8051单片机的异步串行通信技术.docx
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8051单片机的异步串行通信技术
第八章8051单片机的异步串行通信技术
第一节概述
计算机与外界的信息交换称为通信。
常用通信方式有两种：
并行通信与串行通信，简称并行传送和串行传送。
并行传送具有传送速度快，效率高等优点，但传送多少数据位就需要多少根数据线，传送成本高；串行传送是按位顺序进行数据传送，最少仅需要一根传输线即可完成，传送距离远，但传送速度慢。
串行通信又分同步和异步两种方式。
同步通信中，在数据传送开始时先用同步字符来指示（常约定1—2个），并由同时传送的时钟信号来实现发送端和接收端同步，即检测到规定的同步字符后，接着就连续按顺序传送数据。
这种传送方式对硬件结构要求较高。
在单片机异步通信中，数据分为一帧一帧地传送，即异步串行通信一次传送一个完整字符，字符格式如图8—1所示：
图8—1异步串行通信的字符格式
一个字符应包括以下信息：
1.起始位：
对应逻辑0（space）状态。
发送器通过发送起始位开始一帧字符的传送。
2.数据位：
起始位之后传送数据位。
数据位中低位在前，高位在后。
数据位可以是5、6、7、8位。
3.奇偶校验位：
奇偶校验位实际上是传送的附加位，若该位用于用于奇偶校验，可校检串行传送的正确性。
奇偶校验位的设置与否及校验方式（奇校验还是偶校验）由用户需要确定。
4.停止位：
用逻辑1（mark）表示。
停止位标志一个字符传送的结束。
停止位可以是1、1.5或2位。
串行通信中用每秒传送二进制数据位的数量表示传送速率，称为波特率。
1波特＝1bps（位/秒）
例如数据传送速率是240帧/秒，每帧由一位起始位、八位数据位和一位停止位组成，则传送速率为：
10×240＝2400位/秒＝2400波特
单片机的串行通信主要采用异步通信传送方式。
在串行通信中，按不同的通信方向有单工传送和双工传送之分，如图8—2所示：
甲机乙机
（a）单工传送
甲机乙机
（b）双工传送
甲机乙机
（c）全双工传送
图8—2单片机串行通信方向示意
图8—2（a）中，甲.乙两机只能单方向发送或接收数据；
图8—2（b）中，甲机和乙机能分时进行双向发送和接收数据；
图8—2（c）中，甲，乙两机能同时双向发送和接收数据。
第二节8051串行口的基本结构
MCS—51系列单片机串行口结构框图如图8—3所示：
图8—38051串行口结构框图
一、串行口缓冲寄存器SBUF
图8—3中SUBF是串行口缓冲寄存器，发送SBUF和接收SBUF地址同为99H，但由于发送SBUF不能接收数据，接收SBUF也不具有发送功能，故二者工作互不干扰。
当CPU向SBUF写入时，数据进入发送SBUF，同时启动串行发送；CPU读SBUF时，实际上是读接收SBUF数据。
二、串行通信控制寄存器
与串行通信有关的控制寄存器主要是串行通信控制寄存器SCON。
SCON是8051的一个可以位寻址的专用寄存器，用于串行数据通信的控制。
SCON的单元地址98H，位地址9FH—98H。
寄存器内容及位地址表示如下：
SCON
位地址
9F
9E
9D
9C
9B
9A
99
98
位符号
SM0
SM1
SM2
REN
TB8
RB8
TI
RI
各位功能说明如下：
位符号
功能说明
SM0，SM1
SM0，SM1──串行口工作方式选择位：
SM0SM1工作方式功能
0008位数码传送，波特率固定，为f晶振/12。
01110位数码传送，波特率可变。
10211位数码传送，波特率固定，为f晶振/64或f晶振/32。
11311位数码传送，波特率可变。
SM2
SM2──多机通信控制位：
当串行口以方式2或方式3接收时，如SM2＝1，则只有当接收到的第九位数据（RB8）为1，才将接收到的前8位数据送入接收SBUF，并使RI位置1，产生中断请求信号；否则将接收到的前8位数据丢弃。
而当SM2＝0时，则不论第九位数据为0还是为1，都将前8位数据装入接收SBUF中，并产生中断请求信号。
