單片機(jī)串口理解
串行接口
8051單片機(jī)的通訊方式有兩種：
并行通訊:數(shù)據(jù)的各位同時發(fā)送或接收。
串行通訊:數(shù)據(jù)一位一位順序發(fā)送或接收。參看下圖：
串行通訊的方式：
異步通訊：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(yàn)位(可以省略)，最后是停止位1。用這種格式表示字符，則字符可以一個接一個地傳送。
在異步通訊中，CPU與外設(shè)之間必須有兩項(xiàng)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。原則上字符格式可以由通訊的雙方自由制定，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(jìn)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。
同步通訊：在異步通訊中，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(shí)現(xiàn)發(fā)送端與接收端之間的同步，故硬件較復(fù)雜。
通訊方向：在串行通訊中，把通訊接口只能發(fā)送或接收的單向傳送方法叫單工傳送;而把數(shù)據(jù)在甲乙兩機(jī)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(jī)之間不能同時進(jìn)行發(fā)送和接收，任一時該，只能發(fā)或者只能收信息。
8051單片機(jī)的串行接口結(jié)構(gòu)
8051串行接口是一個可編程的全雙工串行通訊接口。它可用作異步通訊方式(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)異步通訊協(xié)議進(jìn)行全雙工的8051多機(jī)系統(tǒng)也可以通過同步方式，使用TTL或CMOS移位寄存器來擴(kuò)充I/O口。
8051單片機(jī)通過引腳RXD(P3.0，串行數(shù)據(jù)接收端)和引腳TXD(P3.1，串行數(shù)據(jù)發(fā)送端)與外界通訊。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?yàn)樗鼈儍蓚一個只能被CPU讀出數(shù)據(jù)，一個只能被CPU寫入數(shù)據(jù)。
串行口控制寄存器SCON
它用于定義串行口的工作方式及實(shí)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為晶振頻率
SM2：多機(jī)通訊控制位。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(yàn)位，或在多機(jī)通訊中作為區(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，用軟件查詢的方法獲得數(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，可用查詢的方法獲知或者用中斷的方法獲知。RI也必須用軟件清0。
串行口的工作方式
8051單片機(jī)的全雙工串行口可編程為4種工作方式，現(xiàn)分述如下：
一.方式0：
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(kuò)展I/O口，也可以外接同步輸入/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引腳輸出，TXD引腳輸出移位脈沖。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(kuò)展輸出和輸入的接線圖。
二.方式1
方式1為波特率可變的10位異步通訊接口方式。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引腳輸出，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引腳，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(jìn)入RB8，8位數(shù)據(jù)才能進(jìn)入接收寄存器，并由硬件置位中斷標(biāo)志RI;否則信息丟失。所以在方式1接收時，應(yīng)先用軟件清零RI和SM2標(biāo)志。
三.方式2
方式二為固定波特率的11位UART方式。它比方式1增加了一位可程控位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(jī)通訊中地址/數(shù)據(jù)信息的標(biāo)志位，也可以作為數(shù)據(jù)的奇偶校驗(yàn)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引腳，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(jìn)入RB8，8位數(shù)據(jù)才能進(jìn)入接收寄存器，并由硬件置位中斷標(biāo)志RI;否則信息丟失。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。
四.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，在串行通訊中，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?yàn)榉绞?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(jī)系統(tǒng)選用這個看起來“怪”的晶振就是這個道理。
