《单片机原理及应用》第七章 89C51串行口及串行通信技术

IBM-PC相同。
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图7-5
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图7-6
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2）设备同步
• 进行串行通信的两台设备必须同步工作才能有效地检测通 信线路上的信号变化，从而采样传送数据的脉冲。
• 设备同步对通信双方有两个共同要求：
➢通信双方必须采用统一的编码方法；
➢通信双方必须能产生相同的传送速率。
• 采用统一的编码方法确定了一个字符二进制表示值的位发 送顺序和位串长度，当然还包括统一的逻辑电平规定，即 电平信号高低与逻辑1和逻辑0的固定对应关系。
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同步通信
• 同步字符的插入可以是单同步字符方式或双同步字符方式， 然后是连续的数据块。同步字符可以由用户约定，也可采 用ASCII码中规定的SYNC代码，即16H。按同步方式通 信时，先发送同步字符，接收方检测到同步字符后，即准 备接收数据。
• 在同步传送时，要求用时钟来实现发送端与接收端之间的 同步。为了保证接收正确无误，发送方除了传送数据外， 还要同时传送时钟信号。
• 在方式2或方式3中，根据发送数据的需要由软件置位或复 位。
• 在许多通信协议中可用作奇偶校验位，也可在多机通信中作 为发送地址帧或数据帧的标志位。对于后者，TB8＝1，说 明该帧数据为地址；TB8＝0，说明该帧数据为数据字节。
• 起始位（0）信号只占一位，用来通知接收设备一个待接收的字符开始 到达。线路上在不传送字符时应保持为1。接收端不断检测线路的状态， 若连续为1以后又测到一个0，就知道发来一个新字符，应马上准备接 收。字符的起始位还被用作同步接收端的时钟，以保证以后的接收能 正确进行。
• 起始位后面紧接着是数据位，它可以是5位（D0-D4）、6位、7位或8 位（D0-D7）。若所传字符为ASCII码，则常取7位。
• 对于发送缓冲器，因为发送时CPU是主动的，不会产生重叠错误，一般不 需要用双缓冲器结构来保持最大传送速率。
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串行口控制字及控制寄存器
• 89C51串行口是可编程接口，对它初始化编程只用两个控 制字分别写入特殊功能寄存器SCON（98H）和电源控制 寄存器PCON（87H）中即可。
（1）SCON（98H） • 89C51串行通信的方式选择、接收和发送控制以及串行口
• 在计算机串行发送数据之前，计算机内部的并行数据被送 入移位寄存器并一位一位地输出，将并行数据转换成串行 数据。如图7-5所示。
• 在接收数据时，来自通信线路的串行数据被压入移位寄存 器，满8位后并行送到计算机内部。如图7-6所示。
• 在串行通信控制电路中，串--并、并--串转换逻辑被集成
在串行异步通信控制器芯片中。89C51单片机的串行口和
全双工配置是一对单向配置，它要求两端的通信设备都具 有完整和独立的发送和接受能力。
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串行通信中的数据传送方式
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异步通信和同步通信
• 串行通信有两种基本通信方式，即异步通信和同步通信。
异步通信
• 在异步通信中，数据是一帧一帧（包括一个字符代码或一 字节数据）传送的。
• 在帧格式中，一个字符由四个部分组成：起始位、数据位、 奇偶校验位和停止位。首先是一个起始位（0），然后是 5~8位数据（规定：低位在前，高位在后），接下来是奇 偶校验位（可省略），最后是停止位（1）。
• 通信方式有两种，即并行通信和串行通信。
• 通常根据信息传送的距离决定采用哪种通信方式。
例如，PC机与外部设备（如打印机等）通信时，如果距 离小于30 m，可采用并行通信方式；当距离大于30 m时， 则要采用串行通信方式。89C51单片机具有并行和串行二 种基本通信方式。
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并行通信
• 并行通信是指数据的各 位同时进行传送（发送 或接收）的通信方式。
行发送和接收数据。 • 它可以作UART（通用异步接收和发送器）用，也可以作
同步移位寄存器用。 • 使用串行接口可以实现89C51单片机系统之间点对点的单
机通信和89C51与系统机（如IBM-PC机等）的单机或多 机通信。
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串行口结构
• 89C51通过引脚RXD（P3.0，串行数据接收端）和引脚 TXD（P3.1，串行数据发送端）与外界进行通信。有两个 物理独立的接收、发送缓冲器SBUF，它们占用同一地址 99H，可同时发送、接收数据。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。
的状态标志等均由特殊功能寄存器SCON控制和指示。
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串行口控制寄存器SCON
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SCON（98H）
• ①SM0和SM1（SCON.7，SCON.6）——串行口工作方 式选择位。两个选择位对应4种通信方式，如下表所示。 其中，fosc是M1 0 1 0 1
