51单片机——串行通信
目錄
1 概述
1.1?并行通信和串行通信
1.2 串行通信的兩種方式
1.2.1 異步通信
1.2.2 同步通信
1.3?串行通信的數據傳送方向
2?串行通信口的結構與原理
2.1 串行通信口的結構
2.2 串行通信口的工作原理
2.2.1 接收數據過程
?2.2.2 發送數據過程
3 串行通信口的控制寄存器
3.1 串行控制寄存器（SCON）
3.2 電源控制寄存器（PCON）
4 四種工作方式與波特率的設置
4.1 方式0
4.1.1 方式0-發送數據
4.1.2 方式0-接收數據
4.2 方式1
4.2.1 方式1-發送數據
4.2.2 方式1-接收數據
4.3 方式2
4.3.1 方式2-發送數據
4.3.2 方式2-接收數據
4.4 方式3
4.5 波特率的設置
4.5.1?方式0的波特率
4.5.2 方式2的波特率
4.5.3 方式1和方式3的波特率
1 概述
????????通信的概念比較廣泛，在單片機技術中，單片機與單片機或單片機與其他設備之間的數據傳輸稱為通信。
1.1?并行通信和串行通信
????????根據數據傳輸方式的不同，可將通信分并行通信和串行通信兩種。同時傳輸多位數據的方式稱為并行通信。同時傳輸一位數據的方式稱為串行通信。
????????如圖1（a）所示，在并行通信方式下，單片機中的8位數據10011101通過8條數據線同時送到外部設備中。并行通信的特點是數據傳輸速度快，但由于需要的傳輸線多，故成本高，只適合近距離的數據通信。逐位傳輸數據的方式稱為串行通信。
????????如圖1（b）所示，在串行通信方式下，單片機中的8位數據10011101通過一條數據線逐位傳送到外部設備中。串行通信的特點是數據傳輸速度慢，但由于只需要一條傳輸線，故成本低，適合遠距離的數據通信。
圖1 通信方式?
1.2 串行通信的兩種方式
????????串行通信又可分為異步通信和同步通信兩種。51系列單片機采用異步通信方式。
1.2.1 異步通信
????????在異步通信中，數據是一幀一幀傳送的。異步通信如圖2 所示，這種通信是以幀為單位進行數據傳輸，一幀數據傳送完成后，可以接著傳送下一幀數據，也可以等待，等待期間為空閑位（高電平）。
圖2 異步通信
????????（1）幀數據格式
????????在串行異步通信時，數據是以幀為單位傳送的。異步通信的幀數據格式如圖3所示。從圖中可以看出，一幀數據由起始位、數據位、奇偶校驗位和停止位組成。?
?圖3 異步通信的幀數據格式
????????① 起始位。
????????表示一幀數據的開始，起始位一定為低電平。當單片機要發送數據時，先送一個低電平（起始位）到外部設備，外部設備接收到起始信號后，馬上開始接收數據。
????????② 數據位。
????????它是要傳送的數據，緊跟在起始位后面。數據位的數據可以是5～8位，傳送數據時是從低位到高位逐位進行的。
????????③ 奇偶校驗位。
????????該位用于檢驗傳送的數據有無錯誤。奇偶校驗是檢查數據傳送過程中是否發生錯誤的一種校驗方式，分為奇校驗和偶校驗。奇校驗是指數據位和校驗位中“1”的總個數為奇數，偶校驗是指數據位和校驗位中“1”的總個數為偶數。以奇校驗為例，若單片機傳送的數據位中有偶數個“1”，為保證數據和校驗位中“1”的總個數為奇數，奇偶校驗位應為“1”，如果在傳送過程中數據位中有數據產生錯誤，其中一個“1”變為“0”，那么傳送到外部設備的數據位和校驗位中“1”的總個數為偶數，外部設備就知道傳送過來的數據發生錯誤，會要求重新傳送數據。數據傳送采用奇校驗或偶校驗均可，但要求發送端和接收端的校驗方式一致。在幀數據中，奇偶校驗位也可以不用。
????????④ 停止位。
????????它表示一幀數據的結束。停止位可以是1位、1.5位或2位，但一定為高電平。一幀數據傳送結束后，可以接著傳送第二幀數據，也可以等待，等待期間數據線為高電平（空閑位）。如果要傳送下一幀，只要讓數據線由高電平變為低電平（下一幀起始位開始），接收器就開始接收下一幀數據。
????????（2）51系列單片機的幾種幀數據方式
????????51 系列單片機在串行通信時，根據設置的不同，其傳送的幀數據有以下四種方式：
????????① 方式0。
????????稱為同步移位寄存器輸入/輸出方式，它是單片機通信中較特殊的一種方式，通常用于并行I/O接口的擴展，這種方式中的一幀數據只有8位（無起始位、停止位）。
