第 7 章 串行接口通信 7.1 概述

7.2 MCS-51 单片机的串行通信接口

7.3 串行口的四种工作方式

7.4 串口综合应用举例

在实际工作中，计算机的 CPU 和外部设备之间常要进行数据交换，一台计算机与其他计算机之间也往往要交换数据，所有的这些信息交换都称为通信。

常用的通信方式有两大类：串行通信和并行通信。目前串行通信协议有很多种： USB 、 I2C 、 RS-232 、 SPI 等都是串行通信协议。并行通信协议有 SPP 、 EPP 、 ECP 等。通常需要根据信息传送的距离决定采用那种通信方式，例如 PC 与外部设备（如打印机等）通信时，如果距离小于 30m ，可以采用并行通信方式，当距离大于 30m 时，则要采用串行通信方式。

7.1 概述

并行通信是指数据的各位同时进行传送（发送或接收）的通信方式，其优点是传送速度快，其缺点是数据有多少位，就要有多少根数据传送线，同时还必须有必要的控制线。并行通信在位数多、传送距离远就不太合适了。 串行通信指数据是一位一位的按顺序传送的通信方式，它的突出优点是只需要很少的传输线（根据不同的串行通信协议，数据传输线有所不同），这样大大降低了传送成本，特别适用于远距离通信，其缺点是传送速度较慢。 对串行通信主要涉及以下几个概念：串口通信的数据传输方向、同步和异步通信、波特率等

并行通信和串行通信

一般情况下，串行数据传输是在两个通信端之间进行的。其数据传输方向通常有三种：单工、半双工和全双工。 上面三种方式分别对应了 : 单行道、独木桥、双向车道的通行方式

7.1.1 数据传输方向

7.1.2 同步和异步通信1 异步通信

异步串行通信是以帧的形式发送字符数据，异步串行通信有连续发送字符和不连续发送字符两种方式，当连续发送字符时，每一帧信息由起始位、数据位、奇偶校验位和停止位组成，其帧结构如图 7-1 所示。

起始位 数据位 奇偶校验位 停止位 下一个字符的起始位

0 多种数据位形式 0/ 1 1 0

图 7-1 字符连续传送的异步通信数据传输格式

同步通信不同于异步通信，同步通信在数据传输开始前用同步字符（常约定 1 ～ 2 个），并由同步时钟来实现发送和接收端同步。即同步通信使用数据块传送信息，而不是字节，省去了每个字节的起始位和停止位等数据，直到通信结束。同步通信在每个数据块传输的开始使用同步字符，使接收和发送同步。其通信格式如图 7-3 所示

2 同步通信

同步字符1 同步字符2 数据

图 7-3 同步通信数据传输格式

7.1.3 波特率 波特率是衡量数据传送速率的指标，其定义为单位时间内传送的信息量，信息量的单位为 bit ，时间单位为秒，则 1 波特＝ 1 位 / 秒＝ 1bit/s ＝ 1bps 。 例如，在异步通信中使用 1 位起始位， 8 位数据位，无奇偶校验位， 1 位停止位。即一帧数据长度为 10bit ，如果在应用中要求数据传送的速率是 1 秒传送 120 帧字符，则传送波特率为 1200 波特。 在异步串行通信双方中，接收和发送方必须使用相同的波特率才能正确传输数据

7.2 MCS-51 单片机的串行通信接口

7.2.1 串行通信接口结构

7.2.2 串行口控制寄存器 SCON 和 PCON

7.2.1 串行通信接口结构

1 、串行口控制寄存器 SCON MCS-51 单片机串行通信方式的选择、接收和发送控制以及串行口的状态标志等均通过对特殊功能寄存器 SCON 编程来实现。 SCON 控制字的各位定义如图 7-3 所示

SM0 SM1 SM2 REN TB8 RB8 TI RI

图 7-3 SCON 控制字格式

7.2.2 串行口控制寄存器 SCON 和 PCON

2 、电源控制寄存器 PCON PCON 是为了在 CHMOS 的 80C51 单片机上实现电源控制而附加的。 PCON 中的最高位 SMOD 与串行口工作有关，如图 7-5 所示

图 7-5 电源控制寄存器 PCON

SMOD （ PCON.7 ）——波特率倍增位。在串行口方式 1 、方式 2 和方式 3 时，波特率和 SMOD 成正比，亦即当 SMOD ＝ 1 时，波特率提高一倍。复位时， SMOD ＝ 0

7.3 串行口的四种工作方式 7.3.1 串口工作方式 0

7.3.2 串口工作方式 1

7.3.3 串口工作方式 2

7.3.4 串口工作方式 3

7.3.1 串口工作方式 0

1 方式 0 的帧结构

2 方式 0 时的波特率

3 方式 0 工作基本原理

4 串行口方式 0 应用举例

1 方式 0 的帧结构 方式 0 为同步移位寄存器输入 / 输出方式。可外接移位寄存器以扩展 I/O 口，也可以外接同步输入 / 输出设备。串行数据通过 RXD 输入或输出，而 TXD 用来输出移位脉冲或外接部件的同步脉冲。方式 0 是以 8位数据为一帧，不设起始位和停止位，先发送或接收最低位，其帧格式如图 7-6所示

D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 …………………

图 7- 6 方式 0 的帧格式

2 方式 0 时的波特率

/12oscf

方式 0 时，每个机器周期产生一个移位脉冲，发送或接收一位数据，因此方式0 的波特率固定为

3 方式 0 工作基本原理方式 0 的发送过程：当执行一条将数据

写入发送缓冲器 SBUF 的指令， CPU将数据写入到发送缓冲器 SBUF 时，串行口将 8位数据以固定的波特率由 RXD引脚输出，同时由 TXD引脚输出频率为 fosc/12 的同步脉冲，字符发送完毕，置中断标志 T1 ＝ 1 ，向 CPU申请中断。

