北京大学：《微机原理 Microcomputer Principle 微机与接口技术》课程实验指导（微机与接口技术实验）单元实验4 基于单片机的串行通信.pdf_大学文库

串行通信分为异步传送和同步传送两类。异步通信是一种字符再同步的通信方式,而同步通信是靠识别同步字符来实现数据的发送和接收的。 (1)异步传送方式异步传送的特点是:①数据以字符方式随机且断续地在线路上传送(但在同一字符的内部的传送是同步的)。各字符的传送依发送方的需要可连续,也可间断。②通信双方用各自的时钟源来控制发送和接收。③通信双方按异步通信协议传输字符异步通信格式如图42所示,每个字符由起始位、数据位、奇偶校验位和停止位四个部分顺序组成。这四个部分组成异步传输中的一个传输单元,即字符帧。空闲位起校停起数据位验止始数据位校停验止空闲位位位第n个字符帧第n+1个字符帧图42异步通信的字符帧格式 ●起始位:为“0”信号,占1位。起始位的作用有两个:①表示一个新字符帧的开始即线路上不传送字符时,应保持为“1”。接收端检测线路状态连续为“1”后或在停止位后有一个“0”,就知道将发来一个新的字符帧。②用以同步接收端的时钟,以保证后续的接收能正确进行。数据位:紧接于起始位后面,它可以占5、6、7或8位不等,数据的位数依最佳传送速率来确定。如所传数据为ASCI码字符,则常取7位。数据位传输的顺序,总是最低位(LSB)D在先 ●奇偶校验位:在数据位之后,占1位。它用来检验信息传送否有错。它的状态常由发送端的奇偶校验电路确定。奇偶位的值取决于校验类型,若为偶校验,则数据位和校验位中逻辑“1”的个数必须是偶数:若为奇校验,则数据位和校验位中逻辑“1”的个数必须是奇数。也可以规定不用奇偶校验位,或用其它的校验方法来检验信息传送过程是否有错。停止位:用“1”来表征一个字符帧的结束。停止位可以占1位、1.5位或2位不等。接收端收到停止位时,表明这一字符己接收完毕,也表明下一个字符帧可能到来。若停止位以后不是紧接着传送下一个字符帧,则让线路上保持为“1”,即空闲等待状态图42既表示一个字符紧接一个字符传送的情况,又表示两个字符间有空闲位的情况。串行通信的一个重要指标是波特率。它定义为每秒钟传送二进制数码的位数(亦称波特率),以“位/秒”(bps)为单位。在异步通信中, 波待率=(每个字符帧的位数)×(每秒传送的字符数) 常用的波特率有600、1200、2400、4800、9600、19200(bps)等。由于异步通信双方各用自己的时钟源,若时钟频率等于波特率,则频率稍有偏差就会产生接收错误。时钟频率应比波特率高,时钟频率与波特率的比一般选16:1或者64:1 采用较高频率的时钟,在一位数据内就有16或64个时钟,就可以保证捕捉正确的信号

26 串行通信分为异步传送和同步传送两类。异步通信是一种字符再同步的通信方式，而同步通信是靠识别同步字符来实现数据的发送和接收的。 (1) 异步传送方式异步传送的特点是：①数据以字符方式随机且断续地在线路上传送（但在同一字符的内部的传送是同步的）。各字符的传送依发送方的需要可连续，也可间断。②通信双方用各自的时钟源来控制发送和接收。③通信双方按异步通信协议传输字符。异步通信格式如图 4.2 所示，每个字符由起始位、数据位、奇偶校验位和停止位四个部分顺序组成。这四个部分组成异步传输中的一个传输单元，即字符帧。 z 起始位：为“0”信号，占 1 位。起始位的作用有两个：①表示一个新字符帧的开始。即线路上不传送字符时，应保持为“1”。接收端检测线路状态连续为“1”后或在停止位后有一个“0”，就知道将发来一个新的字符帧。②用以同步接收端的时钟，以保证后续的接收能正确进行。 z 数据位：紧接于起始位后面，它可以占 5、6、7 或 8 位不等，数据的位数依最佳传送速率来确定。如所传数据为ASCII码字符，则常取 7 位。数据位传输的顺序，总是最低位（LSB）DB 0B在先。 