第9章 串口及串行通信技术 ● 教学目标 介绍MCS-51串行通信接口技术 介绍MCS-51单片机之间的串行通信接口技术

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1 第9章 串口及串行通信技术 ● 教学目标 介绍MCS-51串行通信接口技术 介绍MCS-51单片机之间的串行通信接口技术
● 教学目标 介绍MCS-51串行通信接口技术 介绍MCS-51单片机之间的串行通信接口技术 介绍PC机与单片机间的串行通信接口技术 ● 学习要求 掌握单片机串行通信接口的基本功能，了解串行通信接口的一般结构 熟悉单片机串行通信接口，掌握单片机之间的串行通信接口以及 PC机与单片机间的串行通信接口程序编制

2 9.1 MCS-51串行通信接口 9.1.1 MCS-51串行口的结构
MCS-51内部含有一个可编程全双工串行通信接口，具有UART的全部功能。该接口电路不仅能同时进行数据的发送和接收，也可作为一个同步移位寄存器使用。 MCS-51串行口的结构 MCS-51系列单片机的串行接口由发送缓冲器、接收缓冲器以及两个专 用寄存器SCON和PCON组成，占用两条I/O专线（P3.0、P3.1），分别为RXD和TXD，从而构成全双工的通信方式。两个独立的接收、发送缓冲器SBUF（属于特殊功能寄存器）共用一个字节地址（99H），一个用来发送；一个用来接收。发送缓冲器只能写入不能读出，接收缓冲器只能读出不能写入。 在进行异步通信时，数据的发送和接收分别在各自的时钟（TCLK和RCLK）控制下进行的，但都必须与字符位数的波特率保持一致。MCS-51串行口的发送和接收时钟可由两种方式产生，一种是由主机频率fosc经分频后产生，另一种方式是由内部定时器T1或T2的溢出率经16分频后提供。

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4 串行口的发送过程由指令MOV SBUF，A启动，即CPU由一条写发送缓冲器的指令把数据（字符）写入串行口的发送缓冲器SBUF（发）中，再由硬件电路自动在字符的始、末加上起始位（低电平）、停止位（高电平）及其它控制位（如奇偶位等），然后在移位脉冲SHIFT的控制下，低位在前，高位在后，从TXD端（方式0除外）一位位地向外发送。 串行口的接收与否受制于允许接收位REN的状态，当REN被软件置“1”后，允许接收器接收。接收端RXD一位位地接收数据，直到收到一个完整的字符数据后，控制电路进行最后一次移位，自动去掉启始位，使接收中断标志RI置“1”，并向CPU申请中断。CPU响应中断，用一条指令（MOV A，SBUF）把接收缓冲器SBUF（收）的内容读入累加器。 在整个串行收发过程中，CPU的操作时间很短，使得CPU还可以从事其它的各种操作（指工作在中断方式下），从而大大提高了CPU的效率。

5 ⑴ 串行口数据缓冲器SBUF SBUF是两个在物理上独立的接收、发送缓冲器，可同时发送、接收数据。两个缓冲器只用一个字节地址99H，可通过指令对SBUF的读写来区别是对接收缓冲器的操作还是对发送缓冲器的操作。CPU在写SBUF，就是修改发送缓冲器；读SBUF，就是读接收缓冲器。串行口对外有两条独立的收发信号线RXD（P3.0）、TXD（P3.1），因此可以同时发送、接收数据，实现全双工。 ⑵ 串行口控制寄存器SCON SCON寄存器用来控制串行口的工作方式和状态，它是一个可按位寻址的特殊功能寄存器。在复位时所有位被清零，其字节地址为98H。SCON寄存器的格式 如下