????????② 方式1。
????????在這種方式中，一幀數據中有1位起始位、8位數據位和1位停止位，共10位。
????????③ 方式2。
????????在這種方式中，一幀數據中有1位起始位、8位數據位、1位可編程位和1位停止位，共11位。
????????④ 方式3。
????????這種方式與方式2相同，一幀數據中有1位起始位、8位數據位、1位可編程位和1位停止位，它與方式2的區別僅在于波特率（數據傳送速率）設置不同。
1.2.2 同步通信
????????在異步通信中，每一幀數據發送前要用起始位，結束時要用停止位，這樣會占用一定的時間，導致數據傳輸速度較慢。為了提高數據傳輸速度，在計算機與一些高速設備進行數據通信時，常采用同步通信。同步通信的幀數據格式如圖4所示。
?圖4 同步通信的幀數據格式
????????從圖中可以看出，同步通信的數據后面取消了停止位，前面的起始位用同步信號代替，在同步信號后面可以跟很多數據，所以同步通信傳輸速度快。但由于在通信時要求發送端和接收端嚴格保持同步，這需要用復雜的電路來保證，所以單片機很少采用這種通信方式。
1.3?串行通信的數據傳送方向
????????串行通信根據數據的傳送方向可分為三種方式：單工方式、半雙工方式和全雙工方式。這三種傳送方式如圖5所示。
圖5 數據傳送方式?
????????① 單工方式。在這種方式下，數據只能向一個方向傳送。單工方式如圖5（a）所示，數據只能由發送端傳輸給接收端。
????????② 半雙工方式。在這種方式下，數據可以雙向傳送，但同一時間內，只能向一個方向傳送，只有一個方向的數據傳送完成后，才能往另一個方向傳送數據。半雙工方式如圖5（b）所示，通信的雙方都有發送器和接收器，一方發送時，另一方接收，由于只有一條數據線，所以雙方不能在發送的同時進行接收。
????????③ 全雙工方式。在這種方式下，數據可以雙向傳送，通信的雙方都有發送器和接收器，由于有兩條數據線，所以雙方在發送數據的同時可以接收數據。全雙工方式如圖5（c）所示。
2?串行通信口的結構與原理
????????單片機通過串行通信口可以與其他設備進行數據通信，將數據傳送給外部設備或接受外部設備傳送來的數據，從而實現更強大的功能。
2.1 串行通信口的結構
????????51單片機的串行通信口的結構如圖6所示。
?圖6 串行通信口的結構
????????與串行通信口有關的部件主要有：
????????① 兩個數據緩沖器SBUF。
????????SBUF是可以直接尋址的特殊功能寄存器（SFR），它包括發送SBUF和接收SBUF，發送SBUF用來發送串行數據，接收SBUF用來接收數據，兩者共用一個地址（99H）。在發送數據時，該地址指向發送SBUF；而在接收數據時，該地址指向接收SBUF。
????????② 輸入移位寄存器。
????????在接收控制器的控制下，將輸入的數據逐位移入接收SBUF。
????????③ 串行控制寄存器 SCON。
????????SCON 的功能是控制串行通信口的工作方式，并反映串行通信口的工作狀態。
????????④ 定時器T1。
????????T1用作波特率發生器，用來產生接收和發送數據所需的移位脈沖，移位脈沖的頻率越高，接收和傳送數據的速率越快。
2.2 串行通信口的工作原理
????????串行通信口有接收數據和發送數據兩個工作過程，下面以圖6所示的串行通信口結構為例來說明這兩個工作過程。
2.2.1 接收數據過程
????????在接收數據時，若RXD端（與P3.2引腳共用）接收到一幀數據的起始信號（低電平）,SCON寄存器馬上向接收控制器發出允許接收信號，接收控制器在定時器/計數器T1產生的移位脈沖信號控制下，控制輸入移位寄存器，將 RXD 端輸入的數據由低到高逐位移入輸入移位寄存器中，數據全部移入輸入移位寄存器后，移位寄存器再將全部數據送入接收 SBUF中，同時接收控制器通過或門向CPU發出中斷請求，CPU馬上響應中斷，將接收SBUF中的數據全部取走，從而完成了一幀數據的接收。后面各幀的數據接收過程與上述相同。
?2.2.2 發送數據過程
