單片機(jī)串口理解

串行接口

8051單片機(jī)的通訊方式有兩種：

并行通訊:數(shù)據(jù)的各位同時(shí)發(fā)送或接收。

串行通訊:數(shù)據(jù)一位一位順序發(fā)送或接收。參看下圖：

串行通訊的方式：

異步通訊：它用一個(gè)起始位表示字符的開(kāi)始，用停止位表示字符的結(jié)束。其每幀的格式如下：

在一幀格式中，先是一個(gè)起始位0，然后是8個(gè)數(shù)據(jù)位，規(guī)定低位在前，高位在后，接下來(lái)是奇偶校驗(yàn)位(可以省略)，最后是停止位1。用這種格式表示字符，則字符可以一個(gè)接一個(gè)地傳送。

在異步通訊中，CPU與外設(shè)之間必須有兩項(xiàng)規(guī)定，即字符格式和波特率。字符格式的規(guī)定是雙方能夠在對(duì)同一種0和1的串理解成同一種意義。原則上字符格式可以由通訊的雙方自由制定，但從通用、方便的角度出發(fā)，一般還是使用一些標(biāo)準(zhǔn)為好，如采用ASCII標(biāo)準(zhǔn)。

波特率即數(shù)據(jù)傳送的速率，其定義是每秒鐘傳送的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)。例如，數(shù)據(jù)傳送的速率是120字符/s，而每個(gè)字符如上述規(guī)定包含10數(shù)位，則傳送波特率為1200波特。

同步通訊：在異步通訊中，每個(gè)字符要用起始位和停止位作為字符開(kāi)始和結(jié)束的標(biāo)志，占用了時(shí)間;所以在數(shù)據(jù)塊傳遞時(shí)，為了提高速度，常去掉這些標(biāo)志，采用同步傳送。由于數(shù)據(jù)塊傳遞開(kāi)始要用同步字符來(lái)指示，同時(shí)要求由時(shí)鐘來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)送端與接收端之間的同步，故硬件較復(fù)雜。

通訊方向：在串行通訊中，把通訊接口只能發(fā)送或接收的單向傳送方法叫單工傳送;而把數(shù)據(jù)在甲乙兩機(jī)之間的雙向傳遞，稱之為雙工傳送。在雙工傳送方式中又分為半雙工傳送和全雙工傳送。半雙工傳送是兩機(jī)之間不能同時(shí)進(jìn)行發(fā)送和接收，任一時(shí)該，只能發(fā)或者只能收信息。

8051單片機(jī)的串行接口結(jié)構(gòu)

8051串行接口是一個(gè)可編程的全雙工串行通訊接口。它可用作異步通訊方式(UART)，與串行傳送信息的外部設(shè)備相連接，或用于通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)異步通訊協(xié)議進(jìn)行全雙工的8051多機(jī)系統(tǒng)也可以通過(guò)同步方式，使用TTL或CMOS移位寄存器來(lái)擴(kuò)充I/O口。

8051單片機(jī)通過(guò)引腳RXD(P3.0，串行數(shù)據(jù)接收端)和引腳TXD(P3.1，串行數(shù)據(jù)發(fā)送端)與外界通訊。SBUF是串行口緩沖寄存器，包括發(fā)送寄存器和接收寄存器。它們有相同名字和地址空間，但不會(huì)出現(xiàn)沖突，因?yàn)樗鼈儍蓚€(gè)一個(gè)只能被CPU讀出數(shù)據(jù)，一個(gè)只能被CPU寫(xiě)入數(shù)據(jù)。

串行口控制寄存器SCON

它用于定義串行口的工作方式及實(shí)施接收和發(fā)送控制。字節(jié)地址為98H，其各位定義如下表：

SM0、SM1：串行口工作方式選擇位，其定義如下：

其中fosc為晶振頻率

SM2：多機(jī)通訊控制位。在方式0時(shí)，SM2一定要等于0。在方式1中，當(dāng)(SM2)=1則只有接收到有效停止位時(shí)，RI才置1。在方式2或方式3當(dāng)(SM2)=1且接收到的第九位數(shù)據(jù)RB8=0時(shí)，RI才置1。

REN：接收允許控制位。由軟件置位以允許接收，又由軟件清0來(lái)禁止接收。

TB8: 是要發(fā)送數(shù)據(jù)的第9位。在方式2或方式3中，要發(fā)送的第9位數(shù)據(jù)，根據(jù)需要由軟件置1或清0。例如，可約定作為奇偶校驗(yàn)位，或在多機(jī)通訊中作為區(qū)別地址幀或數(shù)據(jù)幀的標(biāo)志位。

