19 串口通信

单片机STC89C52学习——19 串口通信

汇总：00 单片机STC89C52学习
参考教程：普中科技

1 原理

1.1 并行通信与串行通信

并行通信	串行通信
将数据字节的各位用多条数据线同时进行传送	将数据字节分成一位一位的形式在一条传输线上逐个地传送（先低后高）
控制简单、传输速度快；但由于传输线较多，长距离传送时成本高且接收方的各位同时接收存在困难（相互干扰等）	传输线少，长距离传送时成本低，且可以利用电话网（电话线）等现成的设备；但数据的传送控制比并行通信复杂

1.2 串行通信：异步通信与同步通信

1. 异步通信
          异步通信是指通信的发送与接收设备使用各自的时钟控制数据的发送和接收过程。为使双方的收发协调，要求发送和接收设备的时钟尽可能一致。
          异步通信是以字符（构成的帧）为单位进行传输，字符与字符之间的间隙（时间间隔）是任意的，但每个字符中的各位是以固定的时间传送的。即字符之间不一定有“位间隔”的整数倍的关系，但同一字符内的各位之间的距离均为“位间隔”的整数倍。
   
          特点：不要求收发双方时钟的严格一致，实现容易，设备开销较小，但每个字符要附加2～3位用于起止位，各帧之间还有间隔，因此传输效率不高。
   数据格式：
   
2. 同步通信
          同步通信时要建立发送方时钟对接收方时钟的直接控制，使双方达到完全同步。此时，传输数据的位之间的距离均为“位间隔”的整数倍，同时传送的字符间不留间隙，即既保持位同步关系，也保持字符同步关系。发送方对接收方的同步可以通过两种方法实现——外同步和自同步：
   

1.3 串行通信的传输方向

1. 单工
   数据传输仅能沿一个方向，不能实现反向传输
2. 半双工
   数据传输可以沿两个方向，但需要分时进行
3. 全双工
   数据可以同时进行双向传输

1.4 串行通信中常见的错误校验

1. 奇偶校验（通常使用）
          在发送数据时，数据位尾随的1位为奇偶校验位（1或0）。奇校验时，数据中“1”的个数与校验位“1”的个数之和应为奇数；偶校验时，数据中“1”的个数与校验位“1”的个数之和应为偶数。接收字符时，对“1”的个数进行校验，若发现不一致，则说明传输数据过程中出现了差错。
2. 代码和校验
          代码和校验是发送方将所发数据块求和（或各字节异或），产生一个字节的校验字符（校验和）附加到数据块末尾。接收方接收数据同时对数据块（除校验字节外）求和（或各字节异或），将所得的结果与发送方的“校验和”进行比较，相符则无差错，否则即认为传送过程中出现了差错。
3. 循环冗余校验
          这种校验是通过某种数学运算实现有效信息与校验位之间的循环校验，常用于对磁盘信息的传输、存储区的完整性校验等。这种校验方法纠错能力强，广泛应用于同步通信中。

1.5 传输速率

1. 比特率
          比特率（波特率）是每秒钟传输二进制代码的位数，单位是：位／秒（bps）。如每秒钟传送240个字符，而每个字符格式包含10位(1个起始位、1个停止位、8个数据位)，这时的比特率为：10位×240个/秒 = 2400 bps
2. 传输距离与传输速率的关系
          串行接口或终端直接传送串行信息位流的最大距离与传输速率及传输线的电气特性有关。当传输线使用每0.3m（约1英尺）有50PF电容的非平衡屏蔽双绞线时，传输距离随传输速率的增加而减小。当比特率超过1000 bps 时，最大传输距离迅速下降，如9600 bps 时最大距离下降到只有76m（约250英尺）。
          反比：若要传得远，波特率必须小；只需要传很近，波特率可以大。

1.6 串行通信接口标准

1. RS-232C接口
2. RS-422A接口
3. RS-485接口

1.7 80C51的串行口的控制

有两个物理上独立的接收、发送缓冲器SBUF，它们占用同一地址99H ；接收器是双缓冲结构 ，避免数据接收过程中出现重叠错误；发送缓冲器，因为发送时CPU是主动的，不会产生重叠错误。