6 SM0 SM1 工作方式 1 2 3

7 ⑶ 特殊功能寄存器PCON PCON主要是为CHMOS型单片机的电源控制设置的专用寄存器，字节地址为87H，不能按位寻址。

8 MCS-51的串行口有四种工作方式，它是由SCON中的SM1和SM0来决定
可变 9位UART 方式3 1 fosc/32或fosc/64 方式2 8位UART 方式1 fosc/12 同步移位寄存器 方式0 波特率 功能说明 工作方式 SM1 SM0

9 1）方式0 串行接口工作方式0为同步移位寄存器方式，其波特率是固定为振荡频率fosc的1/12。在这种工作方式下，发送和接收串行数据都通过RXD（P3.0）进行，从TXD（P3.1）输出移位脉冲，控制外部的移位寄存器移位。 ⑴ 方式0发送 数据从RXD引脚串行输出，TXD引脚输出同步脉冲。发送操作在TI=0的情况下开始，由指令（MOV SBUF，A）将一个数据写入串行口发送缓冲器时启动发送，串行口将8位数据以fosc/12的固定波特率由低位到高位逐位从RXD引脚输出，当8位数据发送完后，硬件自动置中断标志TI为1，并向CPU请求中断（若中断已开放），CPU响应中断后，先将TI清零，再向SBUF传送下一个待发送的信息，以继续发送数据。

10 ⑵ 方式0接收 在满足REN=1和RI=0的条件下，串行口处于方式0输入。此时，RXD为数据输入端，TXD为同步信号输出端，接收器也以fosc/12的波特率对RXD引脚输入的数据信息进行采样。当接收器接收完8位数据后，硬件自动置中断标志RI=1，并向CPU发出请求中断，CPU响应中断（或采用查询方式）后，通过指令（MOV A，SBUF）将接收的数据传送给累加器A。在再次接收之前，必须用软件将RI清零。 在方式0工作时，必须使SCON寄存器中的SM2位为“0”，这并不影响TB8位和RB8位。方式0发送或接收完数据后由硬件置位TI或RI，CPU在响应中断后要用软件清除TI或RI标志。

11 2） 方式1 在方式1时，串行口被设置为波特率可变的8位异步通信接口。 ⑴ 方式1发送 串行口以方式1发送时，数据位由TXD端输出，发送1帧信息为10位，其中一位起始位“0”、八位数据位（先低位后高位）和一个停止位“1”。在TI=0的条件下，CPU执行一条数据写入发送缓冲器SBUF的指令（MOV SBUF，A），发送电路自动在8位数据位前后分别加一位起始位和一位停止位，就启动串行传送过程，在移位脉冲的作用下，从TXD线上依次发送一帧信息。当发送完数据后，置中断标志TI为“1”，TXD自动维持高电平。 方式1所传送的波特率取决于定时器1的溢出率和特殊功能寄存器PCON中SMOD的值，计算方法如下： 方式1波特率= ×定时器T1的溢出率

12 ⑵ 方式1接收 当串行口置为方式1，且REN=1，RI=0时，串行口处于方式1的输入状态。它以所选波特率的16倍的速率对RXD引脚状态采样。当采样到由1到0的负跳变时，且接收电路连续8次采样均为低电平时，表明RXD线上已出现起始位，就启动接收器，开始接收一帧的其余的信息，一帧信息也为10位，一位起始位“0”、八位数据位（先低位后高位）和一个停止位“1”。接收电路开始在每位传送数据的第7、8、9三个脉冲进行采样，并以三取二的原则决定所采样数据的值,以保证可靠无误。在移位脉冲的作用下，逐位移入移位寄存器。 在方式1接收时，必须同时满足以下两个条件：① RI=0，②停止位为“1”或SM2=0时，则接收数据有效，进入SBUF，停止位进入RB8，并置中断请求标志RI为“1”，CPU响应中断（或采用查询方式）后，通过指令（MOV A，SBUF）将接收的数据传送给累加器A，并用软件将RI清零。若上述两个条件不满足，则该组数据丢失，不再恢复。 方式1接收波特率设计方法与方式1传送波特率相同。