RB8：接收到的數(shù)據(jù)的第9位。在方式0中不使用RB8。在方式1中，若(SM2)=0，RB8為接收到的停止位。在方式2或方式3中，RB8為接收到的第9位數(shù)據(jù)。

TI： 發(fā)送中斷標(biāo)志。在方式0中，第8位發(fā)送結(jié)束時(shí)，由硬件置位。在其它方式的發(fā)送停止位前，由硬件置位。TI置位既表示一幀信息發(fā)送結(jié)束，同時(shí)也是申請(qǐng)中斷，可根據(jù)需要，用軟件查詢的方法獲得數(shù)據(jù)已發(fā)送完畢的信息，或用中斷的方式來(lái)發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)。TI必須用軟件清0。

RI： 接收中斷標(biāo)志位。在方式0，當(dāng)接收完第8位數(shù)據(jù)后，由硬件置位。在其它方式中，在接收到停止位的中間時(shí)刻由硬件置位(例外情況見(jiàn)于SM2的說(shuō)明)。RI置位表示一幀數(shù)據(jù)接收完畢，可用查詢的方法獲知或者用中斷的方法獲知。RI也必須用軟件清0。

串行口的工作方式

8051單片機(jī)的全雙工串行口可編程為4種工作方式，現(xiàn)分述如下：

一.方式0：

方式0為移位寄存器輸入/輸出方式。可外接移位寄存器以擴(kuò)展I/O口，也可以外接同步輸入/輸出設(shè)備。8位串行數(shù)據(jù)者是從RXD輸入或輸出，TXD用來(lái)輸出同步脈沖。

輸出 串行數(shù)據(jù)從RXD引腳輸出，TXD引腳輸出移位脈沖。CPU將數(shù)據(jù)寫(xiě)入發(fā)送寄存器時(shí)，立即啟動(dòng)發(fā)送，將8位數(shù)據(jù)以fos/12的固定波特率從RXD輸出，低位在前，高位在后。發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)后，發(fā)送中斷標(biāo)志TI由硬件置位。

輸入 當(dāng)串行口以方式0接收時(shí)，先置位允許接收控制位REN。此時(shí)，RXD為串行數(shù)據(jù)輸入端，TXD仍為同步脈沖移位輸出端。當(dāng)(RI)=0和(REN)=1同時(shí)滿足時(shí)，開(kāi)始接收。當(dāng)接收到第8位數(shù)據(jù)時(shí)，將數(shù)據(jù)移入接收寄存器，并由硬件置位RI。

下面兩圖分別是方式0擴(kuò)展輸出和輸入的接線圖。

二.方式1

方式1為波特率可變的10位異步通訊接口方式。發(fā)送或接收一幀信息，包括1個(gè)起始位0，8個(gè)數(shù)據(jù)位和1個(gè)停止位1。

輸出 當(dāng)CPU執(zhí)行一條指令將數(shù)據(jù)寫(xiě)入發(fā)送緩沖SBUF時(shí)，就啟動(dòng)發(fā)送。串行數(shù)據(jù)從TXD引腳輸出，發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)后，就由硬件置位TI。

輸入 在(REN)=1時(shí)，串行口采樣RXD引腳，當(dāng)采樣到1至0的跳變時(shí)，確認(rèn)是開(kāi)始位0，就開(kāi)始接收一幀數(shù)據(jù)。只有當(dāng)(RI)=0且停止位為1或者(SM2)=0時(shí)，停止位才進(jìn)入RB8，8位數(shù)據(jù)才能進(jìn)入接收寄存器，并由硬件置位中斷標(biāo)志RI;否則信息丟失。所以在方式1接收時(shí)，應(yīng)先用軟件清零RI和SM2標(biāo)志。

三.方式2

方式二為固定波特率的11位UART方式。它比方式1增加了一位可程控位1或0的第9位數(shù)據(jù)。

輸出: 發(fā)送的串行數(shù)據(jù)由TXD端輸出一幀信息為11位，附加的第9位來(lái)自SCON寄存器的TB8位，用軟件置位或復(fù)位。它可作為多機(jī)通訊中地址/數(shù)據(jù)信息的標(biāo)志位，也可以作為數(shù)據(jù)的奇偶校驗(yàn)位。當(dāng)CPU執(zhí)行一條數(shù)據(jù)寫(xiě)入SUBF的指令時(shí)，就啟動(dòng)發(fā)送器發(fā)送。發(fā)送一幀信息后，置位中斷標(biāo)志TI。