1. 控制寄存器SCON（通常0101 0000 = 0x50）
   设定串行口的工作方式、接收/发送控制以及设置状态标志
   

• SM0和SM1：工作方式选择位，可选择四种工作方式（通常选择方式1）
  
• SM2：多机通信控制位，主要用于方式2和方式3。当接收机的SM2=1时可以利用收到的RB8来控制是否激活RI（RB8＝0时不激活RI，收到的信息丢弃；RB8＝1时收到的数据进入SBUF，并激活RI，进而在中断服务中将数据从SBUF读走）。当SM2=0时，不论收到的RB8为0和1，均可以使收到的数据进入SBUF，并激活RI（即此时RB8不具有控制RI激活的功能）。通过控制SM2，可以实现多机通信。在方式0时，SM2必须是0。在方式1时，如果SM2=1，则只有接收到有效停止位时，RI才置1。
• REN：允许串行接收位。由软件置REN=1，则启动串行口接收数据；若软件置REN=0，则禁止接收
• TB8，在方式2或方式3中，是发送数据的第九位，可以用软件规定其作用。可以用作数据的奇偶校验位，或在多机通信中，作为地址帧/数据帧的标志位。在方式0和方式1中，该位未用。
• RB8，在方式2或方式3中，是接收到数据的第九位，作为奇偶校验位或地址帧/数据帧的标志位。在方式1时，若SM2=0，则RB8是接收到的停止位。
• TI：发送中断标志位。在方式0时，当串行发送第8位数据结束时，或在其它方式，串行发送停止位的开始时，由内部硬件使TI置1，向CPU发中断申请。在中断服务程序中，必须用软件将其清0，取消此中断申请。
• RI：接收中断标志位。在方式0时，当串行接收第8位数据结束时，或在其它方式，串行接收停止位的中间时，由内部硬件使RI置1，向CPU发中断申请。也必须在中断服务程序中，用软件将其清0，取消此中断申请。

2. PCON
   其中只有一位SMOD与串行口工作有关
   

• SMOD (PCON.7) ：波特率倍增位。在串行口方式1、方式2、方式3时，波特率与SMOD有关，当SMOD=1时，波特率提高一倍。复位时，SMOD=0。

1.8 80C51串行口的工作方式

1. 方式0
   方式0时，串行口为同步移位寄存器的输入输出方式。主要用于扩展并行输入或输出口。数据由RXD (P3.0) 引脚输入或输出，同步移位脉冲由TXD（P3.1）引脚输出。发送和接收均为8位数据，低位在先，高位在后。波特率固定为fosc/12。

• 输出：
  

• 输入：
  

2. 方式1
   方式1是10位数据的异步通信口。TXD为数据发送引脚，RXD为数据接收引脚，传送一帧数据的格式如图所示。其中1位起始位，8位数据位，1位停止位。
   

• 输出：
  

• 输入：
  

  用软件置REN为1时，接收器以所选择波特率的16倍速率采样RXD引脚电平，检测到RXD引脚输入电平发生负跳变时，则说明起始位有效，将其移入输入移位寄存器，并开始接收这一帧信息的其余位。接收过程中，数据从输入移位寄存器右边移入，起始位移至输入移位寄存器最左边时，控制电路进行最后一次移位。当RI=0，且SM2=0（或接收到的停止位为1）时，将接收到的9位数据的前8位数据装入接收SBUF，第9位（停止位）进入RB8，并置RI=1，向CPU请求中断。

3. 方式2和方式3
   方式2或方式3时为11位数据的异步通信口。TXD为数据发送引脚，RXD为数据接收引脚 。
   
   方式2和方式3时起始位1位，数据9位（含1位附加的第9位，发送时为SCON中的TB8，接收时为RB8），停止位1位，一帧数据为11位。方式2的波特率固定为晶振频率的1/64或1/32，方式3的波特率由定时器T1的溢出率决定。

