第8章单片机串行通信
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
一、串行口的内部结构 发送SBUF (99H)
输出移位寄存器
TXD P3.1
内 部 总 线
定 时 器 T1
发送控制器
串行中断 ≥1 TI RI
SCON 98H
接收控制器 接收SBUF (99H)
输入移位寄存器
波特率发生器
串 行 控 （制 寄 器 ）
RXD P3.0
15
51单片机通过引脚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。图中有两个物理上独立的接收、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，CPU写SBUF，一是更新发送寄存 器，同时启动串行数据发送；
10
3、RS-485 由于RS-232-C接口标准出现较早，难免有不足之处，主要是：（1） 接口的信号电平值较高，与TTL 电平不兼容。（2） 传输速率较低，在 异步传输时，波特率为20Kbps。（3） 抗噪声干扰性弱。 （4） 传输距 离有限。 于是就不断出现了一些新的接口标准，RS-485就是其中之一，它具 有以下特点：（1）接口电平与TTL电平兼容，可方便与TTL 电路连接。 （2） RS-485的数据最高传输速率为10Mbps 。（3） RS-485接口是采用 平衡驱动器和差分接收器的组合，抗噪声干扰性好。（4）最大传输距 离可达 3000米，另外RS-232-C接口在总线上只允许连接1个收发器， 即 单站能力。而RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器。即具 有多站能力, 可以利用RS-485构建设备网络。
采用标准的通信接口，本身具有一定的抗干扰能力，但是工业现场的 情况往往很恶劣，因而要根据具体情况进行选择。
RS232C：一般场合
RS422： 抗共模干扰信号比较强
光纤： 抗电磁干扰较强
9
1、RS-232C
最早用的最广泛的串行接口，采用+15V -15V 电平，负逻辑。主要 解决仪器设备与PC机的通信，属于点对点的通信。
接收缓冲器只能读出、不能写入。读SBUF，就是读接收寄存器。
串行控制寄存器SCON用以存放串行口的控制和状态信息。8XX51串行 口正是通过对上述专用寄存器的设置、检测与读取来管理串行通信的。 特殊功能寄存器PCON的最高位SMOD为串行口波特率的倍增控制位。 波特率发生器可以有两种选择： 1.定时器T1作波特率发生器，改变计数初值就可以改变串行通信的速率， 称为可变波特率。 2.以内部时钟的分频器作波特率发生器，因内部时钟频率一定，称为固 定波特率
7
六. 串行通信总线标准及接口 （一）通信线的连接 通信速率和通信距离这两个方面是相互制约的，降低通信速率，可 以提高通信距离，不同的通信距离，串行通信电路有不同的连接方法：
微机或其他设备 电 平 转 换 RXD TXD RXD TXD 电 平 转 换 RXD TXD GND
微机 RXD RXD TXD GND RXD TXD GND
16
二、串行通信的传送过程用下面简图说明 甲方（发送） 乙方（接收）
CPU
并 MOV SBUF , A 行 数 据 TI
11
三、RS－232C 美国电子工业协会（EIA）公布的一种异步通信标准。 RS232C标准是：
设备之间通信的距离不大于15米 最大传输速率20KB/S
采用负逻辑：“1” —— ―5V ∽ ―15V
“0” —— +5V ∽ + 15V 不带负载时输出电平：―25V ∽ +25V
输出短路电流：
10μF
PC机COM1或 COM2
Байду номын сангаасMAX232
C1=C2=C3=C4=C5= 1μF
图5.12 单片机和PC机的串行通信接口
14
8.2 MCS-51的串行口结构 51单片机有一个可编程的全双工异步串行通信接口，它可作异步串行 通信（UART）用，也可作同步移位寄存器，其帧格式可有8位、10位或l l 位，并能设置各种波特率，给使用者带来很大的灵活性。
四、 串行通信接口
串行接口通常分为两种类型：串行通信接口 和 串行扩展接口。 串行通信接口（Serial Communication Interface, SCI）是指设备之间 的互连接口，它们连接的距离比较长。如当代PC机的COM接口（COM1COM4）和USB接口。USB ( Universal Serial Bus,通用串行总线）是近几 年开发的新规范，它使得设备间的连接简单快捷，并且支持热插拔，易于扩 展，被广泛应用于PC 机和嵌入式系统上。 近年来推出有RS-422/423、RS-485等串行通信标准，其采用平衡通信 接口，即在发送端将TTL电平信号转换成差分信号输出，接收端将差分信号 变成TTL电平信号输入，大大提高了抗干扰能力，使通信距离增加到几十米 至上千米，并且增加了多点和双向通信的能力。
数据1 SYN字符1 SYN字符2 三、串行通信的功能
数据2
….
