单片机----串行通信

串行通信的两种方式

串行通信的传输模式

串行通信的错误校验

1.奇偶校验

2.代码和校验

3.循环冗余码校验

串行口结构

串行口控制寄存器SCON

特殊功能寄存器PCON

串行口的4种工作方式

方式0：

（1）方式0的发送过程

（2）方式0接收

方式1：

（1）方式1的发送

（2）方式1接收

方式2：

（1）方式2的发送

（2）方式2接收

多机通信

串口通信需注意的点

1.波特率

（1）波特率的指定方法

（2）波特率的定义

（3）定时器T1产生波特率的计算

（4）定时器/计数器T2作为波特率发生器

串行通信应用举例

1.串行口方式1应用编程

2.串行口方式2应用编程

3.串行口方式3应用编程

串行通信的两种方式

串行通信有两种方式：异步通信，同步通信

同步串行通信是采用一个同步时钟，通过一条同步时钟线，加到收发双方，使收、发双方达到完全同步，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，既保持位同步关系。同步通信及数据格式见图6-3。

异步串行通信是指收、发双方使用各自的时钟控制数据的发送和接收这样可省去连接收、发双方的一条同步时钟信号线，使得异步串行通信连接更加简单且容易实现。为使收发双方协调，要求收、发双方的时钟尽可能一致。

串行通信的传输模式

串行通信按照按照数据传输的方向及时间关系可分为单工、半双工和全双工。
1.单工
数据传输仅能按一个固定方向传输，不能反向传输，如图所示。
2.半双工
数据传输可以双向传输，但不能同时进行，不能同时传输，如图所示。
3.全双工
数据传输可同时进行双向传输，如图所示。

串行通信的错误校验

在串行通信中，往往要对数据传送的正确与否进行校验。校验时保证传输数据准确无误的关键。常用的有奇偶校验与循环冗余码校验等方法。

1.奇偶校验

串行发送数据时，数据位尾随1位奇偶校验位(1或0)。当约定为奇校验时，数据中“1”的个数与校验位“1”的个数之和应为奇数;当约定为偶校验时，数据中“1”的个数与校验位“1”的个数之和应为偶数。数据发送方与接收方应一致。在接收数据帧时，对“1”的个数进行校验，若发现不一致则说明数据传输过程中出现了差错，则通知发送端重发。

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。接收方接收数据时同时对数据块(除校验字节)求和或各字节异或，将所得结果与发送方的“校验和”进行比较如果相符，则无差错，否则即认为在传输过程中出现了差错。

3.循环冗余码校验

循环冗余码校验纠错能力强，容易实现。该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。是目前应用最广的检错码编码方式之一，广泛用于同步通信中。

串行口结构

有两个物理上独立的接收、发送缓冲器SBUF(属于特殊功能寄存器)可同时发送、接收数据

发送缓冲器只能写入不能读出

接收缓冲器只能读出不能写入
两个缓冲器共用一个特殊功能寄存器字节地址 (99H)控制寄存器共有两个:特殊功能寄存器SCON和PCON。

串行口控制寄存器SCON

字节地址98H，可位寻址，位地址为98H~9FH。格式如图所示。

(1)SM0、SM1----串行口4种工作方式选择位

(2) SM2一多机通信控制位
多机通信是在方式2和方式3下进行。当串口以方式2或方式3接收时，如果SM2=1，则只有当接收到的第9位数据 (RB8)为“1”时，才使RI置“1”产生中断请求，并将接收到的前8位数据送入SBUF。
当接收到的第9位数据 (RB8)为“0”时，则将接收到的前8位数据丢弃。

当SM2 = 0时，则不论第9位数据是1还是0，都将前8位数据送入SBUF中，并使RI置1，产生中断请求。
在方式1时，如果SM2=1，则只有收到有效的停止位时才会激活RI

在方式0时，SM2必须为0。

(3) REN----允许串行接收位
由软件置“1”或清“0”
REN=1，允许串行口接收数据
REN=0，禁止串行口接收数据

(4) TB8----发送的第9位数据

方式2和方式3，TB8是要发送的第9位数据，其值由软件置“1”或清“0”。在双机串行通信时，一般作为奇偶校验位使用，在多机串行通信中用来表示主机发送的是地址帧还是数据帧，TB8=1为地址帧，TB8=0为数据帧。

(5) RB8----接收的第9位数据
方式2和方式3，RB8存放接收到的第9位数据。在方式1，如SM2=0,RB8是接收到的停止位。在方式0，不使用RB8。

(6) TI----发送中断标志位
方式0，串行发送的第8位数据结束时TI由硬件置“1”，在其他方式中,串行口发送停止位的开始时置TI为“1”