z 奇偶校验位：在数据位之后，占 1 位。它用来检验信息传送否有错。它的状态常由发送端的奇偶校验电路确定。奇偶位的值取决于校验类型，若为偶校验，则数据位和校验位中逻辑“1”的个数必须是偶数；若为奇校验，则数据位和校验位中逻辑“1”的个数必须是奇数。也可以规定不用奇偶校验位，或用其它的校验方法来检验信息传送过程是否有错。 z 停止位：用“1”来表征一个字符帧的结束。停止位可以占 1 位、1.5 位或 2 位不等。接收端收到停止位时，表明这一字符已接收完毕，也表明下一个字符帧可能到来。若停止位以后不是紧接着传送下一个字符帧，则让线路上保持为“1”，即空闲等待状态。图 4.2 既表示一个字符紧接一个字符传送的情况，又表示两个字符间有空闲位的情况。串行通信的一个重要指标是波特率。它定义为每秒钟传送二进制数码的位数（亦称波特率），以“位／秒”（bps）为单位。在异步通信中，波待率＝（每个字符帧的位数）×（每秒传送的字符数）常用的波特率有 600、1200、2400、4800、9600、19200（bps）等。由于异步通信双方各用自己的时钟源，若时钟频率等于波特率，则频率稍有偏差就会产生接收错误。时钟频率应比波特率高，时钟频率与波特率的比一般选 16:1 或者 64:1。采用较高频率的时钟，在一位数据内就有 16 或 64 个时钟，就可以保证捕捉正确的信号。 1 1 0 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 C 1 0 DO D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 C 1 1 1 空闲位数据位起始位校验位停止位起始位数据位校验位停止位空闲位第 n 个字符帧第 n＋1 个字符帧图 4.2 异步通信的字符帧格式

因此,在异步通信中,收发双方必须事先约定两件事:一是规定字符帧格式,即规定字符各部分所占的位数,是否采用校验,以及校验的方式等;二是规定所采用的波特率以及时钟频率和波特率间的比例关系。异步传送由于不传送同步时钟脉冲,所以设备比较简单,实现起来方便,它还可根据需要连续地或有间隙地传送数据,对各字符间的间隙长度没有限制。缺点是在数据字符串中要加上起同步作用的起始位和停止位,降低了有效数据位的传送速率,仅适合于低速通信的场合。 (2)同步传送方式同步传送方式以许多字符或许多位组成的数据块为传输单位连续地传送数据。在通信开始以后,发送端连续发送字符,接收端也连续接收字符,直到一个数据块传送结束。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,这就提高了数据传送的效率,其符号格式如图43所示。同步通信可以分为单同步字符方式和双同步字符方式,图4.3(a)为双同步字符方式,图43(b)为单同步字符方式,同步字符之后是连续的数据块。同步字符可以由用户约定,当然也可以采用ASCI码中规定的SYN代码,即16H。按同步方式通信时,在发送时要插入同步字符,接收方检测到同步字符时,即准备开始接收,因此,硬件设备需有插入同步字符和相应的检测手段,设备较复杂。在同步传送时,无论接收或发送,都要求统一时钟。为了保证接收正确无误,发送方除了传送数据外还要把时钟信号同时传送出去。同步传送的优点是传送速率较高,可达56K波特或更高。 +同步字符1同步字符2 一同步字符 L「「数据「数据图43同步传送符号格式 2.Mcs-51系列单片机的串行通信接口 MCS一51系列单片机内部有一个可编程的全双工串行通信口,可作为通用异步接收和发送器,也可作为同步移位寄存器用。该串行口有4种工作模式(详见下文26)。片内的定时器/计数器可用作波特率发生器。接收、发送均可工作在查询方式或中断方式。 2.1串行通信接口结构 MCS一51系列单片机内部的串行通信口,有二个物理上相互独立的接收、发送缓冲器SBUF,对外也有两条独立的收、发信号线RxD(P3.0)和TxD(P3.1)。可以同时发送、接收数据,实现全双工传送。发送缓冲器和接收缓冲器不能互换,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。两个缓冲器占用同一个端口地址(99H)。具体对哪一个缓冲器进行操作,取决于所用的指令是发送还是接收接收是双缓存的,以避免在接收下一帧数据之前,CPU未能及时响应接收中断,未把