数据n
连续传送n 个数据
校验
在串行传输中，通信的双方都按通信协议进行，所谓通信协议就是通 信双方必须共同遵守的一种约定，约定包括数据的格式、同步的方式、传 送的步骤、检纠错方式及控制字符的定义等。 串行接口的基本任务就是：
4
1. 因为CPU发出的数据是字符数据，接口电路应能将这些数据根据不同通 信方式进行数据格式化的任务。 如自动生成起止方式的帧数据格式（异步方 式）或在待传送的数据块前加上同步字符（同步方式）等。 2. 在发送端，接口将CPU送来的并行信号转换成串行数据进行传送；而在 接收端，接口要将接收到串行数据变成并行数据送往CPU。 3. 接口应具备对数据传输率—波特率的选择控制能力，即自身有波特率发 生器。 4. 在发送时，对传送的数据自动生成校验位或校验码，在接收端能检查校 验位或校验码，以确定传送中是否有误码，并能自动将冗余码消除。 51系列单片机内有一个全双工的异步通信接口，通过对串行接口写控制 字可以选择其数据格 式，同时内部有波特率发生器，提供可选的波特率，来 完成双机通信或多机通信。 5
RS-232
4 13 R1IN MAX232 5 12 R1OUT 6 11 T1IN 10 T2IN 9 8
R2O UT
T2OUT 7 RS-232
MAX232 连线图 图8-5 MAX232 引脚和连线图
MAX232引脚图
13
MCS—51之间的双机通信
RXD
TXD GND RXD TXD GND
第八章
单片机串行通信
8.1 概 述 单片机应用于数据采集或工业控制时，往往作为前端机安装在工业现 场，远离主机，现场数据采用串行通信方式发往主机进行处理，以降低通 信成本，提高通信可靠性。如下图所示。
1
数据通信方式有两种：并行通信与串行通信。下面是两种通信方式的示意 图：
★并行通信： 所传送数据的各位同时发送或接收，数据有多少位就需 要多少根数据线。特点：速度快，成本高，适合近距离传输，如计算机 并口，打印机接口，8255 并口等。 ★串行通信：所传送数据的各位按顺序一位一位地发送或接收。只需一 根数据，一根地线，共2 根（如双向通信发送和接收各需1根数据线）。 特点：成本低，硬件简单，适合远距离通信，传输速度低。
最大负载电容:
< 0.5A
2500p
12
当计算机采用RS232标准时必须转换电平，MAX232 是EIA和TTL电 平转换芯片。内部具有电压提升电路，并有两路收发器。 TTL电平可以由专用集成电路转换成RS232C标准; 如: MC1488 或 75188 TTL RS232C MC1489 或 75189 RS232C TTL 由于MC1488需要采用±12V电源，一般在单片机通信中大量使用的 是只需要+5V电源、具有发送和接收的一体化芯片，如：MAX232、 ICL232、ADM202等。 MAX232的引脚和电路如下：
PC机上的COM1-COM4口使用的是RS-232C串行通信标准接口，本章 仅介绍RS-232C接口，其它接口可参考有关资料。
以上标准都有专用芯片实现通信协议，这些接口芯片称为收发器。 串行扩展接口是设备内部器件之间的互连接口，常用的串行扩展接口规 范有SPI、I2C等。串行扩展接口的芯片很多，可以根据需要选择。
2
通信的双方应该有一个约定，什么时候开始发送，什么时候发送完毕； 接收方收到的信息是否正确等，这就是通信协议。 串行通信的分类：同步串行通信和异步串行通信 一、异步通信： 异步串行通信一帧数据格式：一个起始位 “0”,表示字符的开始，然后 是5～8位数据即该字符的代码，规定低位在前，高位在后，接 下来是奇偶 校验位(可省略)，最后以停止位“1”表示字符的结束。 优点：硬件结构简单。 缺点：传输速度慢。
