51单片机串口多机通信的原理与编程实现
- 51单片机串口多机通信
- 需要用的的寄存器 (了解的可直接跳到下一节）
- TMOD 定时器/计数器模式控制寄存器
- TCON 定时器控制寄存器
- SCON 串口控制寄存器
- PCON 电源控制位寄存器
- IE 中断中断使能寄存器
- 补充说明，TH1 预置值计算，中断源
- 波特率计算公式
- 中断源
- 主从机工作模式和串口初始化代码
- （Master host）主机串口初始化，串口发送，中断接收代码
- （Slave host ）从机串口初始化，串口发送，中断接收代码
- 主从机的地址标识
- 主从机的数据帧约束
- 接线图和注意事项
- 后续可以进行的功能扩展（设想）
- 完整代码链接
- 需要用的的寄存器 (了解的可直接跳到下一节）
51单片机串口多机通信
实验所用硬件： STC89C52、11.0592MHz 晶振，9600bps
需要用的的寄存器 (了解的可直接跳到下一节）
- TMOD 定时器/计数器模式控制寄存
- TCON 定时器控制寄存器
- SCON 串口控制寄存器
- PCON 电源控制位寄存器
- IE(interrupt enable) 中断中断使能寄存器
TMOD 定时器/计数器模式控制寄存器
定时器/计数器模式控制寄存器TMOD是一个逐位定义的8位寄存器，但只能使用字节寻址，其字节地址为89H。
| D7 | D6 | D5 | D4 | D3 | D2 | D1 | D0 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| GATE | C/T | M1 | M0 | GATE | C/T | M1 | M0 |
- D0~D3 :为T0定时/计数器的设置，D4~D7为T1定时/计数器的设置 。
- GATE ：为门控位，GATE=0时，只要在编写程序时，使TCON中的TRO或TR1为1，就可以启动定时器/计数器工作。
- GATE=1时，不仅要在编写程序时，使TCON中的TR0或TR1为1，且需要外部引脚也为高电平，才能工作。
- C/T :定时/计数模式切换，C/T=0时为定时模式，C/T=1时为计数模式。
- M1,M0 :用来选择定时计/计数器的工作方式，一般使用都是采用16位的计时计数器
| M1 | M0 | 工作模式 | 说明 |
|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 13位计时计数器（8192） |
| 0 | 1 | 1 | 16位计时计数器（65535） |
| 1 | 0 | 2 | 8位计时计数器，可自动重新载入计数值（256） |
| 1 | 1 | 3 | 当成两组独立的8位计时器 （256，T0 和T1 不能同时使用 |
TCON 定时器控制寄存器
定时器控制寄存器，作用是控制定时器的启、停，标志定时器溢出和中断情况。
| D7 | D6 | D5 | D4 | D3 | D2 | D1 | D0 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| TF1 | TR1 | TF0 | TR0 | IE1 | IT1 | IE0 | IT0 |
- TF1 ：TF1=1表示T1有中断产生。（Timer Flag，定时器标志位）
- TR1 ：TR1=1表示T1开始运行。（单片机中T0引脚，需要高低电平的驱动）
- TF0 ：TF0=1表示T0有中断产生。
- TR0 ：TR0=1表示T0开始运行。（单片机中T1引脚，需要高低电平的驱动）
- IE1 ：IE1=1表示INT1有中断产生。
- IT1 ：IT1=1表示INT1为下降沿触发，IT1=0表示INT1为低电平触发。
- IE0 ：IE0=1表示INT0有中断产生。
- IT0 ：IT0=1表示INT0为下降沿（负跳变）触发，IT0=0表示INT0为低电平触发。
-
外部中断：
-
IE0/IE1：外部中断请求标志位 当INT0(INT1)引脚出现有效的请求信号，此位由单片机自动置1，CPU开始响应，处理中断，而当入中断程序后由单片机自动置0.