????????相對于接收過程來說，串行通信口發送數據的過程較簡單。當CPU要發送數據時，只要將數據直接寫入發送SBUF中，就啟動了發送過程。在發送控制器的控制下，發送門打開，先發送一位起始信號（低電平），然后依次由低到高逐位發送數據，數據發送完畢，最后發送一位停止位（高電平），從而結束一幀數據的發送。一幀數據發送完成后，發送控制器通過或門向CPU發出中斷請求，CPU響應中斷，將下一幀數據送入SBUF，開始發送下一幀數據。
3 串行通信口的控制寄存器
????????串行通信口的工作受串行控制寄存器SCON和電源控制寄存器PCON的控制。
3.1 串行控制寄存器（SCON）
????????SCON 寄存器用來控制串行通信的工作方式及反映串行通信口的一些工作狀態。SCON寄存器是一個8位寄存器，它的地址為98H，其中每位都可以位尋址。SCON寄存器各位的名稱和地址如下。
????????① SM0、SM1位：串行通信口工作方式設置位。
????????通過設置這兩位的值，可以讓串行通信口工作在四種不同的方式，具體見表1，這幾種工作方式在后面將會詳細介紹。
表1 串行通信口工作方式設置位及其功能
????????② SM2位：用來設置主-從式多機通信。
????????當一個單片機（主機）要與其他幾個單片機（從機）通信時，就要對這些位進行設置。當SM2=1時，允許多機通信；當SM2=0時，不允許多機通信。
????????③ REN位：允許/禁止數據接收的控制位。
????????當REN=1時，允許串行通信口接收數據；當REN=0時，禁止串行通信口接收數據。
????????④ TB8位：方式2、3中發送數據的第9位。
????????該位可以用軟件規定其作用，可用作奇偶校驗位，或在多機通信時，用作地址幀或數據幀的標志位，在方式0和方式1中，該位不用。
????????⑤ RB8位：方式2、3中接收數據的第9位。
????????該位可以用軟件規定其作用，可用作奇偶校驗位，或在多機通信時，用作地址幀或數據幀的標志位，在方式1中，若SM2＝0，則RB8是接收到的停止位。
????????⑥ TI位：發送中斷標志位。
????????當串行通信口工作在方式0時，發送完8位數據后，該位自動置“1”（即硬件置“1”），向CPU發出中斷請求，在CPU響應中斷后，必須用軟件清0；在其他幾種工作方式中，該位在停止位開始發送前自動置“1”，向CPU發出中斷請求，在CPU響應中斷后，也必須用軟件清0，以準備開始發送下一幀數據。
????????⑦ RI位：接收中斷標志位。
????????當串行通信口工作在方式0時，接收完8位數據后，該位自動置“1”，向CPU發出接收中斷請求，在CPU響應中斷后，必須用軟件清0；在其他幾種工作方式中，該位在接收到停止位期間自動置“1”，向CPU發出中斷請求，在CPU響應中斷取走數據后，必須用軟件對該位清0，以準備開始接收下一幀數據。在上電復位時，SCON各位均為“0”。
3.2 電源控制寄存器（PCON）
????????PCON寄存器是一個8位寄存器，它的字節地址為87H，不可位尋址，并且只有最高位SMOD與串行通信口控制有關。PCON寄存器各位的名稱和字節地址如下。
????????SMOD位：波特率設置位。
????????在串行通信口工作在方式1～3時起作用。若SMOD=0，波特率不變；當SMOD=1時，波特率加倍。在上電復位時，SMOD＝0。
4 四種工作方式與波特率的設置
????????串行通信口有四種工作方式，工作在何種方式受SCON寄存器的控制。在串行通信時，要改變數據傳送速率（波特率），可對波特率進行設置。
4.1 方式0
????????當SCON寄存器中的SM0=0、SM1=0時，串行通信口工作在方式0。
????????方式0稱為同步移位寄存器輸入/輸出方式，常用于擴展I/O端口。在單片機發送或接收串行數據時，通過RXD端發送數據或接收數據，而通過TXD端送出數據傳輸所需的移位脈沖。
????????在方式0時，串行通信口又分兩種工作情況：發送數據和接收數據。
4.1.1 方式0-發送數據
????????當串行通信口工作在方式0時，若要發送數據，通常在外部接8位串/并轉換移位寄存器74LS164，具體連接電路如圖7所示。其中RXD端用來輸出串行數據，TXD端用來輸出移位脈沖，P1.0端用來對74LS164進行清0。
?圖7 串行通信在方式0時的數據發送電路