TI =1，表示一帧数据发送结束。TI的状态可供软件查询，也可申请中断。CPU响应中断后，在中断服务程序中向SBUF写入要发送的下一帧数据。TI必须由软件清“0”

(7) RI-接收中断标志位
方式0时，接收完第8位数据时，RI由硬件置“1”。在其他工作方式中串行接收到停止位时，该位置“1”。RI= 1，表示一帧数据接收完毕，并申请中断，要求CPU从接收SBUF取走数据。该位的状态也可供软件查询。RI必须由软件清“0”
SCON的所有位都可进行位操作清“0”或置“1”

特殊功能寄存器PCON

字节地址为87H，不能位寻址。

PCON最重要的功能是SMOD：波特率选择位

当SMOD = 1时，要比SMOD = 0时的波特率加倍，所以也称SMOD位为波特率倍增位。

串行口的4种工作方式

4种工作方式由SCON中SM0、SM1位定义

方式0：

方式0为同步移位寄存器输入/输出方式。该方式并不用于两个单片机之间的异步串行通信，而是用于串行口外接移位寄存器，扩展并行I/O口。

8位数据为一帧，无起始位和停止位，先发送或接收最低位。波特率固定为 $f_{osc}$ /12。帧格式如图所示。

（1）方式0的发送过程

当CPU执行一条将数据写入发送缓冲器SBUF的指令时，产生一个正脉冲，串行口开始把SBUF中的8位数据以 $f_{osc}$ /12的固定特率从RXD引脚（p3.0引脚）串行输出，低位在先，TXD引脚（p3.1引脚）输出同步移位脉冲，发送完8位数据，中断标志位TI置“1”。发送时序如图所示。

外接串入并出移位寄存器74LS164扩展的并行输出口：

实现串行输入数据，并行输出数据

（2）方式0接收

•方式0接收过程
方式0接收，REN为串行口允许接收控制位，0---禁止接收; 1---允许接收。
当向SCON寄存器写入控制字(设置为方式0，并使REN位置1，同时RI=0) 时，产生一个正脉冲，串行口开始接收数据。
引脚RXD为数据输入端，TXD为移位脉冲信号输出端，接收器以 $f_{osc}$ /12的固定波特率采样RXD引脚的数据信息，当接收完8位数据时，中断标志RI置1，表示一帧数据接收完毕，可进行下一帧数据的接收，时序如图所示

•方式0接收应用举例

图为串行口外接两片8位并行输入串行输出的寄存器74LS165扩展两个8位并行输入口的电路。
当74LS165的S/L* 端由高到低跳变时，并行输入端的数据被置入寄存器当S/L*=1，且时钟禁止端 (15脚) 为低时，允许TXD (P3.1) 串行移位脉冲输入，这时在移位脉冲作用下，数据由右向左方向移动，以串行方式进入串行口的接收缓冲器中。

在图中:
TXD(P3.1)作为移位冲输出与所有75LS165的移位脉冲输入端CP相连；RXD(P3.0)作为串行数据输入端与74LS165的串行输出端Q相连;P1.0与S/L*相连，用来控制74LS165的串行移位或并行输入;
74LS165的时钟禁止端 (15脚)接地，表示允许时钟输入
当扩展多个8位输入口时，相邻两芯片的首尾 (Q与SIN)相连

注：

在方式0，SCON中的TB8、RB8位没有用到，发送或接收完8位数据由硬件使TI或RI中断标志位置“1”，CPU应TI或RI中断，在中服务程序中向发送SBUF中送入下一个要发送的数据或从接收SBUF中把接收到的1B存入内部RAM中。
注意，TI或RI标志位必须由软件清“0”，采用如下指令:
CIR TI ;TI位清“0”

CIR RI ;RI位清“0”
方式0时，SM2位(多机通信控制位)必须为0。

方式1：

方式1为双机串行通信方式，当SM0、SM1=0，1时，串行口设为方式1的双机串行通信。TXD脚和RXD脚分别用于发送和接收数据。

方式1一帧为10位，1个起始位 (0)，8个数据位，1个停止位 (1)先发送或接收最低位。格式如图所示。

方式1为波特率可变的8位异步通信接口：

其中的SMOD是PCON寄存器的最高位的值(0或1)

（1）方式1的发送

方式1输出时，数据位由TXD端输出，发送一帧信息为10位: 1位起始位0，8位数据位(先低位) 和1位停止位1。
当CPU执行一条数据写SBUF的指令，就启动发送。发送时序见图。
图中TX时钟的频率就是发送的波特率。

发送开始时，内部发送控制信号SEND*变为有效，将起始位向TXD脚(P3.1)输出，此后每经过一个TX时钟周期，便产生一个移位脉冲，并由TXD引脚输出一个数据位。8位数据位全部发送完毕后，中断标志位TI置1。然后SEND*无效。