-
IT0/IT1:外部中断触发方式控制位 //选择有效信号 IT0/IT1=1:脉冲触发方式,下降沿有效。IT0/IT1=0:电平触发方式,低电平有效。
-
SCON 串口控制寄存器
| D7 | D6 | D5 | D4 | D3 | D2 | D1 | D0 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| SM0 | SM1 | SM2 | REN | TB8 | RB8 | T1 | RI |
- SM0、SM1工作方式控制位
- SM2：多机通信控制位，1-允许、0-不允许
- REN：串行接收允许位。1-允许、0-不允许
- TB8：发送数据第九位
- RB8：接收数据第九位
- TI：发送中断标志位
- RI：接收中断标志位
-
SM0和SM1
串行口工作方式选择位 ，两个选择位对应四种通信方式，如下表，其中fosc是振荡频率
SM0 SM1 工作方式 功能 波特率 0 0 方式0 8位同步移位寄存器 fosc/12 0 1 方式1 10位UART 可变 1 0 方式2 11位UART fosc/32 或 fosc/64 1 1 方式3 11位UART 可变 -
工作方式2
(SM0 SM1 :1 0)：串行口为11位异步通信接口。
- 发送或接收一帧信息包括1位起始位“0”、8位数据位、1位可编程位、1位停止位“1”。
- 发送数据：
- 发送前，先根据通信协议由软件设置TB8为“奇偶校验位”或“数据标识位”，然后将要发送的数据写入SBUF，即能启动发送器。
- 发送过程是由执行任何一条以SBUF为目的寄存器的指令而启动的，把8位数据装入SBUF，同时还把TB8装到发送移位寄存器的第9位上，然后从TXD(P3.1)端口输出一帧数据。
- 接收数据：
- 先置REN=1，使串行口为允许接收状态，同时还要将RI清“0”。
- 然后再根据SM2的状态和所接收到的RB8的状态决定此串行口在信息到来后是否置R1=1，并申请中断，通知CPU接收数据。
-
工作方式3
(SM0 SM1 :1 1)：为波特率可变的11位异步通信方式，除了波特率有所区别之外，其余方式都与方式2相同。
-
-
SM2
多机通信控制位，主要用于方式2和方式3。
-
若SM2 = 1,允许多机通信。
- 多机通信协议规定，第9位数据（D8）为1，说明本帧数据为地址帧；
- 若第9位数据为0，则本帧数据为数据帧。
-
若SM2 = 0, 即不属于多机通信情况，则接收完一帧数据后，不管第9位数据是0还是1，都置RI = 1，接收到的数据装入SBUF中。
- 在方式0时SM2必须置0。在方式1时，若SM2 = 1，则只有接收到有效停止位时，RI才置1，以便接收下一帧数据。
-
多机通信时
- 当一个89c51（主机）与多个89c51（从机）通信时，所有从机的SM2位都置1，主机首先发送的一帧数据为地址，即某从机号，其中第9位为1。
- 所有的从机接收数据后，将其中第9位数据装入RB8中。各个从机根据接收到的第9位数据（RB8中）的值来决定从机是否再接收主机的信息。
- 若（RB8）= 0，说明是数据帧，则使接收中断标志位RI = 0，信息丢失，
- 若RB8 = 1，说明是地址帧，数据装入SBUF并置RI = 1，中断所有从机，被寻址的目标从机清除SM2，以接收主机发来的一帧数据，其它从机仍然保持SM2 = 1。
-
-
REN
允许接收控制位，由软件置1或清0
- REN = 1时，允许接收，相当于串行接收的开关
- REN = 0时，禁止接收
在串行通信接收控制过程中，如果满足RI = 0和REN = 1的条件，就允许接收。
-
TB8, RB8
- TB8
发送数据的第9位（D8）装入TB8中。在方式2或方式3中，根据发送数据的需求由软件置位或复位。在许多通信协议中可用作奇偶校验位，也可以在多机通信中作为发送地址帧或者数据帧的标志位。
- RB8
接收数据的第9位，原理同TB8
-
TI, RI
- TI
发送中断标志位，在一帧数据发送完时被置位。在串行发送到停止位的开始时由硬件置位，可用软件查询。它同时也申请中断。TI置位意味着向CPU提供“发送缓冲器SBUF已空”的信息，CPU可以准备发送下一帧数据。串行口发送中断被响应后，TI不会自动清0，必须软件清0.
- RI
接收中断标志，在接收到一帧数据后由硬件置位。当RI = 1时，申请中断，表示一帧数据接收结束，并已装入接收SBUF中，要求CPU取走数据，CPU响应中断，取走数据。RI位也必须由软件来清0,。
- 注意
串行发送中断标志TI和接收中断标志RI是同一个中断源，CPU事先不知道是发送中断TI还是接收中断RI产生的中断请求，所以，在全双工通信时，必须由软件来判别。复位时SCON所有位都清0.