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 |
串行口應(yīng)用編程實(shí)例
1. 串口方式0應(yīng)用編程 8051單片機(jī)串行口方式0為移位寄存器方式，外接一個串入并出的移位寄存器，就可以擴(kuò)展一個并行口。
例：用8051串行口外接CD4094擴(kuò)展8位并行輸出口，如圖所示，8位并行口的各位都接一個發(fā)光二極管，要求發(fā)光管呈流水燈狀態(tài)。串行口方式0的數(shù)據(jù)傳送可采用中斷方式，也可采用查詢方式，無論哪種方式，都要借助于TI或RI標(biāo)志。串行發(fā)送時，可以靠TI置位(發(fā)完一幀數(shù)據(jù)后)引起中斷申請，在中斷服務(wù)程序中發(fā)送下一幀數(shù)據(jù)，或者通過查詢TI的狀態(tài)，只要TI為0就繼續(xù)查詢，TI為1就結(jié)束查詢，發(fā)送下一幀數(shù)據(jù)。在串行接收時，則由RI引起中斷或?qū)I查詢來確定何時接收下一幀數(shù)據(jù)。無論采用什么方式，在開始通訊之前，都要先對控制寄存器SCON進(jìn)行初始化。在方式0中將，將00H送SCON就可以了。
ORG 2000H
START: MOV SCON,#00H ;置串行口工作方式0
MOV A,#80H ;最高位燈先亮
CLR P1.0 ;關(guān)閉并行輸出(避象傳輸過程中，各LED的"暗紅"現(xiàn)象)
OUT0: MOV SBUF,A ;開始串行輸出
OUT1: JNB TI,OUT1 ;輸出完否
CLR TI ;完了，清TI標(biāo)志，以備下次發(fā)送
SETB P1.0 ;打開并行口輸出
ACALL DELAY ;延時一段時間
RR A ;循環(huán)右移
CLR P1.0 ;關(guān)閉并行輸出
JMP OUT0 ;循環(huán)
說明：DELAY延時子程序可以用前面我們講P1口流水燈時用的延時子程序，這里就不給出了。
二、異步通訊
org 0000H
AJMP START
ORG 30H
START:
mov SP,#5fh ;
mov TMOD,#20h ;T1: 工作模式2
mov PCON,#80h ;SMOD=1
mov TH1,#0FDH ;初始化波特率(參見表)
mov SCON,#50h ;Standard UART settings
MOV R0,#0AAH ;準(zhǔn)備送出的數(shù)
SETB REN ;允許接收
SETB TR1 ;T1開始工作
WAIT:
MOV A,R0
CPL A
MOV R0,A
MOV SBUF,A
LCALL DELAY
JBC TI,WAIT1 ;如果TI等于1，則清TI并轉(zhuǎn)WAIT1
AJMP WAIT
WAIT1: JBC RI,READ ;如果RI等于1，則清RI并轉(zhuǎn)READ
AJMP WAIT1
READ:
MOV A,SBUF ;將取得的數(shù)送P1口
MOV P1,A
LJMP WAIT
DELAY: ;延時子程序
MOV R7,#0ffH
DJNZ R7,$
RET
END
將程序編譯通過，寫入芯片，插入實(shí)驗(yàn)板，用通讀電纜將實(shí)驗(yàn)板與主機(jī)的串口相連就可以實(shí)驗(yàn)了。上面的程序功能很簡單，就是每隔一段時間向主機(jī)輪流送數(shù)55H和AAH，并把主機(jī)送去的數(shù)送到P1口？梢栽赑C端用串口精靈來做實(shí)驗(yàn)。串口精靈在我主頁上有下載。運(yùn)行串口精靈后，按主界面上的“設(shè)置參數(shù)”按鈕進(jìn)入“設(shè)置參數(shù)”對話框，按下面的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。注意，我的機(jī)器上用的是串口2，如果你不是串口2，請自行更改串口的設(shè)置。
設(shè)置完后，按確定返回主界面，注意右邊有一個下拉列表，應(yīng)當(dāng)選中“按16進(jìn)制”。然后按“開始發(fā)送”、“開始接收”就可以了。按此設(shè)置，實(shí)驗(yàn)板上應(yīng)當(dāng)有兩只燈亮，6只燈滅。大家可以自行更改設(shè)置參數(shù)中的發(fā)送字符如55，00，F(xiàn)F等等，觀察燈的亮滅，并分析原因，也可以在主界面上更改下拉列表中的“按16進(jìn)制”為“按10進(jìn)制”或“按ASCII字符”來觀察現(xiàn)象，并仔細(xì)分析。這對于大家理解16進(jìn)制、10進(jìn)制、ASCII字符也是很有好處的。程序本身很簡單，又有注釋，這里就不詳加說明了。
三、上述程序的中斷版本
org 0000H
AJMP START
org 0023h
AJMP SERIAL ;
ORG 30H
START:
mov SP,#5fh ;
mov TMOD,#20h ;T1: 工作模式2
mov PCON,#80h ;SMOD=1
mov TH1,#0FDH ;初始化波特率(參見表)
mov SCON,#50h ;Standard UART settings
MOV R0,#0AAH ;準(zhǔn)備送出的數(shù)
SETB REN ;允許接收
SETB TR1 ;T1開始工作
SETB EA ;開總中斷
SETB ES ;開串口中斷
SJMP $
SERIAL:
MOV A,SBUF
MOV P1,A
CLR RI
RETI
END
本程序沒有寫入發(fā)送程序，大家可以自行添加。
擴(kuò)展閱讀：簡單的單片機(jī)I/O口擴(kuò)展實(shí)例
編輯：admin 最后修改時間：2018-05-19