• 输出：
  

  发送开始时，先把起始位0输出到TXD引脚，然后发送移位寄存器的输出位（D0）到TXD引脚。每一个移位脉冲都使输出移位寄存器的各位右移一位，并由TXD引脚输出。
  第一次移位时，停止位“1”移入输出移位寄存器的第9位上 ，以后每次移位，左边都移入0。当停止位移至输出位时，左边其余位全为0，检测电路检测到这一条件时，使控制电路进行最后一次移位，并置TI=1，向CPU请求中断。

• 输入：
  

  接收时，数据从右边移入输入移位寄存器，在起始位0移到最左边时，控制电路进行最后一次移位。当RI=0，且SM2=0（或接收到的第9位数据为1）时，接收到的数据装入接收缓冲器SBUF和RB8（接收数据的第9位），置RI=1，向CPU请求中断。如果条件不满足，则数据丢失，且不置位RI，继续搜索RXD引脚的负跳变。

1.9 波特率的计算

       在串行通信中，收发双方对发送或接收数据的速率要有约定。通过软件可对单片机串行口编程为四种工作方式，其中方式0和方式2的波特率是固定的，而方式1和方式3的波特率是可变的，由定时器T1的溢出率来决定。
       串行口的四种工作方式对应三种波特率。由于输入的移位时钟的来源不同，所以，各种方式的波特率计算公式也不相同。

• 方式0的波特率 = fosc/12
• 方式2的波特率 = (2SMOD/64) · fosc
• 方式1的波特率 = (2SMOD/32) · (T1溢出率)
• 方式3的波特率 = (2SMOD/32) · (T1溢出率)

       当T1作为波特率发生器时，最典型的用法是使T1工作在自动再装入的8位定时器方式（即方式2，且TCON的TR1=1，以启动定时器）。这时溢出率取决于TH1中的计数值：T1 溢出率 = fosc /{12×[256 －（TH1）]}
       在单片机的应用中，常用的晶振频率为：12MHz和11.0592MHz。所以，选用的波特率也相对固定。常用的串行口波特率以及各参数的关系如表所示。

1.10 串口如何使用

• TMOD：确定T1的工作方式
• 赋初值：计算T1的初值，装载TH1、TL1
• TCON：启动T1（TR1位）
• SCON：确定串行口控制
• IE、IP：中断方式时，进行中断设置

1.11 单片机与单片机的通信

1. 点对点
   
2. 多机通信
   单片机构成的多机系统常采用总线型主从式结构。所谓主从式，即在数个单片机中，有一个是主机，其余的是从机，从机要服从主机的调度、支配。80C51单片机的串行口方式2和方式3适于这种主从式的通信结构。当然采用不同的通信标准时，还需进行相应的电平转换，有时还要对信号进行光电隔离。在实际的多机应用系统中，常采用RS-485串行标准总线进行数据传输。
   

2 程序：串口通信——返回收到的数据，通过串口调试助手显示

#include "reg52.h"
typedef unsigned char u8;
typedef unsigned int u16;

void USARTInit()
{
    TMOD = 0x20;// 使用T1：GATE = 0; C/T = 0定时器; M1 = 1、M0 = 0为8位自动重装
    TH1 = 0xF3; TL1 = 0xF3;// 波特率4800
    PCON = 0x80;// 倍频
    TR1 = 1;// 启动T0
    SCON = 0x50;
    EA = 1; ES = 1;// 中断允许：总、串口
}

void main()
{
    USARTInit();
    while (1);
}

void intUSART() interrupt 4// 接收到数据，SBUF存满，RI = 1即发出中断请求产生中断
{
    u8 receivedData = SBUF;// 读缓冲器的数据保存到变量
    RI = 0;// 要手动清零，取消中断申请
    SBUF = receivedData;// 放到缓冲区就开始发送了
    while(!TI);// 等待直到发送完成，TI变成1
    TI = 0;
}

效果：