27 因此，在异步通信中，收发双方必须事先约定两件事：一是规定字符帧格式，即规定字符各部分所占的位数，是否采用校验，以及校验的方式等；二是规定所采用的波特率以及时钟频率和波特率间的比例关系。异步传送由于不传送同步时钟脉冲，所以设备比较简单，实现起来方便，它还可根据需要连续地或有间隙地传送数据，对各字符间的间隙长度没有限制。缺点是在数据字符串中要加上起同步作用的起始位和停止位，降低了有效数据位的传送速率，仅适合于低速通信的场合。（2）同步传送方式同步传送方式以许多字符或许多位组成的数据块为传输单位连续地传送数据。在通信开始以后，发送端连续发送字符，接收端也连续接收字符，直到一个数据块传送结束。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，这就提高了数据传送的效率，其符号格式如图 4.3 所示。同步通信可以分为单同步字符方式和双同步字符方式，图 4.3（a）为双同步字符方式，图 4.3（b）为单同步字符方式，同步字符之后是连续的数据块。同步字符可以由用户约定，当然也可以采用 ASCII 码中规定的 SYN 代码，即 16H。按同步方式通信时，在发送时要插入同步字符，接收方检测到同步字符时，即准备开始接收，因此，硬件设备需有插入同步字符和相应的检测手段，设备较复杂。在同步传送时，无论接收或发送，都要求统一时钟。为了保证接收正确无误，发送方除了传送数据外还要把时钟信号同时传送出去。同步传送的优点是传送速率较高，可达 56K 波特或更高。 (a) (b) 图 4.3 同步传送符号格式 2． MCS-51系列单片机的串行通信接口 MCS 一 51 系列单片机内部有一个可编程的全双工串行通信口，可作为通用异步接收和发送器，也可作为同步移位寄存器用。该串行口有 4 种工作模式（详见下文 2.6）。片内的定时器／计数器可用作波特率发生器。接收、发送均可工作在查询方式或中断方式。 2.1 串行通信接口结构 MCS 一 51 系列单片机内部的串行通信口，有二个物理上相互独立的接收、发送缓冲器 SBUF，对外也有两条独立的收、发信号线 RxD（P3.0）和 TxD（P3.1）。可以同时发送、接收数据，实现全双工传送。发送缓冲器和接收缓冲器不能互换，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。两个缓冲器占用同一个端口地址（99H）。具体对哪一个缓冲器进行操作，取决于所用的指令是发送还是接收。接收是双缓存的，以避免在接收下一帧数据之前，CPU 未能及时响应接收中断, 未把同步字符 1 同步字符 2 同步字符数据数据

上一帧数据取走而产生两帧数据重叠的问题。而对于发送器,因为发送时CPU是主动的, 不会产生写重叠的问题,所以不需要双缓存。与串行通信口有关的寄存器有多个,除SBUF之外,还有SCON、PCON、I和定时器/计数器,用校验方式进行通信,有时也会用到程序状态字寄存器PSW。 22串行口控制寄存器Sc0N SCON用于控制和监视串行口的工作状态,定义如下表4.2S0ON寄存器 (MSB) (LSB) SMO SMI SM2 REN TB8 RB8TI SM0和SM1:串行口工作模式选择位,对应四种模式,见表43。在模式0时,SM2不用,应设置为0。