对方式0，SM2必须为0，对方式1，当SM2=1，只有接收到有效停止位后才使RI位置1。
REN
REN──允许接收位，用于对串行数据的接收进行控制：
REN＝0，禁止接收；REN＝1，允许接收。
该位由软件置1或清零。
TB8
TB8──发送数据位8：
在方式2和方式3时，TB8是要发送的第9位数据。
RB8
RB8——接收数据位8：
在方式2和方式3中，RB8位存放接收到的第9位数据
TI
TI──发送中断标志：
当方式0时，发送完第8位数据后，该位由硬件置位。
在其它方式下，于发送停止位之前由硬件置位。
因此TI＝1，表示帧发送结束。
其状态既可供软件查询使用，也可请求中断。
TI位由软件清0。
RI
RI──接收中断标志：
当方式0时，接收完第8位数据后，该位由硬件置1。
在其它方式下，当接收到停止位时，该位由硬件置位。
因此RI＝1，表示帧接收结束。
其状态既可供软件查询使用，也可以请求中断。
RI位由软件清0。
另外，电源控制寄存器PCON中SMOD位可影响串行口的波特率。
当（SMOD）＝1，串行口波特率加倍。
还有中断允许寄存器IE中的ES位可选择串行口中断允许或禁止。
ES＝0，禁止串行口中断
ES＝1，允许串行口中断
第三节8051串行通信工作方式及应用
8051单片机的串行通信共有四种工作方式：
1．串行工作方式0
串行口为同步移位寄存器方式，波特率固定为f晶振/12。
该方式主要用于I/O口扩展等，方式0传送数据时，串行数据由RXD（P3.0）端输入或输出，而TXD（P3.1）此时仅作为同步移位脉冲发生器发出移位脉冲。
串行数据的发送和接收以8位为一帧，不设起始位和停止位，其格式如下：
D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
方式0输出数据时，向SBUF写入数据的指令：
MOVSBUF，A
或：
MOVSBUF，XXH
即为从RXD端输出数据的发送启动指令。
当８位数据全部移出后，SCON中的TI位被自动置1。
方式0输入数据时，使SCON中REN位置1指令：
SETBREN
即为从RXD端输入数据启动指令。
当接收到8位数据后SCON中的RI位被自动置1。
方式0工作时往往需要外部有串入并出寄存器（输出）和并入串出寄存器（输入）配合使用，方式0多用于将串行口转变为并行口的使用场合，如图8—4所示：
并行输出并行输入
8051串行输出P8……P18051串行输入P8……P1
RXDDCD4094RXDQ8CD4014
TXDCLKSTBTXDCLKP/S
移位脉冲移位脉冲
P1.0P1.0
（a）（b）
图8—4串行工作方式0与输入，输出电路的连接示例
图8—4（a）中CD4094是”串入并出”移位寄存器，TXD端输出频率为F晶振/12的固定方波信号（移位脉冲），在该移位脉冲的作用下，D端串行输入数据可依次存入CD4094内部8D锁存器锁存。
P1.0为选通信号，当P1.0=STB为高电平时，将内部8D锁存器数据并行输出。
图8—4（b）中CD4014为“串入/并出—串出”移位寄存器，P1—P8为并行输入端，Q8为串行输出端，当P1.0=P/S=1，加在并行输入端P1—P8上的数据在时钟脉冲作用下从Q8端串行输出。
方式0的移位操作的波特率固定为单片机晶振频率f晶振的十二分之一。
即：
波特率=f晶振/12。
例如当f晶振=12MHZ，波特率=106（位/秒）。
例8—1试编写从CD4094并行输出数据36H的参考程序：
解：
参考程序如下：
MOVSCON，#00H；串行口工作方式0。
CLRES；禁止串行口中断。
MOVA，#36H；传送数据送A。
CLRP1.0；关闭并行输出。
MOVSBUF，A；启动串行输出。
HERE：
JBCTI，FS；等待串行输出完毕。
AJMPHERE
FS：
SETBP1.0；开启并行输出。
RET；返回。
2．串行工作方式1
（1）方式１传送的数据格式
方式１传送一帧为10位的串行数据，包括1位起始位，8位数据位和1位停止位。