13 3） 方式2 串行口工作为方式2时，被定义为9位异步通信接口。 方式2波特率= ×振荡器频率 ⑴ 方式2发送 发送数据由TXD端输出，发送一帧信息为11位，其中一位起始位（0）、八位数据位（先低位后高位）、一位可控位1或0的第9位数据和一位停止位“1”。附加的第9位数据为SCON中的TB8（SCON中的D3位）的值，它由软件置位或清零，可作为多机通信中地址/数据信息的标志位，也可作为数据的奇偶校验位。

14 ⑵ 方式2接收 当串行口置为方式2，且REN=1时，串行口以方式2接收数据。方式2的接收与方式1基本相似。数据由RXD端输入，接收11位信息，其中，一位起始位（0）、八位数据位（先低位后高位），一位可控位1或0的第9位数据和一位停止位“1”。当采样到RXD端由1到0的负跳变，并判断起始位有效后，便开始接收一帧信息，当接收器接收到第9位数据后，又同时满足下列两个条件：① RI=0；② SM2=0或接收到的第9位数据位为“1”时，将收到的数据送入SBUF（接收数据缓冲器），第9位数据送入RB8，并对RI置1；若以上两个条件有一个不满足，所接收的信息帧就会被丢失。 4） 方式3 方式3为波特率可变的9位异步通信方式，除了波特率有所区别之外，其余都与方式2相同。 方式3波特率= ×定时器T1的溢出率

15 MCS-51串行通信的波特率 ⑴ 方式0的波特率 波特率是固定的，其值为fosc/12（fosc为主机频率）。 ⑵ 方式2的波特率 方式2波特率= ×振荡器频率 若SMOD=0，则所选波特率为fosc/64； 若SMOD=1，则波特率为fosc/32。 ⑶ 方式1或方式3的波特率 波特率= ×定时器T1的溢出率 定时器T1溢出率=

16 72H 2 6MHz 110 D0H MHz 600 E8H 1.2K F4H 2.4K FAH 4.8K FDH 9.6K 1 19.2K FFH 12MHz 62.5K 串口方式1或3 × 375K 串口方式2 1M 串口方式0 相应初值 所选方式 C/T 定时器T1 SMOD Fosc 波特率

17 9.2 MCS-51单片机之间的通信 MCS-51单片机的串行通信技术根据其应用可分为双机通信和多机通信。 9.2.1 MCS-51双机通信技术 最简单的双机异步通信接口电路

18 符合RS-422标准的双机通信接口电路

19 1） 查询方式进行双机通信 甲机发送，乙机接收，双方都用查询方式的程序编制。 ⑴ 甲机发送 甲机片内RAM中70H～7FH单元中的数据从串行口输出。定义以工作方式2发送，TB8作奇偶校验位。其中fosc=12MHz，波特率为375kbit/s，所以SMOD=1。 参考程序： ⑵ 乙机接收 乙机接收到16字节数据并存入片外1000H～100FH单元中。接收过程要求判断奇偶校验位RB8。若出错，置F0标志为1；正确，则置F0标志为0，然后返回。 参考程序：

20 2) 中断方式进行双机通信 双机通信的接收方采用中断方式来接收数据，以提高CPU的工作效率,发送方仍采用查询方式发送数据。 ⑴ 甲机发送 将外部数据存储器1000H为首地址的字节单元中的数据向乙机发送，在发送之前将数据块长度N发送给乙机，当发送完N个字节后，再发送一个累加校验和。 发送的波特率为9600，两机晶振均为 MHz。双机都工作于方式1，定时器Tl按方式2工作，经查表得初值为FDH，SMOD=0。 参考程序：

21 ⑵ 乙机接收 乙机接收甲机发送的数据，并写入以4000H为首址的外部数据存储器中，首先接收数据长度N，然后接收N个字节的数据，再接收校验码，进行累加和校验，数据传送结束后，向甲机发送一个状态字，表示正确或出错，出错则要求重发。接收采用中断的方式，设置两个标志位来判断接收到的信息是数据块长度、数据还是校验和。 参考程序：