在模式1时,SM2一般也应设置为0。若SM2=1,则只有收到有效停止位才会激活 RI,并自动发出串行口中断请求(设中断是开放的),若没有接收到有效停止位,则 RI清零。在模式2或模式3下,SM2的设置与字符帧第九位的作用有关。①在第九位用作奇偶位的情形,应置SM2=0。②在第九位用于表示是地址帧还是数据帧的多机通信情形,若SM2=1和RB8=1时,RI不仅被激活,而且可以向CPU请求中断;若SM2 =0,串行口以单机发送或接收方式工作,TI和RI以正常方式被激活。SM2在多机通信中的使用方法,详见本讲义P34的有关主从式多机通信过程的说明表4.3串行口工作模式选择 SMO SM1 模式功能波特率 0 01 同步移位寄存器 for/12 0 8位UART 可变 9位UART fosc/64或fosc/32 9位UART REN:允许接收控制位,由软件置位或清除。REN=1则允许接收,REN=0,禁止接收。 TB8:该位是模式2和3中要发送的第九位数据。在许多通信协议中,该位是奇偶位, 可以按需要由软件置位或清除。在多机通信中,该位用于表示是地址帧还是数据帧 RB8:该位是模式2和3中已接收的第九位数据(可能是奇偶位,或是地址帧数据帧标识位)。在模式1中,若SM2=0,RB8是已接收的停止位。在模式0中,RB8未用。 ●T:发送中断标志。在模式0中,在发送完第8位数据时,由硬件置位:在其他模式中,在发送停止位之初,由硬件置位,申请中断,CPU响应中断后,发送下一帧数据在任何模式中,都必须由软件清除T ●R:接收中断标志。在模式0中,接收第8位数据结束时,由硬件置位;在其他模式中,在接收停止位的半中间,由硬件置位,申请中断,要求CPU取走数据。但在模式

28 上一帧数据取走而产生两帧数据重叠的问题。而对于发送器,，因为发送时 CPU 是主动的，不会产生写重叠的问题，所以不需要双缓存。与串行通信口有关的寄存器有多个，除 SBUF 之外，还有 SCON、PCON、IE 和定时器/计数器，用校验方式进行通信，有时也会用到程序状态字寄存器 PSW。 2.2 串行口控制寄存器 SCON SCON 用于控制和监视串行口的工作状态，定义如下：表 4.2 SCON 寄存器 (MSB) (LSB) SM0 SM1 SM2 REN TB8 RB8 TI RI z SM0 和 SM1：串行口工作模式选择位，对应四种模式，见表 4.3。 z SM2：在模式 0 时，SM2 不用，应设置为 0。在模式 1 时，SM2 一般也应设置为 0。若 SM2＝１，则只有收到有效停止位才会激活 RI，并自动发出串行口中断请求（设中断是开放的），若没有接收到有效停止位，则 RI 清零。在模式 2 或模式 3 下，SM2 的设置与字符帧第九位的作用有关。① 在第九位用作奇偶位的情形，应置 SM2=0。② 在第九位用于表示是地址帧还是数据帧的多机通信情形，若 SM2＝１和 RB8＝1 时，RI 不仅被激活，而且可以向 CPU 请求中断；若 SM2 ＝0，串行口以单机发送或接收方式工作，TI 和 RI 以正常方式被激活。SM2 在多机通信中的使用方法，详见本讲义 P.34 的有关主从式多机通信过程的说明。表 4.3 串行口工作模式选择 SM0 SM1 模式功能波特率 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 2 3 同步移位寄存器 8 位 UART 9 位 UART 9 位 UART fB OSCB/12 可变 fB OSCB/64 或fB OSCB/32 可变 z REN：允许接收控制位，由软件置位或清除。REN=1 则允许接收, REN=0, 禁止接收。 z TB8：该位是模式 2 和 3 中要发送的第九位数据。在许多通信协议中, 该位是奇偶位，可以按需要由软件置位或清除。