單片機教程二十:單片機串行口介紹

介紹：串行口是單片機與外界進行信息交換的工具。
8051單片機的通信方式有兩種：
并行通信:數(shù)據(jù)的各位同時發(fā)送或接收。 串行通信:數(shù)據(jù)一位一位次序發(fā)送或接收。參看下圖：
<單片機串行通信>

<并行通信>
串行通信的方式：
異步通信：它用一個起始位表示字符的開始，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，先是一個起始位0，然后是8個數(shù)據(jù)位，規(guī)定低位在前，高位在后，接下來是奇偶校驗位（能省略），最后是停止位1。用這種格式表示字符，則字符能一個接一個地傳送。
在異步通信中，CPU與外設(shè)之間必須有兩項規(guī)定，即字符格式和波特率。字符格式的規(guī)定是雙方能夠在對同一種0和1的串理解成同一種意義。原則上字符格式能由通信的雙方自由制定，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。
同步通信：在同步通信中，每個字符要用起始位和停止位作為字符開始和結(jié)束的標(biāo)志，占用了時間；所以在數(shù)據(jù)塊傳遞時，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)塊傳遞開始要用同步字符來指示，同時要求由時鐘來實現(xiàn)發(fā)送端與接收端之間的同步，故硬件較復(fù)雜。
通信方向：在串行通信中，把通信接口只能發(fā)送或接收的單向傳送辦法叫單工傳送；而把數(shù)據(jù)在甲乙兩機之間的雙向傳遞，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。半雙工傳送是兩機之間不能同時進行發(fā)送和接收，任一時該，只能發(fā)或者只能收信息。
2．8051單片機的串行接口結(jié)構(gòu)
8051單片機串行接口是一個可編程的全雙工串行通信接口。它可用作異步通信方式（UART），與串行傳送信息的外部設(shè)備相連接，或用于通過標(biāo)準(zhǔn)異步通信協(xié)議進行全雙工的8051多機系統(tǒng)也能通過同步方式，使用TTL或CMOS移位寄存器來擴充I/O口。
8051單片機通過管腳RXD（P3.0，串行數(shù)據(jù)接收端）和管腳TXD（P3.1，串行數(shù)據(jù)發(fā)送端）與外界通信。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，但不會出現(xiàn)沖突，因為它們兩個一個只能被CPU讀出數(shù)據(jù)，一個只能被CPU寫入數(shù)據(jù)。
串行口的控制與狀態(tài)寄存器
串行口控制寄存器SCON
它用于定義串行口的工作方式及實施接收和發(fā)送控制。字節(jié)地址為98H，其各位定義如下表：
D7? D6? D5? D4? D3? D2? D1? D0?
SM0? SM1? SM2? REN? TB8? RB8? TI? RI?

SM0、SM1：串行口工作方式選擇位，其定義如下：
SM0、SM1? 工作方式? 功能描述? 波特率?
0 0? 方式0? 8位移位寄存器? Fosc/12?
0 1? 方式1? 10位UART? 可變?
1 0? 方式2? 11位UART? Fosc/64或fosc/32?
1 1? 方式3? 11位UART? 可變?

其中fosc為晶體震蕩器頻率
SM2：多機通信控制位。在方式0時，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，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，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位，或在多機通信中作為區(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，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，同時也是申請中斷，可根據(jù)需要，用軟件查詢的辦法獲得數(shù)據(jù)已發(fā)送完畢的信息，或用中斷的方式來發(fā)送下一個數(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刻由硬件置位（例外情況見于SM2的說明）。RI置位表示一幀數(shù)據(jù)接收完畢，可用查詢的辦法獲知或者用中斷的辦法獲知。RI也必須用軟件清0。
特殊功能寄存器PCON
PCON是為了在CHMOS的80C51單片機上實現(xiàn)電源控制而附加的。其中最高位是SMOD。
串行口的工作方式
8051單片機的全雙工串行口可編程為4種工作方式，現(xiàn)分述如下：
方式0為移位寄存器輸入/輸出方式?？赏饨右莆患拇嫫饕詳U展I/O口，也能外接同步輸入/輸出設(shè)備。8位串行數(shù)據(jù)者是從RXD輸入或輸出，TXD用來輸出同步脈沖。
輸出 串行數(shù)據(jù)從RXD管腳輸出，TXD管腳輸出移位脈沖。CPU將數(shù)據(jù)寫入發(fā)送寄存器時，立即啟動發(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，先置位允許接收控制位REN。此時，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同時滿足時，開始接收。當(dāng)接收到第8位數(shù)據(jù)時，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擴展輸出和輸入的接線圖。