????????在單片機發送數據前，先從P1.0引腳發出一個清0信號（低電平）到74LS164的CLR引腳，對其進行清0，讓D7～D0全部為“0”，然后單片機在內部執行寫SBUF指令，開始從RXD端（P3.0引腳）送出8位數據，與此同時，單片機的TXD端輸出移位脈沖到74LS164的CLK引腳，在移位脈沖的控制下，74LS164接收單片機RXD端送到的8位數據（先低位后高位），數據發送完畢，在74LS164的D7～D0端輸出8位數據。另外，在數據發送結束后，SCON寄存器的發送中斷標志位TI自動置“1”。
4.1.2 方式0-接收數據
????????當串行通信口工作在方式0時，若要接收數據，一般在外部接8位并/串轉換移位寄存器74LS165，具體連接電路如圖8 所示。在這種方式時，RXD端用來接收輸入的串行數據，TXD端用來輸出移位脈沖，P1.0端用來對74LS165的數據進行鎖存。
?圖8 串行通信口在方式0時的數據接收電路
????????在單片機接收數據前，先從 P1.0 引腳發出一個低電平信號到74LS165 的引腳，讓74LS165鎖存由D7～D0端輸入的8位數據，然后單片機內部執行讀SBUF指令，與此同時，單片機的TXD端送移位脈沖到74LS165的CLK1引腳，在移位脈沖的控制下，74LS165中的數據逐位從RXD端送入單片機，單片機接收數據完畢，SCON寄存器的接收中斷標志位RI自動置“1”。
????????在方式0中，串行通信口發送和接收數據的波特率都是fosc/12。
4.2 方式1
????????當SCON寄存器中的SM0=0、SM1=1時，串行通信口工作在方式1。
????????在方式1時，串行通信口可以發送和接收每幀10位的串行數據。其中TXD端用來發送數據，RXD端用來接收數據。
????????在方式1中，一幀數據中有10位，包括1位起始位（低電平）、8位數據位（低位在前）和1位停止位（高電平）。在方式1時，串行通信口又分兩種工作情況：發送數據和接收數據。
4.2.1 方式1-發送數據
????????在發送數據時，若執行寫SBUF指令，發送控制器在移位脈沖（由定時器/計數器T1產生的信號再經16或32分頻而得到）的控制下，先從TXD端送出一個起始位（低電平），然后再逐位將8位數據從 TXD 端送出，當最后一位數據發送完成，發送控制器馬上將SCON的TI位置“1”，向CPU發出中斷請求，同時從TXD端輸出停止位（高電平）。
4.2.2 方式1-接收數據
????????在方式1時，需要設置SCON中的REN=1，串行通信口才允許接收數據。由于不知道外部設備何時會發送數據，所以串行通信口會不斷檢測RXD端，當檢測到RXD端有負跳變（由“1”變為“0”）時，說明外部設備發來了數據的起始位，于是啟動RXD端接收，將輸入的8位數據逐位移入內部的輸入移位寄存器。8位數據全部進入輸入移位寄存器后，如果滿足RI位為“0”、SM2位為“0”（若SM2不為“0”，但接收到的數據停止位為“1”也可以）的條件，輸入移位寄存器中的8位數據才可以放入SBUF，停止位的“1”才能送入SCON的RB8位中，RI位就會被置“1”，向CPU發出中斷請求，讓CPU取走SBUF中的數據，如果條件不滿足，輸入移位寄存器中的數據將無法送入SBUF而丟棄，重新等待接收新的數據。
4.3 方式2
????????當SCON寄存器中的SM0=1、SM1=0時，串行通信口工作在方式2。
????????在方式2時，串行通信口可以發送和接收每幀11位的串行數據，其中1位起始位、8位數據位、1位可編程位和1位停止位。TXD端用來發送數據，RXD端用來接收數據。
????????在方式2時，串行通信口又分兩種工作情況：發送數據和接收數據。
4.3.1 方式2-發送數據
????????在方式2時，發送的一幀數據有11位，其中有9位數據，第9位數據取自SCON中的TB8位。在發送數據前，先用軟件設置TB8位的值，然后執行寫SBUF指令（如MOV SBUF,A），發送控制器在內部移位脈沖的控制下，從TXD端送出一個起始位（低電平），然后逐位送出8位數據，再從TB8位中取出第9位并送出，當最后一位數據發送完成，發送控制器馬上將SCON的TI位置“1”，向CPU發出中斷請求，同時從TXD端輸出停止位（高電平）。
4.3.2 方式2-接收數據