22 9.2.2 MCS-51多机通信技术 通常MCS-51的多机通信采用主从式多机通信方式。在这种方式中，只有一台主机，有多台从机。主机发送的信息可以传到各个从机或指定的从机，各从机发送的信息只能被主机接收。

23 1) 多机通信原理 MCS-51串行控制寄存器中的SM2就是为了满足这一要求而设置的多机控制位 方式2或3接收时，若SM2=1，表示置多机通信功能位，这时出现两种可能的情况： ① 接收到第9位数据为1，数据装入SBUF，并置RI=1，向CPU发出中断请求； ② 接收到第9位数据为0，不产生中断，信息将被丢失。 若SM2=0，则接收到的第9位信息无论是0还是1，都产生RI=1的中断标志，接收到的数据装人SBUF。根据这个功能，便可实现多个MCS-51系统的串行通信。

24 多机通信的过程如下： ① 使所有从机的SM2=1，处于准备接收一帧地址数据的状态；
② 主机设第9位数据为1，发送一帧地址信息，与所需的从机进行联络； ③ 每个从机接收到地址信息后，各自将其与自己的地址相比较，对于地址相符的从机，使SM2=0，准备接收主机随后发来的所有信息；对于地址不相符的从机，仍保持SM2=1状态，对主机随后发来的数据不理睬，直至发送新的一帧地址信息； ④ 主机发送控制指令与数据给被寻址的从机。一帧数据的第9位置0，表示发送的是数据或控制指令。

25 ⑴ MCS-51系列单片机构成的多机通信系统最多允许接255台从机（地址为00H～FEH）；
2）多机通信的软件协议 在多机通信系统中，要保证主机与从机之间可靠地通信，除前面所讲的必须保证接口具有识别功能外，还必须事先达成一些通信协议，规定一些供主机和从机识别的命令和状态字，如： ⑴ MCS-51系列单片机构成的多机通信系统最多允许接255台从机（地址为00H～FEH）； ⑵ 地址FFH（第九位为1）作为一条控制指令，使所有从机都处于SM2=0的状态； ⑶ 其余控制指令有（以数据形式发送）： ① 00H——主机要求从机接收数据指令 ② 01H——主机要求从机发送数据指令 ⑷ 从机状态字格式如下： RRDY TRDY ERR D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 ⑸ 主机开始发送或接收数据，发送或接收的第一个字节为数据块长度。

26 3） 软件设计 ⑴ 主机串行通信子程序 主机串行口设为方式3，允许接收，并置TB8为1，故控制字为 B＝D8H。 主机参考程序

27 ⑵ 从机串行通信程序 从机的串行通信采用中断的方式启动，即接收到地址帧后就进行串行口中断申请,CPU响应后，进入中断服务程序。 主机参考程序

28 4) 有关多机通信的几个相关问题 ⑴　在主从多机通信系统中,中断服务程序要分别装入各个从机,以便当主机发出待寻址的从机地址后,所有从机(SM2=1、REN=1)都能接收地址帧，在确认主机寻址本机后，参与主从通信。 ⑵ 以上程序只介绍了多机通信的基本过程，在实际应用中要根据情况进行补充和修改。 ⑶ 在上述的主从通信程序中，为了简单，没有给出信息出错处理程序。事实上，在串行通信过程中出现传送错误的事时有发生。为确保通信可靠，需要这样的程序。例如，用校验和的方法，或每个数据发送两遍。当从机检测到数据不相符（来自主机的发送和与从机累计的接收和不等，或从机两次接收到的数据不一致）时，均认为出错。此时，从机应反映到主机，主机接收到这样的信息后，应重新发送数据，直到从机接收正确。