2、RS-449 RS-449标准的电器特性有两个标准，即平衡式的RS-422标准和非平 衡式的RS-423标准。这些标准在保持与RS-232C兼容的前提下重新定义 了信号电平，并改进了电路方式，以达到较高的传输速率和较大的传输 距离。 RS-422电气标准是平衡方式标准，它的发送器、接收器分别采用 平衡发送器和差动接收器，由于采用完全独立的双线平衡传输，抗串 扰能力大大增强。信号电平定义为±6伏的负逻辑。 RS-423电气标准是非平衡标准，它采用单端发送器(即非平衡发送 器)和差动接收器。虽然发送器与RS-232C标准相同，但由于接收器采 用差动方式，所以传输距离和速度仍比RS-232C有较大的提高。
+5V 1 μF 1μF C1 + C1C2+ V + V1 μF +10V -10V 1μF
C1+ V+ C1C2+ C2VR2IN
1 2 3
16
Vcc
15 GND 14 T1OUT
1μF TTL/CM OS TTL/CMOS
C2- MAX232 T1OU T1IN T T2I T2OUT N R1OUT R1IN R2OUT R2IN
TXD
GND
GND
GND
近距离传送电路
较远距离传送电路（RS232)
8
（二）串行通信接口总线标准 1.1 测控系统中常用的总线标准 测控系统中，计算机通信主要采用异步串行通信方式，常用的异步总 线标准有三种： RS-232（RS-232A RS-232B RS-232C） RS-449 （RS422 RS423 RS485） 20mA电流环 这里重点介绍RS-232，速率：20Kbit/S，最大通信距离 ： 15m 1.2 抗干扰能力
6
五、波特率（Baud rate）和比特率（bps）
在通信中，衡量通信速率的单位有两种：波特率和比特率。
比特率：每秒传送的二进制位数，单位：bit/s。 波特率：每秒传送的Ｎ进制位数，单位：baud/s。 两者的关系：比特率＝波特率×log2N N 是数的进制。 例：传16进制数时，比特率 = 4 ×波特率。 计算机内部均采用二进制，故比特率＝波特率
例如异步传送数据的速率每秒为120个字符，每个字符由1个起始位、8个
数据位和1个停止位组成，则字符传送速率为: 10×120=1200波特/秒 传送一个波特所需的时间为: T1=1/1200=0.833ms
在上面传送中，只有8个数据位才是有用的信息，起始位和停止位用于传
送信息的辅助，所以信息的速率为：8×120=960比特/秒。 传送一个比特需要的时间为：T2=1/960=1.04ms
n-1
第n个字符（一帧）
1
0 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 P 1
n+1
0 D0
…
P
…
起 始 位
数据位（5～8位）
校 停 验 止 位 位
3
二、同步通信
在同步通信中，发送方在数据或字符开始处就用同步字符(常约定1～ 2个字节)指示一帧的开始 ，由时钟来实现发送端和接收端同步，接收方 一旦检测到与规定的同步字符符合，下面 就连续按顺序传送若干个数据 ， 最后发校验字节。见下图：
8XX51
8XX51
+5V
MCS—51和PC机的双机通信
Vcc EA RST 89C51/ 89S51 30PF× 2 XTAL 1 XTAL 2 GND TXD RXD C1 T1IN R1OU R1IN T T1OU C1+ T C1C2 C2+ C2GND V+ Vcc C4 VC5 C3 +5V 1 2 3 4 5 6 7 8 9 6 7 8 9 1 2 3 4 5
输出移位寄存器
TXD P3.1
内 部 总 线
定 时 器 T1
发送控制器
串行中断 ≥1 TI RI
SCON 98H
接收控制器 接收SBUF (99H)
输入移位寄存器
波特率发生器
串 行 控 （制 寄 器 ）
RXD P3.0
15
51单片机通过引脚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。图中有两个物理上独立的接收、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，CPU写SBUF，一是更新发送寄存 器，同时启动串行数据发送；
10