工作方式 方式0 方式1 方式2 方式3
的起始位。若停止位以后不是紧接着传送下一个字符，则使线路电平
保持为高电平（逻辑1）。
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同步通信
• 同步通信中，在数据开始传送前用同步字符来指示（常约 定1个--2个），并由时钟来实现发送端和接收端同步，即 检测到规定的同步字符后，下面就连续按顺序传送数据， 直到通信告一段落。
• 同步传送时，字符与字符之间没有间隙，也不用起始位和 停止位，仅在数据块开始时用同步字符SYNC来指示。
题： 1）串←→并转换，即如何把要发送的并行数据串行化，把
接收的串行数据并行化； 2）设备同步，即发送设备与接收设备的工作节拍同步，以
确保发送数据在接收端被正确读出。
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1、串←→并转换与设备同步
1）串←→并转换
串行通信是将计算机内部的并行数据转换成串行数据，将 其通过一根通信线传送；并将接收的串行数据再转换成并 行数据送到计算机中。
• 各个从机根据收到的第9位数据（RB8中）的值来决定从机可否再接 收主机的信息。若（RB8）＝0，说明是数据帧，则使接收中断标志 位RI＝0，信息丢失；若（RB8）＝1，说明是地址帧，数据装入 SBUF并置RI＝1，中断所有从机，被寻址的目标从机清除SM2以接 收主机发来的一帧数据。其他从机仍然保持SM2＝1。
• 串行发送与接收的速率与移位时钟同步。89C51用定时器 T1作为串行通信的波特率发生器，T1溢出率经2分频（或 不分频）后又经16分频作为串行发送或接收的移位脉冲。 移位脉冲的速率即是波特率。
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串行口结构
串行口内部结构示意简图
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• 从图中可看出，接收器是双缓冲结构，在前一个字节被从接收缓冲器 SBUF读出之前，第二个字节即开始被接收（串行输入至移位寄存器）， 但是，在第二个字节接收完毕而前一个字节CPU未读取时，会丢失前一个 字节。（出现溢出错误）
• 优点：传送速度快； • 缺点：数据有多少位，
就需要多少根传送线。 • 例如，右图89C51单片
机与外部设备之间的数 据传送就属于并行通信。
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串行通信
• 串行通信指数据是一位(bit)一位按顺序传送的通信方式。 • 优点：只需一对传输线（利用电话线就可作为传输线），
大大降低了传送成本，特别适用于远距离通信； • 缺点：传送速度较低。假设并行传送N位数据所需时间为T，
• 同步传送可以提高传输速率（达56kb/s或更高），但硬件 比较复杂。
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波特率（Baud rate）
• 波特率，即数据传送速率，表示每秒钟传送二进制代码的位 数，它的单位是b/s (bits per second)。
• 假设数据传送速率是120字符/s，而每个字符包含的代码位有： 1个起始位、8个数据位、1个停止位。这时，传送的波特率 为：
• 串行口的发送和接收都是以特殊功能寄存器SBUF的名义进行读或写的。 当向SBUF发“写”命令时（执行“MOV SBUF,A”指令），即是向发送 缓冲器SBUF装载并开始由TXD引脚向外发送一帧数据，发送完便使发送 中断标志位TI=1。
• 在满足串行口接收中断标志位RI（SCON.0）=0的条件下，置允许接收位 REN（SCON.4）=1就会接收一帧数据进入移位寄存器，并装载到接收 SBUF中，同时使RI=1。当发读SBUF命令时（执行“MOV A,SBUF”命 令），便由接收缓冲器（SBUF）取出信息通过89C51内部总线送CPU。
第 N +1个 字 符
停起
数 据 位
校停
起
止始
验止
始
位位D 0 D 1 D 2 D 3 D 4 D 5 D 6 D 7 位 位 空 闲 位 位 数 据 位
1 0 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 1 1 1 1 0 … …
(b)有空闲位
异步通信数据格式
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• 异步串行通信协议
• 奇偶校验（D8）只占一位，但在字符中也可以规定不用奇偶校验位， 则这一位可省去。也可用这一位（1/0）来确定这一帧中的字符所代表 信息的性质（地址/数据等）。
• 停止位用来表征字符的结束，它一定是高电位（逻辑1）。停止位可以
是1位、1.5位或2位。接收端收到停止位后，知道上一字符已传送完毕，
同时，也为接收下一个字符做好准备。只要再接收到0，就是新的字符
那么串行传送的时间至少为NT，实际上总是大于NT。
接收设备
D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 发送设备
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串行通信的传输方式
• 串行通信的传输方式通常有三种： ➢ 单向（或单工）方式，只允许数据向一个方向传送； ➢ 半双向（或半双工）方式，允许数据向两个方向中的任一
方向传送，但每次只能有一个站点发送； ➢ 全双向（或全双工）方式，允许同时双向传送数据，因此，
• 通信双方只有产生相同的传送速率，才能确保设备同步， 这就要求发送设备和接收设备采用相同频率的时钟。发送 设备在统一的时钟脉冲上发出数据，接收设备才能正确检 测出与时钟脉冲同步的数据信息。