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单片机串行通信设计
郑州大学西亚斯国际学院
本科毕业论文（设计）
题目单片机串行通信设计
指导老师葛明涛职称助教（硕士）
学生姓名张琳波学号20061082159
专业通信工程班级06通信一班
院（系）电子信息工程学院
完成时间2010年4月30
单片机串行通信设计
摘要
随着计算机与数据终端的普及，数据通信在现代化控制领域中得到广泛应用，在现在生产过程中，利用串行通信，人们可以远距离现场对计算机操作，能够方便地对现场进行数据的采集、处理、存储、控制等工作。
单片机和PC机之间的串行通信在进行数据交换时经常使用。
在串行通信时，要求通信双方都采用一个标准接口，RS-232接口是单片机和PC机进行通信最常用的一种接口，但串口还不能直接和单片机相连，在本文中，选用了MAX232芯片来进行电平的转换。
讨论了PC机与AT89S51单片机串行通信的有关技术和方法。
通过对系统的通信方式选择、通信波特率的设置，以及对接口电路的软件和硬件的设计分析。
最终实现了PC机与AT89S51单片机之间的通信，同时对串行通信的扩展进行了讨论。
关键词串行通信/RS-232/MAX232/AT89S51
SERIALCOMMUNICATIONDESIGN
ABSTRACT
Withthepopularityofcomputersanddataterminals,datacommunicationinthefieldofmoderncontrolhasbeenwidelyusedinthepresentproductionprocess,usingserialcommunication,peoplecanliveontheremotecomputeroperation,abilitytoeasilycollectdataonthesite,handling,storage,control,andsoon.MicrocontrollerandtheserialcommunicationbetweenPC,makingdataexchangeforregularuse.Inserialcommunication,requirebothastandardcommunicationsinterfaces,RS-232interfaceisamicrocontrollerandPC,themostcommonlyusedtocommunicatewithaninterface,buttheserialportandtheMCUcannotdirectlyconnected,inthisarticle,usetheMAX232chiptocarryouttheconversionlevel.DiscussionofthePCcomputerandAT89S51microcontrollerserialcommunicationrelatedtechnologyandmethods.Thesystemofcommunicationthroughthechoiceofcommunicationbaudratesettings,andtheinterfacecircuitdesignandanalysissoftwareandhardware.UltimatelythePCcomputerandAT89S51microcontrollercommunicationbetweenaserialcommunicationextensionwasdiscussed.
KEYWORDSerialcommunication,RS-232,MAX232,AT89S51
1.绪论
1.1串行通信的背景和意义
计算机与计算机或计算机与终端之间的数据传送可以采用串行通讯和并行通讯二种方式。
由于串行通讯方式具有使用线路少、成本低，特别是在远程传输时，避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用。
在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同的设备可以方便地连接起来进行通讯。
RS-232-C接口（又称EIARS-232-C）是目前最常用的一种串行通讯接口。
它是在1970年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。
它的全名是“数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间串行二进制数据交换接口技术标准”该标准规定采用一个25个脚的DB25连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信号的电平加以规定。