其帧格式为：
起
始D0D1D2D3D4D5D6D7停
止
（2）方式1的波特率的确定
方式1的波特率是可变的，计算公式为：
波特率=（2smod/32）×（T1溢出率）
其中smod为PCON寄存器最高位的值。
所谓定时器T1的溢出就是T1在单位时间内溢出的次数。
如设T1为工作方式2，那么T1定时时间：
T1定时=（28—X）×T机=（28—X）×12/F晶振
则T1的溢出率=1/T1定时=F晶振/（12（28—X））
由此可得波特率的计算公式为：
波特率=（2smod/32）×F晶振/（12（28—X））
实际使用时总是先确定波特率，再计算定时器T1的记数初值X，然后进行T1的初始化。
根据上述波特率的计算公式，可得T1记数初值的计算公式为：
X=256－（F晶振×2smod）/（384×波特率）
定时器T1之所以选择工作方式2，是因为方式2具有自动加载功能，可避免通过程序反复装入计数初值而影响波特率的准确性。
（3）方式1数据的发送和接收
方式1的数据发送由一条写入单片机发送寄存器SBUF指令启动。
8位数据在串行口由硬件自动加入起始位和停止位组成完整的帧格式。
在内部移位脉冲作用下，由TXD端串行输出。
发送完一帧数据后，使TXD输出端维持”1”状态并置使TI标志位置1以通知CPU发送下一个字符。
接收数据由接收单片机SCON中的REN置1开始，随后串行口不断采样RXD端电平，当采样到RXD端电平从1向0跳变时，就认定是接收信号并开始接收从RXD端输入的数据，并送入内部接收寄存器SBUF中，直到停止位到来之后，并使RI位置1，通知CPU从SBUF中取走接收到的一帧字符。
方式1传送数据时发送前应先清TI，接收前应先清RI。
例8—2甲，乙两单片机拟以工作方式1进行串行数据通信，波特率为1200，甲机发送，发送数据在甲机外部RAM1000H－101FH单元中。
乙机接收，并把接收数据依次放入乙机外部RAM1000H－101FH单元中。
甲，乙机晶振频率均为6MHZ。
连接方式如图8—5所示：
TXDRXD
甲机乙机
图8—5例8—2示意图
解：
设定：
（1）甲、乙机定时用工作方式2，即初值
6×106×1
384×1200
X＝256－＝243＝F3H
（2）SMOD＝0，即波特率不倍增。
（3）用查询传送方式。
（4）SCON=01000000B=40H
可得甲机发送主程序如下：
ORG0030H
MOVTMOD，#20H；设定时器1工作方式2。
MOVTL1，#0F3H；设置定时器初值。
MOVTH1，#0F3H；设置重装值。
CLREA；禁止中断。
MOVPCON，#00H；（SMOD）=0。
MOVSCON，#40H；设串行工作方式1，禁止接收。
MOVDPTR，#1000H；建立发送数据地址指针初值。
MOVR7，#20H；建立计数指针。
SETBTR1；启动定时器1。
SEND：
MOVXA，@DPTR；取数据。
MOVSBUF，A；启动数据传送操作。
JNBTI，$；等待一帧发送完毕。
CLRTI；清TI标志。
INCDPTR；指向下一单元。
DJNZR7，SEND；数据块传送结束?
没结束继续传送。
CLRTR1；传送结束，停止定时器1工作。
RET；返回。
乙机接收参考程序如下：
ORG0030H
MOVTMOD，#20H；设定时器1工作方式2。
MOVTL1，#0F3H；设置定时器初值。
MOVTH1，#0F3H；设置重装值。
CLREA；禁止中断。
MOVPCON，#00H；SMOD=0。
MOVSCON，#40H；设串行工作方式1。
MOVDPTR，#1000H；建立接收地址指针初值。
MOVR7，#20H；建立计数指针。
SETBTR1；启动定时器T1。
SETBREN；启动接收数据操作。
RECIV：
JNBRI，$；等待数据接收完毕。
CLRRI；清RI标志。
MOVA，SBUF；取数据。
MOVX@DPTR，A；送外部RAM。
INCDPTR；指向下一单元。
DJNZR7，RECIV；数据块接收完毕?