3 方式 0 工作基本原理方式 0 的接收过程：控制字除设置

为方式 0 外，还应设置接收允许控制位 REN ＝ 1 ，清除 RI 中断标志，接收器启动后， RXD 为数据输入端， TXD 为同步信号输出端，接收器以固定的波特率采样 RXD引脚输入的数据信息。当接收完 8 位数据后又重新置 RI ＝ 1 。

4 串行口方式 0 应用举例例 7.1 ：将片内 RAM 的 30H 单元中的内容经 CD4094 并行

输出。 分析： CD4094 是一种 8 位串行输入、并行输出的同步移

位寄存器， CLK 为同步脉冲输入端， STB 为控制端，若 STB＝ 0 ，则 8 位并行数据输出端关闭，但允许串行数据从 DATA输入，若 STB ＝ 1 ，则 DATA 输入端关闭，但允许 8 位数据并行输出。 CD4094 与单片机连接电路如图 7-7 所示。

RXD

TXD

P1.0

DATA

CLK

STB8051

数据输出

移位输出

D0D1D2D3D4D5D6D7

图 7-7 　　串口扩展并行 I/O 口

例 7.1 源程序：MAIN ： MOV SCON,#00H ; 设置工作模式 0 MOV A,30H MOV SBUF,A 　　 ; 发送 30H 单元内容 CLR P1.0 　　 WAIT ： JNB TI,WAIT 　 ; 判断是否发送完毕

CLR TISETB P1.0SJMP $

7.3.2 串口工作方式 1

1 方式 1 的帧结构

2 方式 1 时的波特率

3 方式 1 工作基本原理

4 串行口方式 1 应用举例

1 方式 1 的帧结构 方式 1 是以 10 位数据为一帧，设 1 位起始位“ 0” ， 8位数据位， 1 位停止位“ 1” ，先发送或接收最低位，其帧格式如图 7-8 所示

图 7-8 方式 0 的帧格式

D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7起始位“ 0” 停止位”1”

2 方式 1 时的波特率 方式 1 的移位时钟脉冲由定时器 T1 的溢出率决定，因此，串行口方式 1 的波特率由定时器 T1 的溢出率与 SMOD值同时决定。即方式 1 的波特率如式 7-3 所示

8

21

32 12[2 ( 1)]

SMODoscf

TH

7-3方式 的波特率＝

3 方式 1 工作基本原理方式 1 的发送过程：除设置 SCON 寄存器

为方式 1 和 TI ＝ 0 外，还需要利用定时器T1 来完成波特率的设置，当执行数据写入发送缓冲器 SBUF 的命令时，就启动了发送器开始发送。发送电路自动在 8 位发送字符前后分别添加 1 位起始位和 1 位停止位。并在发送移位时钟（其频率即是用户设置的波特率）作用下在 TXD引脚依次发送一帧信息，发送完后自动维持 TXD 为高电平，发送完毕后硬件置位 TI ，并在中断服务程序中由软件将 TI 复位。

3 方式 1 工作基本原理

方式 1 的接收过程：方式 1 接收操作必须在 SCON 寄存器中 REN 位为 1 、 RI 为 0 、工作模式设置为 1 的前提下进行，同时还必须利用定时器 T1 来完成波特率的设置。当上述设置完成后， MCS－ 51 单片机的 CPU会自动对 RXD引脚采样。采样频率为波特率的 16 倍，当检测到起始位（ RXD 上检测到 1→0 的跳变，即起始位）时，接收电路对 RXD引脚采样启动串口数据接收。

3 方式 1 工作基本原理方式 1 的收发流程

4 串行口方式 1 应用举例例 7.3 设有 A 、 B 两个单片机，采用中断方式编程实现如下串行通信功能的程序。双机通信电路如图 7-9 所示。时钟振荡频率为 11.0592MHz 。

图 7 － 9 双机通信

A 机： 将首地址为 ADDRT 的长度为 LEN 个单元的数据块顺序向 B 机发送 , 波特率为 2400 。

B 机：将接收到的 LEN 个单元的数据块顺序存储在以 ADDRR 的数据缓冲区中

8

21

32 12[2 ( 1)]

SMODoscf

TH

方式 的波特率＝

6

1

6

1 11.0592*102400

32 12(256 )

11.0592*101 256

12*32*2400256 12 244 4

TH

TH

F H

A 机发送源程序： LEN EQU 30H

ADDRT EQU 31HORG 0000H

LJMP MAIN ORG 0023H

LJMP INT_COMMORG 0030H

MAIN ： MOV SCON,# 40H　

MOV TMOD,#20H　 MOV TH1,#0F4H MOV TL1,#0F4H

SETB TR1SETB EASETB ESMOV R2,#LENMOV R0,#ADDRT

MOV A,@R0 MOV SBUF,A

LJMP $

; 中断服务子程序INT_COMM ： CLR TI DJNZ R2,LOOP

CLR ESLJMP ENDCOMM

LOOP ： INC R0MOV A,@R0MOV SBUF,A

ENDCOMM ： RETI END

B 机接收源程序： LEN EQU 30H

ADDRR EQU 31HORG 0000H

LJMP MAIN ORG 0023H

LJMP INT_COMMORG 0030H

MAIN ： MOV SCON,#50H 　MOV TMOD,#20H 　MOV TH1,#0F4H

MOV TL1,#0F4HSETB TR1SETB EASETB ESMOV R2,#LENMOV R0,#ADDRR

LJMP $

; 中断服务子程序INT_COMM ： CLR RI

MOV A, SBUFMOV @R0,A

DJNZ R2,LOOPCLR ESLJMP ENDCOMM

LOOP ： INC R0ENDCOMM ： RETI END