随着计算机技术尤其是单片微型机技术的发展，人们已越来越多地采用单片机来对一些工业控制系统中如温度、流量和压力等参数进行检测和控制。
PC机具有强大的监控和管理功能，而单片机则具有快速及灵活的控制特点，通过PC机的RS-232串行接口与外部设备进行通信，是许多测控系统中常用的一种通信解决方案。
因此如何实现PC机与单片机之间的通讯具有非常重要的现实意义。
1.2单片机串行通信的发展状况
任何一个微处理器都要与一定数量的部件和外围设备连接，但如果将各部件和每一种外围设备都分别用一组线路与CPU直接连接，那么连线将会错综复杂，甚至难以实现。
为了简化硬件电路设计、简化系统结构，常用一组线路，配置以适当的接口电路，与各部件和外围设备连接，这组共用的连接线路被称为总线。
采用总线结构便于部件和设备的扩充，尤其制定了统一的总线标准则容易使不同设备间实现互连。
微机中总线一般有内部总线、系统总线和外部总线。
内部总线是微机内部各外围芯片与处理器之间的总线，用于芯片一级的互连；而系统总线是微机中各插件板与系统板之间的总线，用于插件板一级的互连；外部总线则是微机和外部设备之间的总线，微机作为一种设备，通过该总线和其他设备进行信息与数据交换，它用于设备一级的互连。
另外，从广义上说，计算机通信方式可以分为并行通信和串行通信，相应的通信总线被称为并行总线和串行总线。
并行通信速度快、实时性好，但由于占用的口线多，不适于小型化产品；而串行通信速率虽低，但在数据通信吞吐量不是很大的微处理电路中则显得更加简易、方便、灵活。
串行通信一般可分为异步模式和同步模式。
随着微电子技术和计算机技术的发展，总线技术也在不断地发展和完善，而使计算机总线技术种类繁多，各具特色。
下面仅对微机各类总线中目前比较流行的总线技术分别加以介绍。
一、内部总线
1．I2C总线
I2C（Inter-IC）总线10多年前由Philips公司推出，是近年来在微电子通信控制领域广泛采用的一种新型总线标准。
它是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少，控制方式简化，器件封装形式小，通信速率较高等优点。
在主从通信中，可以有多个I2C总线器件同时接到I2C总线上，通过地址来识别通信对象。
2．SPI总线
串行外围设备接口SPI（serialperipheralinterface）总线技术是Motorola公司推出的一种同步串行接口。
Motorola公司生产的绝大多数MCU（微控制器）都配有SPI硬件接口，如68系列MCU。
SPI总线是一种三线同步总线，因其硬件功能很强，所以，与SPI有关的软件就相当简单，使CPU有更多的时间处理其他事务。
3．SCI总线
串行通信接口SCI（serialcommunicationinterface）也是由Motorola公司推出的。
它是一种通用异步通信接口UART，与MCS-51的异步通信功能基本相同。
二、系统总线
1．ISA总线
ISA（industrialstandardarchitecture）总线标准是IBM公司1984年为推出PC/AT机而建立的系统总线标准，所以也叫AT总线。
它是对XT总线的扩展，以适应8/16位数据总线要求。
它在80286至80486时代应用非常广泛，以至于现在奔腾机中还保留有ISA总线插槽。
ISA总线有98只引脚。
2．EISA总线
EISA总线是1988年由Compaq等9家公司联合推出的总线标准。
它是在ISA总线的基础上使用双层插座，在原来ISA总线的98条信号线上又增加了98条信号线，也就是在两条ISA信号线之间添加一条EISA信号线。
在实用中，EISA总线完全兼容ISA总线信号。
3．VESA总线
VESA（videoelectronicsstandardassociation）总线是1992年由60家附件卡制造商联合推出的一种局部总线，简称为VL（VESAlocalbus）总线。
它的推出为微机系统总线体系结构的革新奠定了基础。
该总线系统考虑到CPU与主存和Cache的直接相连，通常把这部分总线称为CPU总线或主总线，其他设备通过VL总线与CPU总线相连，所以VL总线被称为局部总线。
它定义了32位数据线，且可通过扩展槽扩展到64位，使用33MHz时钟频率，最大传输率达132MB/s，可与CPU同步工作。
是一种高速、高效的局部总线，可支持386SX、386DX、486SX、486DX及奔腾微处理器。
4．PCI总线
PCI（peripheralcomponentinterconnect）总线是当前最流行的总线之一，它是由Intel公司推出的一种局部总线。
它定义了32位数据总线，且可扩展为64位。
PCI总线主板插槽的体积比原ISA总线插槽还小，其功能比VESA、ISA有极大的改善，支持突发读写操作，最大传输速率可达132MB/s，可同时支持多组外围设备。