在多机通信中, 该位用于表示是地址帧还是数据帧。 z RB8：该位是模式 2 和 3 中已接收的第九位数据 (可能是奇偶位, 或是地址帧/数据帧标识位)。在模式 1 中, 若 SM2=0, RB8 是已接收的停止位。在模式 0 中, RB8 未用。 z TI：发送中断标志。在模式 0 中, 在发送完第 8 位数据时, 由硬件置位；在其他模式中, 在发送停止位之初, 由硬件置位，申请中断, CPU 响应中断后, 发送下一帧数据。在任何模式中, 都必须由软件清除 TI. z RI：接收中断标志。在模式 0 中, 接收第 8 位数据结束时, 由硬件置位；在其他模式中, 在接收停止位的半中间, 由硬件置位，申请中断, 要求 CPU 取走数据。但在模式

位起始位0,在字符结束前插入一位停止位1,然后在发送移位脉冲 SHIFT作用下,依次由TxD线上发出。一个字符发完之后,自动维持TxD线的信号为1,在8位数据发出之后, 也就是在停止位开始时,使T置1,用以通知CPU可以发出下一个字符。模式1发送时的定时信号,也就是发送移位时钟,是由定时器1送来的溢出信号经过 16或32分频(取决于SMOD的值)而取得的。因此,模式1的波特率是可变的。模式1接收模式1的接收是在SCON寄存器中REN=1时,从检测到RxD端的负跳变(在无信号时, 这xD的状态为1),并搜索到有效的起始位开始的。在接收移位脉冲的控制下,把收到的数据逐位移人接收寄存器,直到收齐其余9位(包括1位停止位) 在接收操作时,有两种定时信号。一种是接收移位脉冲,它的频率和传送波特率相同, 也是由定时器1的溢出信号经过16或32分频而得到的。另一种是接收字符的检测脉冲(位检测采样脉冲),它的频率是接收移位脉冲的16倍,亦即在一位数据期间有16个检测脉冲,并以其中的第7、8、9三个脉冲作为真正的对接收信号的采样脉冲。对这三次采样结果采用三中取二的原则来决定所检测到的值。采取这种措施的目的在于抑制干扰。由于采样信号总是在接收位的中间位置,这样既可以避开信号两端的边沿失真,也可以防止由于收发时钟频率不完全一致而带来的接收错误。模式1接收时序如图4.5所示 16分频器复位起始厂mmX3 X D4X D5X D6 X D7止位位检测采样 SHI IFT 图4.5模式1接收时序在一个字符帧收齐之后,如果以下两个条件 (1)RI=0,即上一帧数据接收发出的中断请求已被响应,所收数据已取走; (2)SM2=0,或者接收到的停止位为1。同时被满足,则将接收移位寄存器中的8位数据转存入串行口寄存器SBUF,收到的停止位则进入RB8,并使接收中断标志RI置1:否则,刚收到的数据就不装人SBUF(意味着丢失了一组数据),接收控制器就转入搜索RxD端新的负跳变。模式2 串行口工作在模式2,为9位异步通信口,即一字符帧由11位组成:1位起始位、8 位数据位、1位可编程位TB8(第9数据位)和1位停止位。发送时,TB8根据需要设置为 0或1(TB8既可作为多机通信中的地址数据标志位又可作为数据的奇偶校验位);接收时 TB8之值被送入SCON中的RB8。模式2发送

30 位起始位 0，在字符结束前插入一位停止位 1，然后在发送移位脉冲 SHIFT 作用下，依次由 TxD 线上发出。一个字符发完之后，自动维持 TxD 线的信号为 1，在 8 位数据发出之后，也就是在停止位开始时，使 TI 置 1，用以通知 CPU 可以发出下一个字符。模式 1 发送时的定时信号，也就是发送移位时钟，是由定时器 1 送来的溢出信号经过 16 或 32 分频（取决于 SMOD 的值）而取得的。因此，模式１的波特率是可变的。模式 1 接收模式１的接收是在 SCON 寄存器中 REN＝1 时，从检测到 RxD 端的负跳变（在无信号时， RxD 的状态为 1），并搜索到有效的起始位开始的。在接收移位脉冲的控制下，把收到的数据逐位移人接收寄存器，直到收齐其余 9 位（包括 1 位停止位）。