PCON 电源控制位寄存器
电源控制位寄存器PCON中只有SMOD位与串口工作有关，如下图所示
| D7 | D6 | D5 | D4 | D3 | D2 | D1 | D0 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| SMOD | X | X | X | GF1 | GF0 | PD | IDL |
SMOD：波特率倍增位。在方式1、2、3中，当SMOD = 1时，波特率提高一倍。
IE 中断中断使能寄存器
| 位 | D7 | D6 | D5 | D4 | D3 | D2 | D1 | D0 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 符号 | EA | – | ET2 | ES | ET1 | EX1 | ET0 | EX0 |
| 复位值 | 0 | – | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
想要中断发生时，CPU能处理中断函数，就必须使能相应的中断，通过IE配置即可。为1时使能，为0不使能
- EA （enable ALL ）：中断使能总开关位。1开启，0关闭。若EA不开启，即便5个中断都开启，CPU也不会处理中断。
- EX0：外部中断INT0使能
- EX1：外部中断INT1使能
- ET0：定时器0中断使能
- ET1：定时器1中断使能
- ET2：定时器2中断使能
- ES: 串口中断使能
补充说明，TH1 预置值计算，中断源
TH1 预置值计算公式
注意 SMOD=0时，K=1；SMOD=1时，K=2；
T H 1 = 256 − K ∗ F o s c 384 ∗ B a u d R a t e TH1 = 256 - \frac{K*F_osc}{384*BaudRate} TH1=256−384∗BaudRateK∗Fosc
举例，波特率为9600 bps，所用晶振为 11.0592 MHz，SMOD = 1，TH1 预置值应为 0xFA.
T H 1 = 256 − 2 ∗ 11059200 384 ∗ 9600 = 250 ( 0 x F A ) TH1 = 256 - \frac{2*11059200}{384*9600} = 250 (0xFA) TH1=256−384∗96002∗11059200=250(0xFA)
中断源
| 中断源 | 引发原因 | 默认优先级 | 中断序号(C语言) | 入口地址（汇编用）中断标号*8 +3得到 |
|---|---|---|---|---|
| INT0 | 引脚输入低电平或者下降沿引发。此时标志位IE0=1 | 最高 | 0 0003 | |
| T0 | T0对应的TF0溢出时发生。此时标志位TF0 = 1 | 1 | 000B | |
| INT1 | 引脚输入低电平或者下降沿引发。此时标志位IE1=1 | 2 | 0013 | |
| T1 | T1对应的TF1溢出时发生。此时标志位TF1 = 1 | 3 | 001B | |
| 串口中断 | 串口完成一帧字符的接受/发送引发。 | 4 | 0023 | |
| T2（如果有的话） | T2对应的TF2溢出时发生。标志位TF2 = 1 | 最低 | 5 | 002B |
若配置好了相应的中断，当中断发生时，单片机就会自动去调用中断函数，来处理中断。
在执行中断函数前，除了串行口中断的标志位需要用代码指令软件归零外，其他的中断标志位都是硬件自动归零。
- 注意
中断函数可以写在分文件里，在.c源文件中的写法。
void functionNmae() interrupt 中断序号 {
}
在头文件中的写法
void functionName(); //直接省略中断序号即可
主从机工作模式和串口初始化代码
51单片机的主从模式，首先要设定工作方式3：(主从模式+波特率可变)。SCON串口功能寄存器：SM0=1;SM1=1(工作方式3)
（Master host）主机串口初始化，串口发送，中断接收代码
- 串口发送
主机的配置发送“地址”时，把TB8设定为1，发送数据时TB8设定为0，(类似于：主机 TB8=1发送的是地址，TB8=0发送的是数据)
void TXdata(uchar addr,uchar *str){
TB8 = 1; //发送地址
SBUF = addr; //把地址发送出去
while(!TI); //判断是否发送成功(发送成功后TI会置1，需手动清0)
TI = 0;
TB8 = 0; //发送数据
while(*str != '\0') //发送数组
{
SBUF = (*str);
while(!TI);
TI = 0;
str++;
}
}
假设主机将发送“1234”给地址为1的从机：调用函数：TXdata(1,“1234$”);
- 主机接收
void chuan() interrupt 4 //串口中断服务函数
{
ES = 0; //关闭串口中断
if(RI) //再次判断，是否接收到数据(接收到数据后，RI会置1，需手动清0)
{
RXData = SBUF;
if(RXstart) //判断是否接收到过本地址
{