PCI局部总线不能兼容现有的ISA、EISA、MCA（microchannelarchitecture）总线，但它不受制于处理器，是基于奔腾等新一代微处理器而发展的总线。
5．CompactPCI
以上所列举的几种系统总线一般都用于商用PC机中，在计算机系统总线中，还有另一大类为适应工业现场环境而设计的系统总线，比如STD总线、VME总线、PC/104总线等。
CompactPCI的意思是“坚实的PCI”，是当今第一个采用无源总线底板结构的PCI系统，是PCI总线的电气和软件标准加欧式卡的工业组装标准，是当今最新的一种工业计算机标准。
CompactPCI是在原来PCI总线基础上改造而来，它利用PCI的优点，提供满足工业环境应用要求的高性能核心系统，同时还考虑充分利用传统的总线产品，如ISA、STD、VME或PC/104来扩充系统的I/O和其他功能。
三、外部总线
1．RS-232-C总线
RS-232-C是美国电子工业协会EIA（ElectronicIndustryAssociation）制定的一种串行物理接口标准。
RS是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号，C表示修改次数。
RS-232-C总线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道，在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。
RS-232-C标准规定的数据传输速率为每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。
RS-232-C标准规定，驱动器允许有2500pF的电容负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用150pF/m的通信电缆时，最大通信距离为15m；若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。
传输距离短的另一原因是RS-232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于20m以内的通信。
2．RS-485总线
在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-485串行总线标准。
RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。
加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。
RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。
RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。
应用RS-485可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。
3．IEEE-488总线
上述两种外部总线是串行总线，而IEEE-488总线是并行总线接口标准。
IEEE-488总线用来连接系统，如微计算机、数字电压表、数码显示器等设备及其他仪器仪表均可用IEEE-488总线装配起来。
它按照位并行、字节串行双向异步方式传输信号，连接方式为总线方式，仪器设备直接并联于总线上而不需中介单元，但总线上最多可连接15台设备。
最大传输距离为20米，信号传输速度一般为500KB/s，最大传输速度为1MB/s。
4．USB总线
通用串行总线USB（universalserialbus）是由Intel、Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC、NorthernTelecom等7家世界著名的计算机和通信公司共同推出的一种新型接口标准。
它基于通用连接技术，实现外设的简单快速连接，达到方便用户、降低成本、扩展PC连接外设范围的目的。
它可以为外设提供电源，而不像普通的使用串、并口的设备需要单独的供电系统。
另外，快速是USB技术的突出特点之一，USB的最高传输率可达12Mbps比串口快100倍，比并口快近10倍，而且USB还能支持多媒体。
1.3RS-232-C串口通讯协议解析
本课题的主要工作是制作PC机与单片机通信的单片机系统。
选用MAX232芯片来进行电平的转换。
采用专用电平转换芯片MAX232实现PC机与AT89S51单片机串行通信的有关技术和方法。
RS232接口就是串口，电脑机箱后方的9芯插座，旁边一般有"|O|O|"样标识。
一般机箱有两个，新机箱有可能只有一个。
笔记本电脑有可能没有。
