單片機(jī)串行接口的控制與應(yīng)用

1. 概述

   本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/201611/322018.htm

   21世紀(jì)是信息的社會(huì)，而信息的傳遞和交換，要有一定的途徑和方法，你現(xiàn)在在網(wǎng)上就是在獲取信息，對(duì)不對(duì)？如果你是使用電話撥號(hào)上網(wǎng)的話，就是在使用計(jì)算機(jī)的串行接口在通信的啦！?。?/p>

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3. 串行接口的一般概念 計(jì)算機(jī)與外界進(jìn)行信息交換稱之為通訊。
   MCS-51單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)全雙工的串行接口，在物理結(jié)構(gòu)上是由獨(dú)立的接收和發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖器（SBUF）組成，可同時(shí)發(fā)送、接收數(shù)據(jù)。

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(shí)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。

串行通訊的方式：　在一幀格式中，包括：一個(gè)起始位0，然后是8個(gè)數(shù)據(jù)位，規(guī)定低位在前，高位在后，接下來(lái)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后，則字符可以一個(gè)接一個(gè)地傳送。

1. 異步通訊：
   它是用一幀來(lái)表示一個(gè)字符。

從上可知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（傳送的字符速度）。字符格式的規(guī)定是雙方能夠在對(duì)同一種0和1的字符串時(shí)能理解成同一種意義。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)。單位：位/秒，例如，數(shù)據(jù)傳送的速率是120字符/s，即每秒傳送120個(gè)字符，而每個(gè)字符如上述規(guī)定包含10數(shù)位，則傳送波特率為10*120=1200波特。

1. 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(shí)進(jìn)行發(fā)送和接收，任一時(shí)該，只能發(fā)或者只能收信息。而全雙工傳送則發(fā)送和接收可同時(shí)進(jìn)行。
2. 同步通訊：在同步通訊中，每個(gè)字符要用起始位和停止位作為字符開(kāi)始和結(jié)束的標(biāo)志，占用了時(shí)間；所以在數(shù)據(jù)塊傳遞時(shí)，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(kāi)始要用同步字符來(lái)指示，同時(shí)要求由時(shí)鐘來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)送端與接收端之間的同步，故硬件較復(fù)雜。

   常用于計(jì)算機(jī)之間的通信。

3. 2．8051單片機(jī)的串行接口結(jié)構(gòu)

8051串行接口是一個(gè)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(guò)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(guò)同步方式，使用TTL或CMOS移位寄存器來(lái)擴(kuò)充I/O口。

8051單片機(jī)通過(guò)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(huì)出現(xiàn)沖突，因?yàn)樗鼈儍蓚€(gè)一個(gè)只能被CPU讀出數(shù)據(jù)，一個(gè)只能被CPU寫(xiě)入數(shù)據(jù)，可對(duì)SBUF直接進(jìn)行讀/寫(xiě)。

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2. 串行口的控制是由對(duì)專用的特殊功能寄存器進(jìn)行設(shè)置來(lái)完成的。包括：SCON、PCON。

   　

2. 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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(lái)禁止接收。

   TB8:在方式2或方式3中，要發(fā)送的第9位數(shù)據(jù)位，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(shí)，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(shí)也是申請(qǐng)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(lái)發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)。TI必須用軟件清0（如CLR TI）。

   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(shí)刻由硬件置位（例外情況見(jiàn)于SM2的說(shuō)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（如CLR RI）。

3. 特殊功能寄存器PCON

   　

PCON是為了在CHMOS的80C51單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)電源控制而附加的。其中最高位是SMOD，為串行口波特率系數(shù)控制位，SMOD=1時(shí)，使波特率加倍，一般不用。

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2. 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：

2. 方式0為移位寄存器輸入/輸出方式。可外接移位寄存器以擴(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(lái)輸出同步脈沖。

   　

2. 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(xiě)入發(fā)送寄存器時(shí)，立即啟動(dòng)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。

   　

3. 輸入當(dāng)串行口以方式0接收時(shí)，先置位允許接收控制位REN。此時(shí)，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(shí)滿足時(shí)，開(kāi)始接收。當(dāng)接收到第8位數(shù)據(jù)時(shí)，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。

1. 波特率選擇
2. 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(shí)器T1的溢出率控制。

3. 方式0方式0的波特率固定為主振頻率的1/12。

4. 方式2
5. 方式2的波特率由PCON中的選擇位SMOD來(lái)決定，可由下式表示：

波特率=2的SMOD次方除以64再乘一個(gè)fosc，也就是當(dāng)SMOD=1時(shí)，波特率為1/32fosc，當(dāng)SMOD=0時(shí)，波特率為1/64fosc

3．方式1和方式3

定時(shí)器T1作為波特率發(fā)生器，其公式如下：

波特率=定時(shí)器T1溢出率

T1溢出率= T1計(jì)數(shù)率/產(chǎn)生溢出所需的周期數(shù)

式中T1計(jì)數(shù)率取決于它工作在定時(shí)器狀態(tài)還是計(jì)數(shù)器狀態(tài)。當(dāng)工作于定時(shí)器狀態(tài)時(shí)，T1計(jì)數(shù)率為fosc/12;當(dāng)工作于計(jì)數(shù)器狀態(tài)時(shí)，T1計(jì)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(shí)器T1的工作方式、T1的預(yù)置值有關(guān)。

定時(shí)器T1工作于方式1：溢出所需周期數(shù)=65536-x

定時(shí)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(dòng)重裝入初值的8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器模式，所以用它來(lái)做波特率發(fā)生器最恰當(dāng)。

當(dāng)時(shí)鐘頻率選用11.0592MHZ時(shí)，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(gè)看起來(lái)“怪”的晶振就是這個(gè)道理。

下表列出了定時(shí)器T1工作于方式2常用波特率及初值。