????????在方式2時，同樣需設置SCON的REN=1，串行通信口才允許接收數據，然后不斷檢測RXD端是否有負跳變（由“1”變為“0”），若有，說明外部設備發來了數據的起始位，于是啟動RXD端接收數據。當8位數據全部進入輸入移位寄存器后，如果RI位為“0”、SM2位為“0”（若SM2不為“0”，但接收到的第9位數據為“1”也可以），輸入移位寄存器中的8位數據才可以送入SBUF，第9位會放進SCON的RB8位，同時RI位置“1”，向CPU發出中斷請求，讓CPU取走SBUF中的數據，否則輸入移位寄存器中的數據將無法送入SBUF而丟棄。
4.4 方式3
????????當SCON中的SM0=1、SM1=1時，串行通信口工作在方式3。方式3與方式2一樣，傳送的一幀數據都為11位，工作原理也相同，兩者的區別僅在于波特率不同，方式2的波特率固定為fosc/64或fosc/32，而方式3的波特率則可以設置。
4.5 波特率的設置
????????在串行通信中，為了保證數據的發送和接收成功，要求發送方發送數據的速率與接收方接收數據的速率相同，而將雙方的波特率設置相同就可以達到這個要求。在串行通信的四種方式中，方式0的波特率是固定的，而方式1～方式3的波特率則是可變的。波特率是數據傳送的速率，它用每秒傳送的二進制數的位數來表示，單位符號是bit/s。
4.5.1?方式0的波特率
????????方式0的波特率固定為時鐘振蕩頻率的1/12，即方式0的波特率 = fosc/12
4.5.2 方式2的波特率
????????方式2的波特率由PCON寄存器中的SMOD位決定。
????????當SMOD = 0時，方式2的波特率為時鐘振蕩頻率的1/64；
????????當SMOD = 1時，方式2的波特率加倍，為時鐘振蕩頻率的1/32，即
方式2的波特率 =
4.5.3 方式1和方式3的波特率
????????方式1和方式3的波特率除了與SMOD位有關，還與定時器/計數器T1的溢出率有關。方式1和方式3的波特率可用下式計算：
方式1、3的波特率 = T1的溢出率·/32
????????T1的溢出率是指定時器/計數器T1在單位時間內計數產生的溢出次數，也即溢出脈沖的頻率。
????????在將定時器/計數器T0設作工作方式3時,T1可以工作在方式0、方式1或方式2三種方式下。
????????當T1工作于方式0時，它對脈沖信號（由時鐘信號fosc經12分頻得到）進行計數，計到時會產生一個溢出脈沖到串行通信口作為移位脈沖；
????????當T1工作于方式1和2時，則分別要計到和?X（X為T1的初值，可以設定）才產生溢出脈沖。
????????如果要提高串行通信口的波特率，可讓T1工作在方式2，因為該方式計數時間短，溢出脈沖頻率高，并且能通過設置T1的初值來調節計數時間，從而改變T1產生的溢出脈沖的頻率（又稱T1的溢出率）。
????????當T1工作在方式2時，T1兩次溢出的時間間隔，也即T1的溢出周期為
T1的溢出周期 = （? X）·12/ fosc
????????T1的溢出率為溢出周期的倒數，即
T1的溢出率 = fosc/［12·（? X）］
????????故當T1工作在方式2時，串行通信口工作方式1、3的波特率為
????????方式1、3的波特率 = （/32）·fosc/［12·（? X）］?
????????由上式可推導出T1在方式2時，其初值X為
X = ? （·fosc）/（384·波特率）
????????舉例：單片機的時鐘頻率fosc=11.0592MHz，現要讓串行通信的波特率為2400bit/s，可將串行通信口的工作方式設為1、T1的方式設為2，并求出T1應設的初值。
????????求T1初值的過程如下。
????????先進行寄存器設置：為了讓波特率不倍增，將 PCON 寄存器中的數據設為00H，這樣SMOD位就為“0”；設置TMOD寄存器中的數據為20H，這樣T1就工作在方式2。再計算并設置T1的初值：
X = ? ·fosc/384·波特率 = 256 ?（× 11.0592 × ）/（384 × 2400）= 244
????????十進制數244轉換成十六進制數為F4H，將T1的初值設為F4H。
????????由于設置波特率和初值需要計算，比較麻煩，一般情況下可查表來進行設置。常見的波特率設置見表2。
表2 常用的波特率設置
總結
以上是生活随笔為你收集整理的51单片机——串行通信的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
- 上一篇： hihocoder王胖浩与三角形【海伦公
- 下一篇： 【GeneXus】在WorkWithPl