串行通信.docx

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串行通信

异步串行通信

起始位：

⑴起始位——开始一个字符的传送的标志位。

起始位使数据线处于“0”状态。

位时间：

⑸位时间——一个格式位的时间宽度。

数据位：

数据位——起始位之后传送的数据信号位。

在数据位中，低位在前（左）高位在后（右）。

由于字符编码方式的不同，数据位可以是5、6、7或8位。

奇偶校验位：

用于对字符的传送作正确性检查，因此奇偶效验位是可选择的，共有3种可能，即奇效验、偶效验和无效验，由用户根据需要选定。

停止位：

用以标志一个字符的结束，它对应于“1”状态。

停止位在一帧的最后，它可能是1、1.5或2位，在实际中根据需要确定。

帧（frame）——从起始位开始到停止位结束的全部内容称之为一帧。

帧是一个字符的完整通信格式，因此也就把串行通信的字符格式称之为帧格式。

同步串行通信

同步通信中，在数据开始传送前用同步字符来指示（常约定1～2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，其数据格式如图8-3所示。

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，还要把时钟信号同时传送。

同步传送的优点是可以提高传送速率（达56kbps或更高），但硬件比较复杂。

串行数据的传输

单工形式的数据传送是单向的，通信双方中一方固定为接收端。

单工形式的串行通信，只需要一条数据线，如图所示

半双工形式的数据传送也是双向的，但任何时刻只能由其中的一方发送数据，另一方接收数据。

因此半双工形式既可以使用一条数据线，也可以使用两条数据线，如上图所示。

全双工形式的数据传送是双向的，且可以同时发送和接收数据，因此全双工形式的串行通信需要两条数据线，如上图所示。

异步串行通信的信号形式

近程通信：

近程通信采用数字信号直接传送形式，即在传送过程中不改变原数据代码的波形和频率。

这种数据传送方式称之为基带传送方式。

计算机内部的数据信号是TTL电平标准，而通信线上的数据信号却是RS232C电平标准。

然而，尽管电平标准不同，但数据信号的波形和频率并没有改变。

近程串行通信只需用传输线把两端的接口电路直接连起来即可实现，既方便又经济。

远程通信

远距离直接传送数字信号，信号会发生畸变，因此要把数字信号变为模拟信号再进行传送。

信号形式的转变通常使用频率调制法，即以不同频率的载波信号代表数字信号的两种不同电平状态。

这种数据传送方式就称为频带传送方式。

波特率

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，它的单位是位/秒（bps）。

波特率对于CPU与外界的通信是很重要的。

假设数据传送速率是120bps，而每个字符格式包含10个代码位（1个起始位、1个终止位、8个数据位），这时传送的波特率为：

l0×l20bps=1200bps

每一位代码的传送时间td为波特率的倒数。

波特率是衡量传输通道频宽的指标，它和传送数据的速率并不一致。

如上例中，因为除掉起始位和终止位，每一个数据实际只占8位，所以数位的传送速率为：

8×120bps=960bps

接收/发送时钟

在串行通信过程中二进制数字系列以数字信号波形的形式出现，不论接收还是发送，都必须有时钟信号对传送的数据进行定位。

接收/发送时钟就是用来控制通信设备接收/发送字符数据速度的，该时钟信号通常由微机内部时钟电路产生。

在接收数据时，接收器在接收时钟的上升沿对接收数据采样，进行数据位检测；在发送数据时，发送器在发送时钟的下降沿将移位寄存器的数据串行移位输出。

如下图所示。

接收/发送时钟频率与波特率有如下关系：