29 9.3 PC机与单片机间的通信 9.3.1 PC机RS-232C标准接口简介 1）RS-232C接口 ⑴ RS-232C传递信息的格式标准 RS-232C 对所传递的信息规定如下：信息的开始为起始位，信息的结尾为停止位，它可以是一位、一位半或两位，信息本身可以是5、6、7、8位再加一位奇偶校验位。如果两个信息之间无信息，则应写“1”表示空。 RS-232C传送的波特率（bit/s）规定为19200、9600、4800、2400、600、300、150、110、75、50。RS-232C接口总线的传送距离一般不超过15米。

30 ⑵ RS-232C的电气特性 RS-232C是在TTL电路出现之前研制的，所以它的电平不是+5V和地，它使用负逻辑，其低电平“0”在+5～+15V之间，高电平“1”在-5～-15V之间，最高能承受+25V的信号电平。 RS-232C不能和TTL电平直接相连，使用时必须加上适当的接口电路，否则将使TTL电路烧毁。有专门集成电路，进行电平转换，如MC1488、MC1489等是专门用在计算机（或终端）与RS-232C标准进行电平转换的接口芯片。

31 ⑶ RS-232C机械特性及引脚功能 RS-232C标准总线为25根，对其机械特性并未作严格规定，不过目前都习惯采用于母型结构，即将插头及插座插紧即可 。

32 2）RS-232C的应用 ⑴ 使用MODEM连接

33 ⑵ 直接连接 当计算机和终端之间不使用MODEM或其它通信设备(DCE)而直接通过RS-232C接口连接时，一般只需要5根线(不包括保护地线以及本地4、5之间的连线)，但其中多数应采用反馈与交叉相结合的连接法。

34 ⑶ 三线连接法 一种最简单的RS-232C连线方式，只需2、3交叉连接线以及信号地线，而将各自的RTS和DTR分别接到自己的CTS和DSR端 。

35 PC机与单片机之间的双机通信技术 1）通信接口电路设计 ⑴ PC机与单片机RS-232C串口通信接口

36 ⑵ PC机与单片机RS-422/RS-485串行通信接口

37 2）串行通信程序 通信程序由主机（PC系列机）程序和从机（MCS-51系列单片机）程序两部分组成。 ⑴ 主机通信程序设计 设信息传送波特率为9600bit/s。数据格式为：l位停止位，8位数据位、一个停止位，偶校验，微机以查询方式发送。该程序的功能是将键盘输入的字符发送给单片机，单片机再将收到的字符发送回来，PC机再查询接收并显示在屏幕上。当输入“ENTER”键时结束本次数据传送，PC机使用串口2。

38 ⑵ MCS-51单片机通信软件

39 PC机与单片机之间多机通信技术 在工业过程控制及数据采集系统中，往往需要控制很多点（站）或采样很多数据，而且这些点大都分布在一个车间或一个厂内，有些甚至在更远的地方（如油田数据采样系统或天然气供气系统等），对于这样的系统通常采用主从式控制系统，即用一台主机（如工业PC）多台从机（如8051系列单片机）。

40 异步通信接口芯片可发送11位数据帧，其中包括1位起始位，8位数据位，1位奇偶校验位和1位停止位，其格式如下：
1）多机通信原理 在工业PC或一般PC机中，均配有串行通信适配器接口，在此接口适配器中的接口芯片虽然本身不具有与MCS-51系列单片机串行的完全相同的格式，但通过软件的方法，可使该芯片能够满足MCS-51系列单片机多机通信的要求。 异步通信接口芯片可发送11位数据帧，其中包括1位起始位，8位数据位，1位奇偶校验位和1位停止位，其格式如下： 停止位 奇偶位 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 起始位 MCS-51系列单片机多机通信的典型数据帧格式为： 停止位 TB8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 起始位 不同之处仅仅是奇偶校验位和TB8。如果我们通过编程，使异步通信接口芯片的奇偶校验位完全模拟MCS-51系列单片机的SB8位的功能，即可实现两机间的通信。