3、RS-485 由于RS-232-C接口标准出现较早，难免有不足之处，主要是：（1） 接口的信号电平值较高，与TTL 电平不兼容。（2） 传输速率较低，在 异步传输时，波特率为20Kbps。（3） 抗噪声干扰性弱。 （4） 传输距 离有限。 于是就不断出现了一些新的接口标准，RS-485就是其中之一，它具 有以下特点：（1）接口电平与TTL电平兼容，可方便与TTL 电路连接。 （2） RS-485的数据最高传输速率为10Mbps 。（3） RS-485接口是采用 平衡驱动器和差分接收器的组合，抗噪声干扰性好。（4）最大传输距 离可达 3000米，另外RS-232-C接口在总线上只允许连接1个收发器， 即 单站能力。而RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器。即具 有多站能力, 可以利用RS-485构建设备网络。
采用标准的通信接口，本身具有一定的抗干扰能力，但是工业现场的 情况往往很恶劣，因而要根据具体情况进行选择。
RS232C：一般场合
RS422： 抗共模干扰信号比较强
光纤： 抗电磁干扰较强
9
1、RS-232C
最早用的最广泛的串行接口，采用+15V -15V 电平，负逻辑。主要 解决仪器设备与PC机的通信，属于点对点的通信。
接收缓冲器只能读出、不能写入。读SBUF，就是读接收寄存器。
串行控制寄存器SCON用以存放串行口的控制和状态信息。8XX51串行 口正是通过对上述专用寄存器的设置、检测与读取来管理串行通信的。 特殊功能寄存器PCON的最高位SMOD为串行口波特率的倍增控制位。 波特率发生器可以有两种选择： 1.定时器T1作波特率发生器，改变计数初值就可以改变串行通信的速率， 称为可变波特率。 2.以内部时钟的分频器作波特率发生器，因内部时钟频率一定，称为固 定波特率
7
六. 串行通信总线标准及接口 （一）通信线的连接 通信速率和通信距离这两个方面是相互制约的，降低通信速率，可 以提高通信距离，不同的通信距离，串行通信电路有不同的连接方法：
微机或其他设备 电 平 转 换 RXD TXD RXD TXD 电 平 转 换 RXD TXD GND
微机 RXD RXD TXD GND RXD TXD GND
16
二、串行通信的传送过程用下面简图说明 甲方（发送） 乙方（接收）
CPU
并 MOV SBUF , A 行 数 据 TI
11
三、RS－232C 美国电子工业协会（EIA）公布的一种异步通信标准。 RS232C标准是：
设备之间通信的距离不大于15米 最大传输速率20KB/S
采用负逻辑：“1” —— ―5V ∽ ―15V
“0” —— +5V ∽ + 15V 不带负载时输出电平：―25V ∽ +25V
输出短路电流：
10μF
PC机COM1或 COM2
Байду номын сангаасMAX232
C1=C2=C3=C4=C5= 1μF
图5.12 单片机和PC机的串行通信接口
14
8.2 MCS-51的串行口结构 51单片机有一个可编程的全双工异步串行通信接口，它可作异步串行 通信（UART）用，也可作同步移位寄存器，其帧格式可有8位、10位或l l 位，并能设置各种波特率，给使用者带来很大的灵活性。
四、 串行通信接口
串行接口通常分为两种类型：串行通信接口 和 串行扩展接口。 串行通信接口（Serial Communication Interface, SCI）是指设备之间 的互连接口，它们连接的距离比较长。如当代PC机的COM接口（COM1COM4）和USB接口。USB ( Universal Serial Bus,通用串行总线）是近几 年开发的新规范，它使得设备间的连接简单快捷，并且支持热插拔，易于扩 展，被广泛应用于PC 机和嵌入式系统上。 近年来推出有RS-422/423、RS-485等串行通信标准，其采用平衡通信 接口，即在发送端将TTL电平信号转换成差分信号输出，接收端将差分信号 变成TTL电平信号输入，大大提高了抗干扰能力，使通信距离增加到几十米 至上千米，并且增加了多点和双向通信的能力。
数据1 SYN字符1 SYN字符2 三、串行通信的功能
数据2
….