輸入: 在(REN)=1時(shí)，串行口采樣RXD引腳，當(dāng)采樣到1至0的跳變時(shí)，確認(rèn)是開(kāi)始位0，就開(kāi)始接收一幀數(shù)據(jù)。在接收到附加的第9位數(shù)據(jù)后，當(dāng)(RI)=0或者(SM2)=0時(shí)，第9位數(shù)據(jù)才進(jìn)入RB8，8位數(shù)據(jù)才能進(jìn)入接收寄存器，并由硬件置位中斷標(biāo)志RI;否則信息丟失。且不置位RI。再過(guò)一位時(shí)間后，不管上述條件時(shí)否滿足，接收電路即行復(fù)位，并重新檢測(cè)RXD上從1到0的跳變。

四.方式3

方式3為波特率可變的11位UART方式。除波特率外，其余與方式2相同。

波特率選擇

如前所述，在串行通訊中，收發(fā)雙方的數(shù)據(jù)傳送率(波特率)要有一定的約定。在8051串行口的四種工作方式中，方式0和2的波特率是固定的，而方式1和3的波特率是可變的，由定時(shí)器T1的溢出率控制。

方式0

方式0的波特率固定為主振頻率的1/12。

方式2

方式2的波特率由PCON中的選擇位SMOD來(lái)決定，可由下式表示：

波特率=2的SMOD次方除以64再乘一個(gè)fosc，也就是當(dāng)SMOD=1時(shí)，波特率為1/32fosc，當(dāng)SMOD=0時(shí)，波特率為1/64fosc

3.方式1和方式3

定時(shí)器T1作為波特率發(fā)生器，其公式如下：

波特率= 定時(shí)器T1溢出率

T1溢出率= T1計(jì)數(shù)率/產(chǎn)生溢出所需的周期數(shù)

式中T1計(jì)數(shù)率取決于它工作在定時(shí)器狀態(tài)還是計(jì)數(shù)器狀態(tài)。當(dāng)工作于定時(shí)器狀態(tài)時(shí)，T1計(jì)數(shù)率為fosc/12;當(dāng)工作于計(jì)數(shù)器狀態(tài)時(shí)，T1計(jì)數(shù)率為外部輸入頻率，此頻率應(yīng)小于fosc/24。產(chǎn)生溢出所需周期與定時(shí)器T1的工作方式、T1的預(yù)置值有關(guān)。

定時(shí)器T1工作于方式0：溢出所需周期數(shù)=8192-x

定時(shí)器T1工作于方式1：溢出所需周期數(shù)=65536-x

定時(shí)器T1工作于方式2：溢出所需周期數(shù)=256-x

因?yàn)榉绞?為自動(dòng)重裝入初值的8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器模式，所以用它來(lái)做波特率發(fā)生器最恰當(dāng)。

當(dāng)時(shí)鐘頻率選用11.0592MHZ時(shí)，取易獲得標(biāo)準(zhǔn)的波特率，所以很多單片機(jī)系統(tǒng)選用這個(gè)看起來(lái)“怪”的晶振就是這個(gè)道理。

下表列出了定時(shí)器T1工作于方式2常用波特率及初值。

串行口應(yīng)用編程實(shí)例

1. 串口方式0應(yīng)用編程 8051單片機(jī)串行口方式0為移位寄存器方式，外接一個(gè)串入并出的移位寄存器，就可以擴(kuò)展一個(gè)并行口。

例：用8051串行口外接CD4094擴(kuò)展8位并行輸出口，如圖所示，8位并行口的各位都接一個(gè)發(fā)光二極管，要求發(fā)光管呈流水燈狀態(tài)。串行口方式0的數(shù)據(jù)傳送可采用中斷方式，也可采用查詢方式，無(wú)論哪種方式，都要借助于TI或RI標(biāo)志。串行發(fā)送時(shí)，可以靠TI置位(發(fā)完一幀數(shù)據(jù)后)引起中斷申請(qǐng)，在中斷服務(wù)程序中發(fā)送下一幀數(shù)據(jù)，或者通過(guò)查詢TI的狀態(tài)，只要TI為0就繼續(xù)查詢，TI為1就結(jié)束查詢，發(fā)送下一幀數(shù)據(jù)。在串行接收時(shí)，則由RI引起中斷或?qū)I查詢來(lái)確定何時(shí)接收下一幀數(shù)據(jù)。無(wú)論采用什么方式，在開(kāi)始通訊之前，都要先對(duì)控制寄存器SCON進(jìn)行初始化。在方式0中將，將00H送SCON就可以了。

ORG 2000H

START: MOV SCON,#00H ;置串行口工作方式0

MOV A,#80H ;最高位燈先亮

CLR P1.0 ;關(guān)閉并行輸出(避象傳輸過(guò)程中，各LED的"暗紅"現(xiàn)象)