没完继续接收。
CLRTR1；接收完毕，停止定时器1工作。
RET；返回。
如改用中断方式甲机发送参考程序如下：
ORG0000H
AJMPMAIN
ORG0023H
LJMPASEND；建立串行中断口地址。
ORG0030H
MAIN：
MOVSP，#30H；设置堆栈。
MOVTMOD，#20H；设定时器1工作方式2。
MOVTL1，#0F3H；设置定时器初值。
MOVTH1，#0F3H；设置重装值。
MOVPCON，#00H；SMOD=0。
MOVSCON，#40H；设串行工作方式１。
MOVR7，#1FH；建立计数指针。
MOVDPTR，#1000H；建立发送地址指针初值。
SETBEA；总中断允许。
SETBES；串行中断允许。
SETBTR0；启动定时器0。
MOVXA，@DPTR；第一个数据送A。
MOVSBUF，A；启动传送数据操作。
INCDPTR；指向下一RAM单元。
WAIT：
AJMP$；等待中断。
中断服务子程序：
ORG0100H
CLRTI；清TI。
ASEND：
MOVXA，@DPTR；取数据。
MOVSBUF，A；传送数据
INCDPTR；指向下一单元。
DJNZR7，GOON；传送结束？
没结束继续传送。
CLREA；传送结束，关闭。
CLRTR1
GOON：
RETI；返回。
顺便指出，甲机以中断方式传送数据时，计数指示为1FH而非20H，这是因为在启动甲机发送时已经向SBUF发送了一个数据。
至于乙机，既可用上述查询方式接收，也可用中断方式接收。
中断方式程序设计思路与查询方式类似，不再细述。
在异步串行通讯中，接收机以波特率的3倍检测RXD端信号，检测到两次以上相同信号即为有效信号。
在实际应用中，可根椐需要加入奇偶校验位一起传送，以提高传送的可靠性。
例8—3甲，乙两单片机同样以工作方式1进行串行数据通信，波特率为1200，甲机发送，发送数据在甲机外部RAM1000H－101FH单元中，在发送之前先将数据块长度发送给乙机，发送完后，向乙机发送一个累加校验和。
乙机接收，乙机首先接收数据长度，然后接收数据，并把接收数据依次放入乙机外部RAM1000H－101FH单元中，接收完毕后进行一次累加和校验，数据全部接收完毕时向甲机送出状态字，表示传送状态。
甲、乙机晶振频率均为6MHZ。
连接方式见图8—6：
甲乙
TXDRXD
RXDTXD
图8—6例8—3示意图
解：
设定如下：
（1）波特率约定为1200，以定时器T1为波特率发生器，T1用工作方式2（SMOD）＝0，波特率不倍增。
6×106×1
384×1200
则初值：
X＝256—＝243＝F3H
（2）设置R5为累加和寄存器，R6为数据块长度寄存器。
（3）用查询传送方式。
（4）串行口为工作方式1，允许接收，即；
SCON=01010000B=50H
可得甲机发送主程序如下：
ORG0030H
MOVTMOD，#20H；设定时器1工作方式2。
MOVTL1，#0F3H；设置定时器初值。
MOVTH1，#0F3H；设置重装值。
SETBTR1；启动定时器1。
MOVPCON，#00H；（SMOD）=0。
MOVSCON，#50H；设串行工作方式1，允许接收。
AGAIN：
MOVDPTR，#1000H；建立发送数据地址指针初值。
MOVR6，#20H；数据块长度送R6。
MOVR5，#00H；累加和寄存器清“0”。
MOVSBUF，R6；先发送长度值。
L1：
JBCTI，L2；等待发送结束。
AJMPL1
L2：
MOVXA，@DPTR；取数据块中数据。
MOVSBUF，A；发送数据。
ADDA，R5；发送数据累加。
MOVR5，A；累加和送R5。
INCDPTR；地址加1。
L3：
JBCTI，L4；等待一帧数据发送完毕。
AJMPL3
L4：
DJNZR6，L2；判断数据块是否发送完，若未完继续发送。
MOVSBUF，R5；数据块发送完毕，发累加和校验码。
L5：
JBCTI，L6；等待发送累加和码结束。
AJMPL5
L6：
JBCRI，L7；接收从机发来的结果标志码。
AJMPL6
L7：
MOVA，SBUF
JZL8；若标志码为00H，表示接收正确，返回；反之重发。
AJMPAGAIN；发送有错，重发。
L8：
RET
乙机接收参考程序如下：
ORG0030H
MOVTMOD，#20H；设定时器1工作方式2。