数据n
连续传送n 个数据
校验
在串行传输中，通信的双方都按通信协议进行，所谓通信协议就是通 信双方必须共同遵守的一种约定，约定包括数据的格式、同步的方式、传 送的步骤、检纠错方式及控制字符的定义等。 串行接口的基本任务就是：
4
1. 因为CPU发出的数据是字符数据，接口电路应能将这些数据根据不同通 信方式进行数据格式化的任务。 如自动生成起止方式的帧数据格式（异步方 式）或在待传送的数据块前加上同步字符（同步方式）等。 2. 在发送端，接口将CPU送来的并行信号转换成串行数据进行传送；而在 接收端，接口要将接收到串行数据变成并行数据送往CPU。 3. 接口应具备对数据传输率—波特率的选择控制能力，即自身有波特率发 生器。 4. 在发送时，对传送的数据自动生成校验位或校验码，在接收端能检查校 验位或校验码，以确定传送中是否有误码，并能自动将冗余码消除。 51系列单片机内有一个全双工的异步通信接口，通过对串行接口写控制 字可以选择其数据格 式，同时内部有波特率发生器，提供可选的波特率，来 完成双机通信或多机通信。 5
RS-232
4 13 R1IN MAX232 5 12 R1OUT 6 11 T1IN 10 T2IN 9 8
R2O UT
T2OUT 7 RS-232
MAX232 连线图 图8-5 MAX232 引脚和连线图
MAX232引脚图
13
MCS—51之间的双机通信
RXD
TXD GND RXD TXD GND
第八章
单片机串行通信
8.1 概 述 单片机应用于数据采集或工业控制时，往往作为前端机安装在工业现 场，远离主机，现场数据采用串行通信方式发往主机进行处理，以降低通 信成本，提高通信可靠性。如下图所示。
1
数据通信方式有两种：并行通信与串行通信。下面是两种通信方式的示意 图：
★并行通信： 所传送数据的各位同时发送或接收，数据有多少位就需 要多少根数据线。特点：速度快，成本高，适合近距离传输，如计算机 并口，打印机接口，8255 并口等。 ★串行通信：所传送数据的各位按顺序一位一位地发送或接收。只需一 根数据，一根地线，共2 根（如双向通信发送和接收各需1根数据线）。 特点：成本低，硬件简单，适合远距离通信，传输速度低。
最大负载电容:
< 0.5A
2500p
12
当计算机采用RS232标准时必须转换电平，MAX232 是EIA和TTL电 平转换芯片。内部具有电压提升电路，并有两路收发器。 TTL电平可以由专用集成电路转换成RS232C标准; 如: MC1488 或 75188 TTL RS232C MC1489 或 75189 RS232C TTL 由于MC1488需要采用±12V电源，一般在单片机通信中大量使用的 是只需要+5V电源、具有发送和接收的一体化芯片，如：MAX232、 ICL232、ADM202等。 MAX232的引脚和电路如下：
PC机上的COM1-COM4口使用的是RS-232C串行通信标准接口，本章 仅介绍RS-232C接口，其它接口可参考有关资料。
以上标准都有专用芯片实现通信协议，这些接口芯片称为收发器。 串行扩展接口是设备内部器件之间的互连接口，常用的串行扩展接口规 范有SPI、I2C等。串行扩展接口的芯片很多，可以根据需要选择。
2
通信的双方应该有一个约定，什么时候开始发送，什么时候发送完毕； 接收方收到的信息是否正确等，这就是通信协议。 串行通信的分类：同步串行通信和异步串行通信 一、异步通信： 异步串行通信一帧数据格式：一个起始位 “0”,表示字符的开始，然后 是5～8位数据即该字符的代码，规定低位在前，高位在后，接 下来是奇偶 校验位(可省略)，最后以停止位“1”表示字符的结束。 优点：硬件结构简单。 缺点：传输速度慢。