41 2）多机通信接口设计 一个串行接口总线可以采用RS-232C（一般IBM-PC机上均有此种接口适配器），也可以采用RS-422或RS-485（在工业PC机中常采用这种总线）。不论采用何种总线，只是接口电路不同。MCS-51系列单片机本身具有一个全双工的串行口，只需配备一个驱动、隔离电路，即可组成一个简单可行的多机通信接口。

42 3）多机通信软件设计 ⑴ PC机通信程序 约定如下： ① 波特率设置：9600 bit/s。 ② 数据传送格式：l个起始位，8个数据位，1个可编程位（奇偶位），1个停止位。 ③ 校验方式:由于奇偶校验位被用作发送地址和数据的特征位,故数据 ④ 数据传送方式：发送和接收均采用查询方式。

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44 ⑵ 单片机通信软件 单片机的数据通信由串口完成，定时器T1作为波特率发生器。程序规定： ① 波特率设置：9600 bit/s ② 数据传送格式：l个起始位，8个数据位，1个可编程位（TB8），1个停止位。 ③ 工作方式设置：定时器T1设置为方式2，串行口设置为工作方式3。 ④ 数据传送方式：单片机通过中断方式发送和接收数据。

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46 小 结 串行通信中的数据是一位一位依次传送的，而计算机系统或计算机终端内部数据是并行传送的。因此，发送端必须把并行数据变成串行才能在线路上传送，接收端接收到串行数据又需要变换成并行数据才可以送给终端。并/串和串/并转换通常采用UART芯片实现。 MCS-51有四种不同的工作方式，并可以设置不同的波特率。使用时可根据需要选取相应的工作方式，从而得到需要的字符帧格式和波特率。 单片机点对点异步通信，包括单片机之间和单片机与PC机之间的双机通信。由于单片机中信号电平是TTL型，通常要附加电平转换接口电路，使其符合某个串行通信接口标准的电压要求（如RS-232C或RS-422/485）。通信双方按照通信约定，选用相同的字符帧格式和波特率，编制各自的程序来实现数据交换。 单片机多机通信是指两台以上单片机组成的网络结构，在主从式多机系统中，只有一台主机，可以是单片机，也可以是PC 机。

47 思考题与习题九 ⑴ 简述MCS-51串行口发送和接收数据的过程。
⑵ MCS-51串行口控制寄存器SCON中的SM2的含义是什么？主要在什么方式下使用？ ⑶ 简述MCS-51串行口在四种方式下的字符格式。 ⑷ 试比较MCS-51串行口在四种方式下发送和接收数据的基本条件。 ⑸ 简述MCS-51串行口在四种方式下波特率产生的方法。 ⑹ 试用中断法编出串行口方式1下的发送程序。设8031单片机主频为 MHz，波特率为4800bps，发送数据缓冲区在外部RAM，始地址为TBLOCK，数据长度为20H，采用偶校验，放在发送数据第8位（数据长度不发送）。 ⑺ 试用中断法编出串行口方式1下的接收程序。设8031单片机主频仍为 MHz，波特率为4800bps，接收数据缓冲区在外部RAM，始地址为RBLOCK，数据长度为20H，采用偶校验（数据长度不发送）。 ⑻ 试用中断法编出8031串行口方式2下的发送程序。设：波特率为fosc/64，发送数据缓冲区在外部RAM，始地址为TBLOCK，数据长度为30H，采用偶校验，放在发送数据第9位上（数据长度不发送）。 ⑼ 请用中断法编出8031串行口方式2下的接收程序。设：波特率为fosc/32，接收数据缓冲区在外部RAM，始地址为RBLOCK，数据长度为20H，采用奇校验，放在发送数据第9位上（数据长度不发送）。 ⑽ 设8031单片机的发送数据缓冲区和接收数据缓冲区都在内部RAM， 始地址分别为TBLOCK和RBLOCK，数据长度为20H。试编出主站端既能发送又能接收的全双工通信程序。