有很多工业仪器将它作为标准通信端口。
计算机与计算机或计算机与终端之间的数据传送可以采用串行通讯和并行通讯二种方式。
由于串行通讯方式具有使用线路少、成本低，特别是在远程传输时，避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用。
在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同的设备可以方便地连接起来进行通讯。
RS-232-C接口（又称EIARS-232-C）是目前最常用的一种串行通讯接口。
它是在1970年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。
它的全名是“数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间串行二进制数据交换接口技术标准”该标准规定采用一个25个脚的DB25连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信号的电平加以规定。
（1）接口的信号内容：
实际上RS-232-C的25条引线中有许多是很少使用的，在计算机与终端通讯中一般只使用3-9条引线。
RS-232-C最常用的是9条引线的接口
（2）接口的电气特性：
在RS-232-C中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。
即：
逻辑“1”，-5—-15V；逻辑“0”+5—+15V。
噪声容限为2V。
即要求接收器能识别低至+3V的信号作为逻辑“0”，高到-3V的信号作为逻辑“1”
（3）接口的物理结构：
RS-232-C接口连接器一般使用型号为DB-25的25芯插头座,通常插头在DCE端,插座在DTE端.一些设备与PC机连接的RS-232-C接口,因为不使用对方的传送控制信号,只需三条接口线,即“发送数据”、“接收数据”和“信号地”。
所以采用DB-9的9芯插头座，传输线采用屏蔽双绞线。
（4）传输电缆长度：
由RS-232C标准规定在码元畸变小于4%的情况下，传输电缆长度应为50英尺，其实这个4%的码元畸变是很保守的，在实际应用中，约有99%的用户是按码元畸变10-20%的范围工作的，所以实际使用中最大距离会远超过50英尺。
以往，PC与智能设备通讯多借助RS232、RS485、以太网等方式，主要取决于设备的接口规范。
但RS232、RS485只能代表通讯的物理介质层和链路层，如果要实现数据的双向访问，就必须自己编写通讯应用程序，但这种程序多数都不能符合ISO/OSI的规范，只能实现较单一的功能，适用于单一设备类型，程序不具备通用性。
在RS232或RS485设备联成的设备网中，如果设备数量超过2台，就必须使用RS485做通讯介质，RS485网的设备间要想互通信息只有通过“主（Master）”设备中转才能实现，这个主设备通常是PC，而这种设备网中只允许存在一个主设备，其余全部是从（Slave）设备。
而现场总线技术是以ISO/OSI模型为基础的，具有完整的软件支持系统，能够解决总线控制、冲突检测、链路维护等问题。
串行通信接口标准经过使用和发展，目前已经有几种。
但都是在RS-232标准的基础上经过改进而形成的。
RS-323C标准是美国EIA（电子工业联合会）与BELL等公司一起开发的1969年公布的通信协议。
它适合于数据传输速率在0～20000b/s范围内的通信。
这个标准对串行通信接口的有关问题，如信号线功能、电器特性都作了明确规定。
由于通行设备厂商都生产与RS-232C制式兼容的通信设备，因此，它作为一种标准，目前已在微机通信接口中广泛采用。
RS-232-C标准最初是远程通信连接数据终端设备DTE（DataTerminalEquipment）与数据通信设备DCE（DataCommunicationEquipment）而制定的。
因此这个标准的制定，并未考虑计算机系统的应用要求。
但目前它又广泛地被借来用于计算机（更准确的说，是计算机接口）与终端或外设之间的近端连接标准。
显然，这个标准的有些规定及和计算机系统是不一致的，甚至是相矛盾的。
RS-232C标准中所提到的“发送”和“接收”，都是站在DTE立场上，而不是站在DCE的立场来定义的。
由于在计算机系统中，往往是CPU和I/O设备之间传送信息，两者都是DTE，因此双方都能发送和接收。
2.串行通信相关知识
随着多微机系统的广泛应用和计算机网络技术的普及，计算机的通信功能愈来愈显得重要。
计算机通信是指计算机与外部设备或计算机与计算机之间的信息交换。
通信有并行通信和串行通信两种方式。
在多微机系统以及现代测控系统中信息的交换多采用串行通信方式。
2.1异步通信与同步通信
2.1.1异步通信
异步通信是指通信的发送与接收设备使用各自的时钟控制数据的发送和接收过程。
