方式的基本分类包括以下两种：并行通信和串行通信。 如51单片机的内部总线和外部 据接收后采用串入并出的移位 总线的并行通信一般以1个字 寄存器。 节为宽度进行。
异步通信发送25H波形图
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7.1.3 根据数据传输方向分类 按照数据传输的方向，串行通信可分为:
1. 单工通信 2. 半双工通信 3. 全双工通信
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发送
单向通道 现 实 等 效
接收
单向 单车道
单工通信
实现数据的单向传输，即数据通过单向通道，仅能实现由发送
端向接收端的传输，并且始终保持单一方向传送。
起始位
D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
停止位
方式0帧格式
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方式1发送 执行指令MOV SBUF, A，内部发送控制信号SEND有效， 按照设置的波特率，每经过一个TX发送时钟脉冲，产生一个 移位脉冲，驱动TXD引脚依次输出字符帧的各位信息。 TXD 引脚串行输出发送起始位、8位数据，1位停止位，低位在先，
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发送 接收
双向通道 现 实 等 效
发送 接收
双 向 单 车 道
等待
半双工通信
实现数据的分时双向传输，即数据通过双向通道，满足通信双 方发送端向接收端的数据传输，即在任一时刻，只能够传输一个方 向的数据。
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发送 接收 现 实 等 效 双 向 双 车 道
接收 发送
全双工通信
实现数据的双向同时传输，即数据通过双向通道，满足双方发送
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7.2.3 电源控制寄存器PCON
D7 PCON SMOD D6 D5 D4 D3 GF1 D2 GF0 D1 FD D0 IDL
PCON寄存器中与串行口工作相关的部分仅涉及SMOD位。 SMOD — 波特率倍增位 方式0：波特率固定模式，与SMOD无关。 方式1、2、3：串行通信的波特率受SMOD影响，与2SMOD 成正比关系。 SMOD=0：串行通信波特率在设定的基础上不倍增； SMOD=1：波特率在设定的基础上提高一倍。
低位，后发送/接收高位的顺序通信，波特率固定为fOSC/12。
D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7
方式0帧格式
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方式0发送
执行指令MOV SBUF, A，单片机的TXD引脚输出移位脉冲， RXD引脚输出串行数据。串行口将SBUF内数据(8位)以固定的波特
率(fOSC/12)按位从RXD引脚串行输出。
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7.3 串行口工作方式
单片机串行口根据实际需要，由SCON寄存器的SM0和 SM1组合设置为方式0、方式1、方式2和方式3四种工作方式。
SM0 SM1 工作方式 特点 波特率
0
0 1 1
0
1 0 1
方式0
方式1 方式2 方式3
同步移位寄存器
10位异步收发通信 11位异步收发通信 11位异步收发通信