Chapter8：串行口

8.1 串行通信的基本概念

在数据采集or工业控制的过程中，很多个小的单片机送往前方采集数据【工业现场等】，远离主机。现场数据采用串行通信方式发往主机进行处理，以降低通信成本，提高通信可靠性。

8.1.1 数据通信2种方式：并行/串行通信

• 串行通信：所传送数据的各位按顺序一位一位地发送或接收。三根线、发送、接收、地。
  特点：速度慢，成本低，适合远距离传输。

• 并行通信： 所传送数据的各位同时发送或接收，数据有多少位就需要多少根数据线。
  特点： 速度快，成本高，适合近距离传输。
  

8.1.2 串行通信细分为2种方式：异步/同步通信

异步通信：将数据分成一帧一帧，每一帧里面包含：起始位、数据位、校验位、结束位。【要知道】

一开始都是高电平，然后突然来个低电平，就知道数据来了。奇偶校验位，最后高电平结束。

同步通信：两个同步字符、然后直接一堆数据位、最后来个校验位。【了解一下】

8.1.3 单工、半双工、全双工通信

1. 单工：一端只能发送，另一端只能接收。
   
2. 半双工：通信双方，在某一时刻，只能一个发送一个接收数据。
   
3. 全双工：通信双方可以同时发送和接收数据。
   

• 51单片机属于：异步 全双工 通信

8.1.4 串行接口的任务

1. 实现数据格式化：

   CPU发出的数据是并行数据，接口电路应实现不同串行通信方式下的数据格式化任务

2. 进行串、并转换

   在发送端，接口将CPU送来的并行数据转换成串行数据进行传送；而在接收端，接口要将接 收到串行数据变成并行数据送往CPU，由CPU进行处理。

3. 控制数据传输的速率（波特率）

   每秒能传输多少二进制代码。发送方A和接收方B的波特率要一致。

4. 进行传送错误检测

   传送的数据自动生成校验码，接收的时候根据校验码判断是否出错。

• 总结： 51单片机内有一个全双工的异步通信接口，通过对串行接口写控制字TCON可以选择其数据格式，同时内部有波特率发生器，提供可选的波特率，可完成双机通信或多机通信。

8.1.5 串行通信接口

串行接口通常分为2种类型：

1. 串行通信接口：设备之间的互连接口。
2. 串行扩展接口（ch11-我们不做要求）：设备内部器件之间的互连接口

8.1.6 波特率和发送接收时钟

1. 波特率：

   单位时间内传送的信息量，以每秒传送的二进制位数为单位。 bit/s (bps)
   如：100字符/秒，1个字符8位有效位，3位辅助位（起始、停止、校验），共11位，
   波特率： 100×11=1100（波特）平均每位传送占用时间 Td = 1/1100=0.909ms

2. 发送、接收时钟：
   在串行传输中，二进制数据序列是以数字波形出现的，发送时在发送时钟作用下将发送移位寄存器的数据串行移位输出；在接收时，在接收时钟的作用下将通信线上传来的数据串行移入移位寄存器，所以发送时钟和接收时钟也可称作移位时钟。能产生时钟的电路称为波特率发生器

3. 固定/可变 波特率

   • 在单片机中，发送/接收时钟可以由系统时钟 fosc 产生，这种波特率称为固定波特率方式。【由晶振决定】
   • 也可以由单片机内部定时器T1 产生， T1 工作于自动再装入 8 位定时方式（方式 2），由于定时器的计数初值可以人为改变，T1 产生的时钟频率也就可变，这种称为可变波特率方式。
   • 单片机串行通信的波特率选择因工作方式不同而不同。

8.1.7 通信线的连接

• 两个设备要进行通信，距离和速度的关系。通信速率和通信距离这两个方面是相互制约的，降低通信速率，可以提高通信距离。不同的通信距离，串行通信电路有不同的连接方法.