<單片機串行口接線圖>
方式1為波特率可變的10位異步通信接口方式。發(fā)送或接收一幀信息，包括1個起始位0，8個數(shù)據(jù)位和1個停止位1。
輸出 當(dāng)CPU執(zhí)行一條指令將數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖SBUF時，就啟動發(fā)送。串行數(shù)據(jù)從TXD管腳輸出，發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)后，就由硬件置位TI。
輸入 在（REN）=1時，串行口采樣RXD管腳，當(dāng)采樣到1至0的跳變時，確認(rèn)是開始位0，就開始接收一幀數(shù)據(jù)。只有當(dāng)（RI）=0且停止位為1或者（SM2）=0時，停止位才進入RB8，8位數(shù)據(jù)才能進入接收寄存器，并由硬件置位中斷標(biāo)志RI；不然信息丟失。所以在方式1接收時，應(yīng)先用軟件清零RI和SM2標(biāo)志。
方式2
方式月為固定波特率的11位UART方式。它比方式1增加了一位可程控為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位來自SCON寄存器的TB8位，用軟件置位或復(fù)位。它可作為多機通信中地址/數(shù)據(jù)信息的標(biāo)志位，也能作為數(shù)據(jù)的奇偶校驗位。當(dāng)CPU執(zhí)行一條數(shù)據(jù)寫入SUBF的指令時，就啟動發(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，串行口采樣RXD管腳，當(dāng)采樣到1至0的跳變時，確認(rèn)是開始位0，就開始接收一幀數(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，第9位數(shù)據(jù)才進入RB8，8位數(shù)據(jù)才能進入接收寄存器，并由硬件置位中斷標(biāo)志RI；不然信息丟失。且不置位RI。再過一位時間后，不管上述條件時否滿足，接收電路即行復(fù)位，并重新檢測RXD上從1到0的跳變。
工作方式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，在串行通信中，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來決定，可由下式表示：
波特率=2的SMOD次方除以64再乘一個fosc，也就是當(dāng)SMOD=1時，波特率為1/32fosc，當(dāng)SMOD=0時，波特率為1/64fosc
3．方式1和方式3
定時器T1作為波特率發(fā)生器，其公式如下：
波特率=定時器T1溢出率
T1溢出率= T1計數(shù)率/產(chǎn)生溢出所需的周期數(shù)
式中T1計數(shù)率取決于它工作在定時器狀態(tài)還是計數(shù)器狀態(tài)。當(dāng)工作于定時器狀態(tài)時，T1計數(shù)率為fosc/12;當(dāng)工作于計數(shù)器狀態(tài)時，T1計數(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器T1的工作方式、T1的預(yù)置值有關(guān)。
定時器T1工作于方式0：溢出所需周期數(shù)=8192-x
定時器T1工作于方式1：溢出所需周期數(shù)=65536-x
定時器T1工作于方式2：溢出所需周期數(shù)=256-x
因為方式2為自動重裝入初值的8位定時器/計數(shù)器模式，所以用它來做波特率發(fā)生器最恰當(dāng)。
當(dāng)時鐘頻率選用11.0592MHZ時，取易獲得標(biāo)準(zhǔn)的波特率，所以很多單片機系統(tǒng)選用這個看起來“怪”的晶體震蕩器就是這個道理。
下表列出了定時器T1工作于方式2常用波特率及初值。
常用波特率 Fosc(MHZ) SMOD TH1初值
19200 11.0592 1 FDH
9600 11.0592 0 FDH
4800 11.0592 0 FAH
2400 11.0592 0 F4h
1200 11.0592 0 E8h