在接收操作时，有两种定时信号。一种是接收移位脉冲，它的频率和传送波特率相同，也是由定时器 1 的溢出信号经过 16 或 32 分频而得到的。另一种是接收字符的检测脉冲（位检测采样脉冲），它的频率是接收移位脉冲的 16 倍，亦即在一位数据期间有 16 个检测脉冲，并以其中的第 7、8、9 三个脉冲作为真正的对接收信号的采样脉冲。对这三次采样结果采用三中取二的原则来决定所检测到的值。采取这种措施的目的在于抑制干扰。由于采样信号总是在接收位的中间位置，这样既可以避开信号两端的边沿失真，也可以防止由于收发时钟频率不完全一致而带来的接收错误。模式 1 接收时序如图 4.5 所示。图 4.5 模式 1 接收时序在一个字符帧收齐之后，如果以下两个条件：（1） RI＝0，即上一帧数据接收发出的中断请求已被响应，所收数据已取走；（2） SM2＝0，或者接收到的停止位为 1。同时被满足，则将接收移位寄存器中的 8 位数据转存入串行口寄存器 SBUF，收到的停止位则进入 RB8，并使接收中断标志 RI 置 1；否则，刚收到的数据就不装人 SBUF（意味着丢失了一组数据），接收控制器就转入搜索 RxD 端新的负跳变。模式 2 串行口工作在模式 2，为 9 位异步通信口，即一字符帧由 11 位组成：1 位起始位、8 位数据位、1 位可编程位 TB8（第 9 数据位）和 1 位停止位。发送时，TB8 根据需要设置为 0 或 1（TB8 既可作为多机通信中的地址数据标志位又可作为数据的奇偶校验位）；接收时， TB8 之值被送入 SCON 中的 RB8。模式 2 发送

32 行下一次通信的状态。四、实验内容 1. 用双踪示波器分析串行口工作在模式 1(10 位异步方式)下的信号结构设定串行口工作模式 1(10 位异步方式), 用 1200bps 循环发送一个字节 55H 或 8AH。用双踪示波器同时观测 TXD 的 TTL 电平和 RS-232 电平波形图，分析信号的帧结构，标出起始位、数据位和终止位, 用示波器测量码元宽度，给出 1200bps 波特率条件下的 TH1 计算值、码元宽度的计算值和测量值。参考程序如下: START: MOV SP,#50H MOV TMOD,#20H ;T/C1 定时器方式, 模式 2 MOV SCON,#70H ;串行口工作模式 1、允许接收 MOV TH1,#XXH ;波特率设置值自定（CPU 的时钟频率 fosc=11.059 MHz） MOV TL1,#XXH SETB TR1 MOV A,#8AH ST1: MOV SBUF,A ;将数据送发送缓冲区 JNB TI,$ ;等待发送结束 CLR TI ;清发送结束标志. AJMP ST1 2. 编写本机串行口自检程序，通过自发自收确认串行口工作正常。 3. 实现两个单片机系统之间的串行口异步通信（可两人合作完成，但是每人都应独立完成兼有发送和接收功能的程序；或一人独立编程，在两个单片机系统上运行）。具体要求如下（建议编程时逐步增加功能）： 1）中断方式发送、接收。 2）成组数据发送和接收：发送端发送外部数据存储器中大于 64 字节长的成组数据（格式为“数据字节长度+成组数据”）。每组数据发送结束后，等待对方反馈信息。若对方确认接收无误，就发送下一组数据；若在 2 秒钟内未得到对方响应，则重发。接收端收到数据后，存于外部数据存储器（不要与发送的数据区重叠），并反馈接收正确与否的信息。 3）上述实验内容 2）中用单片机的 P1 口驱动 LED 表示发送或接收成功与否。 4）（选做）上述实验内容 2）中发送、接收每个字节时采用奇（或偶）检验（参见有关参考书关于程序状态字寄存器 PSW 的说明）。双机间的连线如下： TXD--------------RXD RXD--------------TXD GND--------------GND