OUT0: MOV SBUF,A ;開(kāi)始串行輸出

OUT1: JNB TI,OUT1 ;輸出完否

CLR TI ;完了，清TI標(biāo)志，以備下次發(fā)送

SETB P1.0 ;打開(kāi)并行口輸出

ACALL DELAY ;延時(shí)一段時(shí)間

RR A ;循環(huán)右移

CLR P1.0 ;關(guān)閉并行輸出

JMP OUT0 ;循環(huán)

說(shuō)明：DELAY延時(shí)子程序可以用前面我們講P1口流水燈時(shí)用的延時(shí)子程序，這里就不給出了。

二、異步通訊

org 0000H

AJMP START

ORG 30H

START:

mov SP,#5fh ;

mov TMOD,#20h ;T1: 工作模式2

mov PCON,#80h ;SMOD=1

mov TH1,#0FDH ;初始化波特率(參見(jiàn)表)

mov SCON,#50h ;Standard UART settings

MOV R0,#0AAH ;準(zhǔn)備送出的數(shù)

SETB REN ;允許接收

SETB TR1 ;T1開(kāi)始工作

WAIT:

MOV A,R0

CPL A

MOV R0,A

MOV SBUF,A

LCALL DELAY

JBC TI,WAIT1 ;如果TI等于1，則清TI并轉(zhuǎn)WAIT1

AJMP WAIT

WAIT1: JBC RI,READ ;如果RI等于1，則清RI并轉(zhuǎn)READ

AJMP WAIT1

READ:

MOV A,SBUF ;將取得的數(shù)送P1口

MOV P1,A

LJMP WAIT

DELAY: ;延時(shí)子程序

MOV R7,#0ffH

DJNZ R7,$

RET

END

將程序編譯通過(guò)，寫(xiě)入芯片，插入實(shí)驗(yàn)板，用通讀電纜將實(shí)驗(yàn)板與主機(jī)的串口相連就可以實(shí)驗(yàn)了。上面的程序功能很簡(jiǎn)單，就是每隔一段時(shí)間向主機(jī)輪流送數(shù)55H和AAH，并把主機(jī)送去的數(shù)送到P1口?？梢栽赑C端用串口精靈來(lái)做實(shí)驗(yàn)。串口精靈在我主頁(yè)上有下載。運(yùn)行串口精靈后，按主界面上的“設(shè)置參數(shù)”按鈕進(jìn)入“設(shè)置參數(shù)”對(duì)話框，按下面的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。注意，我的機(jī)器上用的是串口2，如果你不是串口2，請(qǐng)自行更改串口的設(shè)置。

設(shè)置完后，按確定返回主界面，注意右邊有一個(gè)下拉列表，應(yīng)當(dāng)選中“按16進(jìn)制”。然后按“開(kāi)始發(fā)送”、“開(kāi)始接收”就可以了。按此設(shè)置，實(shí)驗(yàn)板上應(yīng)當(dāng)有兩只燈亮，6只燈滅。大家可以自行更改設(shè)置參數(shù)中的發(fā)送字符如55，00，F(xiàn)F等等，觀察燈的亮滅，并分析原因，也可以在主界面上更改下拉列表中的“按16進(jìn)制”為“按10進(jìn)制”或“按ASCII字符”來(lái)觀察現(xiàn)象，并仔細(xì)分析。這對(duì)于大家理解16進(jìn)制、10進(jìn)制、ASCII字符也是很有好處的。程序本身很簡(jiǎn)單，又有注釋，這里就不詳加說(shuō)明了。

三、上述程序的中斷版本

org 0000H

AJMP START

org 0023h

AJMP SERIAL ;

ORG 30H

START:

mov SP,#5fh ;

mov TMOD,#20h ;T1: 工作模式2

mov PCON,#80h ;SMOD=1

mov TH1,#0FDH ;初始化波特率(參見(jiàn)表)

mov SCON,#50h ;Standard UART settings

MOV R0,#0AAH ;準(zhǔn)備送出的數(shù)

SETB REN ;允許接收

SETB TR1 ;T1開(kāi)始工作

SETB EA ;開(kāi)總中斷

SETB ES ;開(kāi)串口中斷

SJMP $

SERIAL:

MOV A,SBUF

MOV P1,A

CLR RI

RETI

END

本程序沒(méi)有寫(xiě)入發(fā)送程序，大家可以自行添加。

擴(kuò)展閱讀：簡(jiǎn)單的單片機(jī)I/O口擴(kuò)展實(shí)例