2、RS-449 RS-449标准的电器特性有两个标准，即平衡式的RS-422标准和非平 衡式的RS-423标准。这些标准在保持与RS-232C兼容的前提下重新定义 了信号电平，并改进了电路方式，以达到较高的传输速率和较大的传输 距离。 RS-422电气标准是平衡方式标准，它的发送器、接收器分别采用 平衡发送器和差动接收器，由于采用完全独立的双线平衡传输，抗串 扰能力大大增强。信号电平定义为±6伏的负逻辑。 RS-423电气标准是非平衡标准，它采用单端发送器(即非平衡发送 器)和差动接收器。虽然发送器与RS-232C标准相同，但由于接收器采 用差动方式，所以传输距离和速度仍比RS-232C有较大的提高。
+5V 1 μF 1μF C1 + C1C2+ V + V1 μF +10V -10V 1μF
C1+ V+ C1C2+ C2VR2IN
1 2 3
16
Vcc
15 GND 14 T1OUT
1μF TTL/CM OS TTL/CMOS
C2- MAX232 T1OU T1IN T T2I T2OUT N R1OUT R1IN R2OUT R2IN
TXD
GND
GND
GND
近距离传送电路
较远距离传送电路（RS232)
8
（二）串行通信接口总线标准 1.1 测控系统中常用的总线标准 测控系统中，计算机通信主要采用异步串行通信方式，常用的异步总 线标准有三种： RS-232（RS-232A RS-232B RS-232C） RS-449 （RS422 RS423 RS485） 20mA电流环 这里重点介绍RS-232，速率：20Kbit/S，最大通信距离 ： 15m 1.2 抗干扰能力
6
五、波特率（Baud rate）和比特率（bps）
在通信中，衡量通信速率的单位有两种：波特率和比特率。
比特率：每秒传送的二进制位数，单位：bit/s。 波特率：每秒传送的Ｎ进制位数，单位：baud/s。 两者的关系：比特率＝波特率×log2N N 是数的进制。 例：传16进制数时，比特率 = 4 ×波特率。 计算机内部均采用二进制，故比特率＝波特率
例如异步传送数据的速率每秒为120个字符，每个字符由1个起始位、8个
数据位和1个停止位组成，则字符传送速率为: 10×120=1200波特/秒 传送一个波特所需的时间为: T1=1/1200=0.833ms
在上面传送中，只有8个数据位才是有用的信息，起始位和停止位用于传
送信息的辅助，所以信息的速率为：8×120=960比特/秒。 传送一个比特需要的时间为：T2=1/960=1.04ms
n-1
第n个字符（一帧）
1
0 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 P 1
n+1
0 D0
…
P
…
起 始 位
数据位（5～8位）
校 停 验 止 位 位
3
二、同步通信
在同步通信中，发送方在数据或字符开始处就用同步字符(常约定1～ 2个字节)指示一帧的开始 ，由时钟来实现发送端和接收端同步，接收方 一旦检测到与规定的同步字符符合，下面 就连续按顺序传送若干个数据 ， 最后发校验字节。见下图：
8XX51
8XX51
+5V
MCS—51和PC机的双机通信
Vcc EA RST 89C51/ 89S51 30PF× 2 XTAL 1 XTAL 2 GND TXD RXD C1 T1IN R1OU R1IN T T1OU C1+ T C1C2 C2+ C2GND V+ Vcc C4 VC5 C3 +5V 1 2 3 4 5 6 7 8 9 6 7 8 9 1 2 3 4 5