if(RXData != '$') //判断是否接收到 数据结束 标志 $
{
temp[j] = RXData; //没有接收到结束标志，正常保存数据至数组
j++;
}
else //接收到 结束标志 $
{
RXstart= 0; //本次接收结束
j = 0;
}
}
if(RXData == 1) //判断是否呼叫本机，地址范围：000 – 254(00 - FE)
{
RXstart = '0'; //开始接收数据
}
}
RI = 0; //清除接收标志位
ES = 1; //重新开启串口中断
}
- 主机串口初始化
void UART_init()
{
TMOD = 0x20; //定时器1，工作方式2：8位、自动重装
TH1 = 0xfd; //fd: 9600bps @ 11.0592M
TL1 = 0xfd; //e8: 1200bps @ 11.0592M
//f4: 2400bps @ 11.0592M
REN = 1; //允许串口接收
SM0 = 1;
SM1 = 1; //SM0和SM1：串口工作模式3，主从模式 + 波特率可变
//SM2 = 1; //只接收地址(从机如此配置，主机不需要)
ES = 1; //开串口中断
TR1 = 1; //启动定时器1
EA = 1; //中断 总开关
}
（Slave host ）从机串口初始化，串口发送，中断接收代码
- 注意
从机发送给主机的数据帧要以字符 ‘0’ 开头，标识这个要主机接收的。
- 串口发送
void TXdata(uchar *str){
while(*str != '\0') //发送数组
{
SBUF = (*str);
while(!TI);
TI = 0;
str++;
}
}
- 从机接收
- 从机接收时，首先串口初始化时，使SM2=1(接收地址模式，即只能接收到TB8=1的数据，才触发中断)，主机发送TB=0的数据，被认为是总线上的主机发送给别机的通信数据，本机丢弃，不产生中断。
- 接收的地址与本机地址相符后，使SM2=0(接收数据模式，接收数据正常触发中断)。(类似于：从机 SM2=1只接收地址，SM2=0只接收数据)
void chuan() interrupt 4 //串口中断服务函数
{
ES = 0; //关闭串口中断
if(RI) //再次判断，是否接收到数据(接收到数据后，RI会置1，需手动清0)
{
RXData = SBUF;
if(RXstart) //判断是否接收到过本地址
{
if(RXData != '$') //判断是否接收到 数据结束 标志 $
{
temp[j] = RXData; //没有接收到结束标志，正常保存数据至数组
j++;
}
else //接收到 结束标志 $
{
RXstart= 0; //本次接收结束
SM2 = 1; //重新 配置为：只接收地址 模式，下次发送TB8=1才中断
j = 0;
}
}
if(RXData == 1) //判断是否呼叫本机，地址范围：000 – 254(00 - FE)
{
RXstart = 1; //开始接收数据
SM2 = 0; //配置为：接收数据 模式
}
}
RI = 0; //清除接收标志位
ES = 1; //重新开启串口中断
}
- 从机串口初始化
void UART_init()
{
TMOD = 0x20; //定时器1，工作方式2：8位、自动重装
TH1 = 0xfd; //fd: 9600bps @ 11.0592M
TL1 = 0xfd; //e8: 1200bps @ 11.0592M
//f4: 2400bps @ 11.0592M
REN = 1; //允许串口接收
SM0 = 1;
SM1 = 1; //SM0和SM1：串口工作模式3，主从模式 + 波特率可变
SM2 = 1; //只接收地址(从机如此配置，主机不需要)
ES = 1; //开串口中断
TR1 = 1; //启动定时器1
EA = 1; //中断 总开关
}
主从机的地址标识
地址用一个8位字符表示可以，大小可以设置从 000-255。主机默认是0。
主从机的数据帧约束
无论是主机还是从机发送的数据帧都要以 ‘address’ 开头， ‘$’ 结尾。
- { ‘address’, ‘…’, ‘$’ }
接线图和注意事项
主机的RX 与所有从机的TX 连接。主机的TX 与所有从机的RX 连接。
- 从机和从机之间通信，只能通过主机中转。
- 各从机的TXD输出不能设置为推挽输出，要设置为开漏输出。
- 通信总线不能过长，最好不超过2米。
后续可以进行的功能扩展（设想）
- 添加控制指令
由 主机 -> 从机. 可以设置数据帧 {‘slave 1 addresss’, ‘GET’, ‘$’}. 表示主机想要获取从机从传感器中获得的数据。
- 主机中转传输
如设置一个指令字符帧开头 {‘master address’, ‘TRANSFER’, ‘slave 2 address’, “Data”, ‘$’}. 表示数据由主机代为转发到从机 “slave 2 address”.
完整代码链接
- 主机
serialmaster.h
serialmaster.c
- 从机
serial_slave.h
serial_slave.c