为使双方的收发协调，要求发送和接收设备的时钟尽可能一致。
异步通信是以字符（构成的帧）为单位进行传输，字符与字符之间的间隙（时间间隔）是任意的，但每个字符中的各位是以固定的时间传送的，即字符之间不一定有“位间隔”的整数倍的关系，但同一字符内的各位之间的距离均为“位间隔”的整数倍。
异步通信的特点：
不要求收发双方时钟的严格一致，实现容易，设备开销较小，但每个字符要附加2～3位用于起止位，各帧之间还有间隔，因此传输效率不高。
2.1.2同步通信
同步通信时要建立发送方时钟对接收方时钟的直接控制，使双方达到完全同步。
此时，传输数据的位之间的距离均为“位间隔”的整数倍，同时传送的字符间不留间隙，即保持位同步关系，也保持字符同步关系。
同步通信的特点：
是以特定的位组合“01111110”作为帧的开始和结束标志，所传输的一帧数据可以是任意位。
所以传输的效率较高，但实现的硬件设备比异步通信复杂。
2.2串行通信的传输方向
①单工
单工是指数据传输仅能沿一个方向，不能实现反向传输。
②半双工
半双工是指数据传输可以沿两个方向，但需要分时进行。
③全双工
全双工是指数据可以同时进行双向传输。
2.3信号的调制与解调
利用调制器（Modulator）把数字信号转换成模拟信号，然后送到通信线路上去，再由解调器（Demodulator）把从通信线路上收到的模拟信号转换成数字信号。
由于通信是双向的，调制器和解调器合并在一个装置中，这就是调制解调器MODEM（如图2-1）。
图2-1
2.4串行通信的错误校验
①奇偶校验
在发送数据时，数据位尾随的1位为奇偶校验位（1或0）。
奇校验时，数据中“1”的个数与校验位“1”的个数之和应为奇数；偶校验时，数据中“1”的个数与校验位“1”的个数之和应为偶数。
接收字符时，对“1”的个数进行校验，若发现不一致，则说明传输数据过程中出现了差错。
②代码和校验
代码和校验是发送方将所发数据块求和（或各字节异或），产生一个字节的校验字符（校验和）附加到数据块末尾。
接收方接收数据同时对数据块（除校验字节外）求和（或各字节异或），将所得的结果与发送方的“校验和”进行比较，相符则无差错，否则即认为传送过程中出现了差错。
③循环冗余校验
这种校验是通过某种数学运算实现有效信息与校验位之间的循环校验，常用于对磁盘信息的传输、存储区的完整性校验等。
这种校验方法纠错能力强，广泛应用于同步通信中。
2.5传输速率与传输距离
①传输速率
比特率是每秒钟传输二进制代码的位数，单位是：
位／秒（bps）。
如每秒钟传送240个字符，而每个字符格式包含10位（1个起始位、1个停止位、8个数据位），这时的比特率为：
10位×240个/秒=2400bps
②传输距离与传输速率的关系
串行接口或终端直接传送串行信息位流的最大距离与传输速率及传输线的电气特性有关。
当传输线使用每0.3m（约1英尺）有50PF电容的非平衡屏蔽双绞线时，传输距离随传输速率的增加而减小。
当比特率超过1000bps时，最大传输距离迅速下降，如9600bps时最大距离下降到只有76m（约250英尺）。
2.6MCS-51的串行口
2.6.1串行口的结构
如图（2-2）为串行口的结构
图2-2串行口的结构
2.6.2MCS-51的串行和控制寄存器
2.6.2.1串行口和控制寄存器
MCS-51单片机串行口专用寄存器结构如图所示。
SBUF为串行口的收发缓冲器，它是一个可寻址的专用寄存器，其中包含了接收寄存器和发射寄存器，可以实现全双工通信。
但这两个寄存器具有同一地址（99H）。
MCS-51的串行数据传输很简单，只要向缓冲器写入数据就可发送数据。
而从接收缓冲器读出数据既可接收数据。
此外，接收缓冲器前还加上一级输入移位寄存器，MCS-51这种结构的目的在于接收数据时避免发生重叠现象，称这种结构为双缓冲结构。
而发送数据就不需要这样设计，因为发送时，CPU是主动的，不可能出现这种情况。
⑴：
串行通信寄存器
SCON控制寄存器是一个可位寻址的专用寄存器，用于串行数据通信的控制，单元地址是98H，其结构格式如下（表2-1）：
表2-1串行通信寄存器
SCON
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
SM0
SM1
SM2
REN
TB8
RB8
TI
RI
位地址
9FH
9EH
8DH
9CH
9BH
9AH
99H
98H
下面我们对各个控制位功能介绍如下：
①SM0、SM1：
串行口工作方式控制位
SMOSM1工作方式功能说明
00方式0移位寄存器方式（用于I/O扩展）
01方式18位UART，波特率可变（T1溢出率/n）
10方式29位UART，波特率为fosc/64或fosc/32
1
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