MOVTL1，#0F3H；设置定时器初值。
MOVTH0，#0F3H；设置重装值。
SETBTR1；启动T1。
MOVPCON，#00H；SMOD=0。
MOVSCON，#50H；设串行工作方式1，允许接收。
AGAIN：
MOVDPTR，#1000H；建立接收地址指针初值
L0：
JBCRI，L1；接收发送长度值。
AJMPL0
L1：
MOVA，SBUF
MOVR6，A；取发送长度值送R6。
MOVR5，#00H；累加和寄存器清”0”。
WAIT：
JBCRI，L2；接收数据。
AJMPWAIT
L2：
MOVA，SBUF
MOVX@DPTR，A；将所接收数据送数据区。
INCDPTR；指向下一单元。
ADDA，R5；累加。
MOVR5，A
DJNZR6，WAIT；若数据接收未完继续。
L3：
JBCRI，L4；数据接收完毕，接收主机的累加校验码。
AJMPL3
L4：
MOVA，SBUF；取主机累加和校验码。
XRLA，R5；与本机累加和进行校验。
JZL7；若校验正确转L7。
MOVSBUF，#0FFH；校验出错，回送校验出错标志码FFH，表示要求主机重发。
L5：
JBCTI，L6；回送FFH。
AJMPL5
L6：
AJMPAGAIN；重新接收
L7：
MOVSBUF，#00H；回送校验正确标志码00H。
L8：
JBCTI，L9；回送。
AJMPL8
L9：
RET；接收完成，返回。
3．串行工作方式2
方式2是11位为一帧的串行通信方式，即1位始位，9位数据位和1位停止位。
其中第9位数据既可作奇偶校验位，也可作控制位使用。
其帧格式为：
起
始D0D1D2D3D4D5D6D7D8停
止
附加第9位（D8）由软件置1或清零。
方式2发送时单片机自动将SBUF中8位数据加上SCON中TB8作为第9位数据进行发送。
接收时，单片机将接收到的前8位数据送入SBUF，而在SCON中RB8位中存放第9位数据。
方式2波特率只有两种，用公式表示：
波特率＝（2smod/64）×f晶振
当SMOD=0，波特率为f晶振/64
当SMOD=1，波特率为f晶振/32
4．串行工作方式3
方式3通信过程与方式2完全相同。
区别仅在于方式3的波特率可通过设置定时的工作方式和初值来设定（与串行工作方式1波特率设定方法相同）。
顺便指出，由于方式1和方式3的波特率设置较为灵活，在单片机串行通信中得到广泛应用。
第四节单片机多机通信原理
单片机多机通信是指一台主机和多台从机之间的通信。
8051的串行通信控制寄存器SCON中设有多机通信控制位SM2（SCON.5）。
串行口以方式2或方式3接收时，若SM2＝1，则仅当接收到的第九位数据为1时，才将数据送入接收缓冲器SBUF，并置位RI发出中断请求信号，否则将丢失信息；而当SM2＝0时，则无论第九位是0还是1，都能将数据装入SBUF，并产生中断请求信号。
根据这个特性，便可实现主机与多个从机之间的串行通信。
图8—7为8051多机通信连接示意图，图中8051为主机，其余8051为从机。
TXD
RXD
TXDRXDTXDRXDTXDRXD
8051805180518051
主机
0#从机1#从机2#从机
图8—7多机通信连接示意
以主机向从机发送数据为例，在编程前，可先定义各从机通信地址，设三个从机地址分别为00H，01H，和02H。
主机和从机在初始化程序中将串行口工作方式设定为11位异步通信方式（方式2或方式3），且置位SM2，允许串行口中断。
在主机和某一从机通信之前，先向所有从机发出所选从机的地址，即联络通信命令，接着才发送数据或命令。
在主机发送地址时，地址数据标识位TB8（即发送的第九位数据）设置1以表示地址信息，各从机接收到主机发来的地址信息后，则置位中断标志RI，中断后判断主机送来的地址与本从机是否相符。
若为本地址，则将本机SM2位清0，准备与主机进行数据通信。
没选中的从机则保持SM2＝1状态，接着主机发送数据帧（TB8＝0表示），各串行口同时收到了数据帧，而只有已选中的从机（SM2＝0）才能产生中断并接收该数据，其余从机因收到第九位数据RB8＝0且本机SM2＝1，所以将数据丢掉。
这就实现了主机和从机的一对一通信。
通信只能在主从机之间进行，如若在两个从机之间进行，必需通过
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