收/发时钟频率=n×收/发波特率

收/发波特率其中频率系数n=1,16,64。

对于同步传送方式，必须取n=l，即接收/发送时钟的频率等于收/发波特率。

对于异步传送方式,n=1，16，64，即可以选择的接收/发送时钟频率是波特率的1，16或64倍。

因此，可由要求的传送波特率及所选择的倍数n来确定接收/发送时钟的频率。

串行通信的过程

串行通信协议

1．起始位

当通信线上没有数据被传送时处于逻辑“1”状态。

当发送设备要发送一个字符数据时，首先发出一个逻辑“0”信号，这个逻辑低电平就是起始位。

起始位通过通信线传向接收设备，接收设备检测到这个逻辑低电平后，就开始准备接收数据位信号。

起始位所起的作用就是使设备同步，通信双方必须在传送数据位前协调同步。

2．数据位

当接收设备收到起始位后，紧接着就会收到数据位。

数据位的个数可以是5、6、7或8，PC机中经常采用7位或8位数据传送，8051串行口采用8位或9位数据传送。

这些数据位被接收到移位寄存器中，构成传送数据字符。

在字符数据传送过程中，数据位从最低有效位开始发送，依次在接收设备中被转换为并行数据。

3．奇偶校验位

数据位发送完之后，便可以发送奇偶校验位。

奇偶校验用于有限差错检测，通信双方应约定一致的奇偶校验方式。

如果选择偶校验，那么组成数据位和奇偶位的逻辑“1”的个数必须是偶数；如果选择奇校验，那么逻辑“1”的个数必须是奇数。

4．停止位约定

在奇偶位或数据位（当无奇偶校验时）之后发送的是停止位。

停止位是一个字符数据的结束标志，可以是1位、1.5位或2位的低电平。

接收设备收到停止位之后，通信线路上便又恢复逻辑“1”状态，直至下一个字符数据的起始位到来。

5.波特率设置

通信线上传送的所有位信号都保持一致的信号持续时间，每一位的宽度都由数据传送速率确定，而传送速率是以每秒多少个二进制位来度量的，这个速率叫波特率。

如果数据以每秒300个二进制位在通信线上传送，那么这个传送速率为300bps。

6.软件挂钩（握手）信号约定

串行接口电路——通用的异步接收/发送器（UART）

现把UART的主要功能综述如下

1．数据的串行化/反串行化

所谓串行化处理就是把并行数据变换为串行数据。

所谓反串行化就是把串行数变换为并行数据。

在UART中，完成数据串行化的电路属发送器，而实现数据反串行化处理的电路则属接收器。

2．格式信息的插入和滤除

格式信息是指异步通信格式中的启始位、奇偶位和停止位等。

在串行化过程中，按格式要求把格式信息插入，与数据位一起构成串行数据位串，然后进行串行数据传送。

在反串行化过程中，则把格式信息滤除而保留数据位。

3．错误检验

错误检验的目的在于检验数据通信过程是否正确。

在串行通信中可能出现的错误包括奇偶错和帧错等。

串行口寄存器结构

图中SBUF是串行口的缓冲寄存器，它是一个可寻址的专用寄存器，其中包括发送寄存器和接收寄存器，以便能以全双工方式进行通信。

这两个寄存器有同一地址（99H）。

串行发送时，向SBUF写入数据；串行接收时，从SBUF读出数据。

此外，在接收寄存器之前还有移位寄存器，从而构成了串行接收的双缓冲结构，以避免在数据接收过程中出现帧重叠错误。

与接收数据情况不同，发送数据时，由于CPU是主动的，不会发生帧重叠错误，因此发送电路就不需双重缓冲结构。

串行控制寄存器（SCON）

电源控制寄存器PCON

该寄存器中除最高位之外，其它位都没有定义。

最高位（SMOD）是串行口波特率的倍增位，当SMOD=1时，串行口波特率加倍。

系统复位时，SMOD=0。

串行口的工作方式

串行口工作方式0

在方式0下,是把串行口作为同步移位寄存器使用,这时以RXD（P3.0）端作为数据移位的入口和出口,而由TXD（P3.1）端提供移位时钟脉冲.移位数据的发送和接收以8位为一组,低位在前高位在后。