• 近距离：1.5m，直接连起来。

• 远距离：15m就比较远了，我们要加上电平转换（RS-232C）。

• 超远距离：1KM以上，要加调制解调器Modem。

8.1.8 关于RS-232C 和 MAX232芯片

• 主要的引脚有三个：

  引脚3 TXD —数据发送
  引脚2 RXD —数据接收
  引脚5 GND — 地

• 其他的引脚：都是为了连接更加稳定，握手信号。

• 设备之间通信的距离 < 15 m ，最大传输速率 20Kb/s

• 电气特性：采用负逻辑。“1”对应负电压，“0”对应正电压。【要知道】

• TTL电平和RS-232C的转换：使用专用的集成电路来进行转换。

• MAX232芯片：可以双向转换，且只要加 +5V 电压就行了。【常用】

8.1.9 单片机串行通信电路

1. 单片机和单片机通信：
   
2. 单片机和PC机的通信：
   

8.2 串行通信接口结构和工作原理

51单片机有一个可编程的全双工异步串行通信接口，它可作异步串行通信（UART）用，也可作同步移位寄存器，其帧格式可有8位、10位或l l位，并能设置各种波特率，给使用者带来很大的灵活性。

8.2.1 串行口内部结构

8.2.2 串行通信的传送过程

8.2.3 波特率的设定

波特率发生器可以有两种选择：

1. 定时器T1作波特率发生器，改变计数初值就可以改变串行通信的速率，称为可变波特率。
2. 以内部时钟的分频器作波特率发生器，因内部时钟频率一定，称为固定波特率

8.3 串行通信的控制寄存器

51单片机串行口是一个可编程的接口，编程时主要是对两个特殊功能寄存器SCON 和PCON的控制。

8.3.1 串行口控制寄存器 SCON（98H)

8.3.2 电源控制寄存器PCON(87H)

8.4 串行口的工作方式

8.4.1 方式0

8.4.2 方式1

8.4.3 方式2

8.4.4 方式3

8.5 串行口的应用编程

8.5.1 固定/可变波特率、查询/中断方式

• 串行口的波特率有两种方式：

  1. 固定波特率【晶振一定，这个就定】

  2. 可变波特率【要先确定T1计数初值，并初始化】

• 串行通信的编程方式：

  1. 查询方式: 查TI或RI 是否为“1”

  2. 中断方式：如果预先开了中断，当TI、RI 为“1”，会自动产生中断。
     

8.5.2 查询方式

• 《发送》流程图：

  为什么用方式2？：会自动装入常数，精度高。
  

• 《接收》流程图
  

8.5.3 中断方式

• 中断方式的初始化编程同查询方式，不同的是要开中断，即置位EA和ES，编写中断服务程序。

• 《发送》流程图
  

• 《接收》流程图
  

8.5.4 编程举例

*具体代码见ppt

例8-1：两台单片机互相发送接收。

例8-2：一台单片机自己发给自己，自己接收。

例8-4：方式0，扩展I/O接口。接8个数码管，使内部数据存储器58H～5FH单元的内容依次显示在8个数码管上。

8.5.5 多机通讯

• 要保证主机与所选择的从机实现可靠地通讯，必须保证串口具有识别功能。
  SCON中的SM2位就是满足这一条件而设置的多机通讯控制位。
  原理：在串行口以方式2（或方式3）接收时，若SM2=1，表示置多机通讯功能位，这时有两种可能：
  （1）接收到的第9位数据为1时，数据才装入SBUF，并置中断标志RI=1向CPU发出中断请求；
  （2）接收到的第9位数据为0时，则不产生中断标志，信息将抛弃。

• 若SM2=0，则接收的第9位数据不论是0还是1，都产生RI=1中断标志，接收到的数据装入SBUF中。
  应用上述特性，便可实现MCS-51的多机通讯。

• 设多机系统中有一主机和3个8031从机，如下图。
  主机的RXD与从机的TXD相连，主机TXD与从机的RXD端相连。从机地址分别为00H、01H、02H。

• 多机通讯工作过程：
  （1）从机串行口编程为方式2或方式3接收，且置“1”SM2和REN位，使从机只处于多机通讯且接收地址帧的状态。
  （2）主机先将从机地址（即准备接收数据的从机）发给各从机, 主机发出的地址信息的第9位为1，各从机接收到的第9位信息RB8为1，且由于SM2=1，则置“1” RI，各从机响应中断，执行中断程序。在中断程序中，判主机送来的地址是否和本机地址相符合，相符则该从机清“0”SM2位，准备接收主机的数据或命令；若不符，则保持SM2=1状态。

  （3）接着主机发送数据帧，此时各从机串行口接收到 的RB8=0，只有地址相符合的从机系统（即SM2=0的从机）才能**RI，从而进入中断，在中断程序中接收主机的数据（或命令）； 其它的从机因SM2＝1，又RB8=0不**中断标志RI，不能进入中断，接收的数据丢失。
  前图所示的多机系统是主从式，由主机控制多机之间 的通讯，从机和从机的通讯只能经主机才能实现。