实例

串行移位输出电路连接

使用CD4094的并行输出端接8只发光二极管，利用它的“串入并出”功能，把发光二极管从左向右依次点亮，

并反复循环。

假定发光二极管为共阴极型，则电路连接如上图所示。

当串行口把8位状态码串行移位输出后，TI置1。

如把TI作为状态查询标志，则使用查询方法完成的参考程序如下：

MOV

SCON，

#00H

；串行口方式0工作

CLR

ES

；禁止串行中断

MOV

A，

#80H

；发光管从左边亮起

DELR：

CLR

P1.0

；关闭并行输出

MOV

SBUF，

A

；串行输出

JNB

TI，

$

；状态查询

SETB

P1.0

；开启并行输出

ACALL

DELAY

；状态维持

CLR

TI

；清发送中断标志

RR

A

；发光右移

AJMP

DELR

；继续

串行口工作方式1

方式1的数据发送是由一条写发送缓冲器（SBUF）的指令开始的，随后在串行口由硬件自动加入起始位和停止位，构成一个完整的帧格式，然后在移位脉冲的作用下，由TxD端串行输出。

一个字符帧发送完后，使TXD输出线维持在“1”状态下，并将SCON寄存器的TI置“1”，通知CPU可以接着发送下一个字符。

RxD（P3.0）

TxD（P3.1）

RXD（P3.0）端作为数据移位的入口和出口,

而由TXD（P3.1）端提供移位时钟脉冲

接收数据时，SCON的REN位应处于允许接收状态（REN=1）。

在此前提下，串行口采样RXD端，当采样到从“1”向“0”的状态跳变时，就认定是接收到起始位。

随后在移位脉冲的控制下，把接收到的数据位移入接收缓冲器（SBUF）中。

直到停止位到来之后把停止位送入RB8中，并置位中断标志位RI，通知CPU从SBUF取走接收到的一个字符。

在接收数据时，接收器在接收时钟的上升沿对接收数据采样，进行数据位检测；在发送数据时，发送器在发送时钟的下降沿将移位寄存器的数据串行移位输出。

波特率的设定

方式0的波特率是固定的（fosc/12），但方式1的波特率则是可变的。

若以定时器1作波特率发生器，则方式1的波特率=

当定时器1作波特率发生器使用时，选用定时方式2。

之所以选择工作方式2，是因为方式2具有自动加载功能，可以避免通过程序反复装入初值所引起的定时误差，使波特率更稳定。

工作方式2，3

方式1是10位为一帧的异步串行通信方式。

共包括1个起始位，8个数据位和1个停止位。

方式2是11位为一帧的串行通信方式。

在方式2下，字符还是8个数据位，只不过增加了一个第9数据位（D8），而且其功能由用户确定，是一个可编程位。

在发送数据时，应预先在SCON的TB8位中把第9数据位的内容准备好。

这可使用如下指令完成：

SETBTB8；TB8位置“1”

CLRTB8；TB8位置“0”

在方式2、3时，其值由用户通过软件设置。

在双机通信时，TB8一般作为奇偶效验位使用；在多机通信中，常以TB8位的状态表示主机发送的是地址帧还是数据帧，且一般约定：

TB8=0为数据帧，TB8=1为地址帧。

发送数据（D0~D7）由MOV指令向SBUF写入，而D8位的内容则由硬件电路从TB8中直接送到发送移位寄存器的第9位，并以此来启动串行发送。

一个字符帧发送完毕后，将TI位置“1”，其它过程与方式1相同，方式2的接收过程也与方式1基本相似，所不同的只在第9数据位上。

方式2的波特率是固定的，且有两种。

一种是晶振频率的三十二分之一；另一种是晶振频率的六十四分之一。

方式3同样是11位为一帧的串行通信方式，其通信过程与方式2完全相同，所不同的仅在于波特率。

方式3的波特率可由用户根据需要设定，其设定方法与方式1相同。