（2）方式1接收

方式1接收时(REN=1)，数据从RXD (P3.0)脚输入。当检测到起始位的负跳变，则开始接收。
接收时序见图。

接收时，定时控制信号有两种，一种是接收移位时钟(RX时钟)，它的频率和传送的波特率相同，另一种是位检测器采样脉冲，频率是RX时钟的16倍。以波特率的16倍速率采样RXD脚状态。当采样到RXD端从1到0的负跳变时就启动检测器，接收的值是3次连续采样 (第7、8、9个脉冲时采样) 取两次相同的值，以确认起始位(负跳变)的开始，较好地消除干扰引起的影响。

注：上图的写SBUF和SEND都有，只是此图没有绘制

当确认起始位有效时，开始接收一帧信息。每一位数据，也都进行3次连续采样(第7、8、9个脉冲采样)，接收的值是3次采样中至少两次相同的值。当一帧数据接收完毕后，同时满足以下两个条件，接收才有效。

•RI=0，即上一数据接收完成时，RI=1发出的中断请求已被响应，SBUF中的数据已被取走，说明“接收SBUF”已空
•SM2=0或收到的停止位=1（方式1时，停止位已进入RB8），则将接收到的数据装入SBUF和RB8(装入的是停止位)，且中断标志RI置
若不同时满足两个条件，收的数据不能装入SBUF，该帧数据将丢弃。

方式2：

方式2和方式3，为9位异步通信接口。每帧数据为11位，1位起始位0，8位数据位(先低位)，1位可程控为1或0的第9位数据和1位停止位。方式2、方式3帧格式如图所示。

D8就是可控位，由用户控制，若为发送，则是TB8位，若为接收，则是RB8位

方式2和方式3除了支持的最高波特率有所不同，其他工作方式等都相同，这里主要介绍方式2

方式2波特率：

（1）方式2的发送

发送前，先根据通信协议由软件设置TB8(如奇偶校验位或多机通信的地址/数据标志位)，然后将要发送的数据写入SBUF，即启动发送。TB8自动装入第9位数据位，逐一发送。发送完毕，使TI位置“1”。

例：方式2发送在双机串行通信中的应用

下面的发送中断服务程序，以TB8作为奇偶校验位，偶校验发送。数据写入SBUF之前，先将数据的偶校验位写入TB8(设第2组的工作存器区的R0作为发送数据区地址指针)。

（2）方式2接收

SM0、SM1=10，且REN=1时，以方式2接收数据。数据由RXD端输入，接收11位信息。当位检测逻辑采样到RXD的负跳变，判断起始位有效，便开始接收一帧信息。在接收完第9位数据后，需满足以下两个条件，才能将接收到的数据送入SBUF(接收缓冲器)。
(1) RI=0，意味着接收缓冲器为空。
(2) SM2=0 或 RB8=1。

当满足上述两个条件时，收到的数据送SBEF(接收缓冲器)，第9位数据送入RB8，且RI置“1”。若不满足这两个条件，接收的信息将被丢弃。
串行口方式2和方式3接收时序如图所示：

方式2接收在双击通信中的应用

本例对例发送的数据进行偶校验接收，程序如下(设1组寄存器区的R0为数据缓冲区指针)

注：这里P的奇偶数是接收到的数据的实际值，而这里的RB8的奇偶数，是发送时TB8中用户写进的奇偶数。

多机通信

1.多机通信的工作原理

多个单片机可利用串行口进行多机通信，常采用图中的主从式结构。系统有1个主机(单片机或其他有行接口的微机)和多个单片机组成的从机系统。主机RXD与所有从机的TXD端相连，TXD与所有从机的RXD端相连。从机地址分别为01H、02H和03H。

主从式是指多机系统中，只有一个主机，其余全是从机。主机发送的信息可以被所有从机接收，任何一个从机发送的信息，只能由主机接收。从机和从机之间不能进行直接通信，只能经主机才能实现。
多机通信的工作原理：
要保证主机与所选择的从机通信，须保证串口有识别功能。SCON中的SM2位就是为满足这一条件设置的多机通信控制位。其工作原理是在串行口以方式2(或方式3) 接收时，若SM2=1，则表示进行多机通信，可能以下两种情况:

(1)从机接收到的主机发来的第9位数据RB8=1时，前8位数据才装入SBUF,并置中断标志RI= 1，向CPU发出中断请求
在中断服务程序中，从机把接收到的SBuF中的数据存入数据缓冲区中。
(2) 如果从机接收到的第9位数据RB8=0时，则不产生中断标志RI=1，不引起中断，从机不接收主机发来的数据。
若SM2=0，则接收的第9位数据不论是0还是1，从机都将产生RI=1中断标志，接收到的数据装入SBUF中。

应用这特性，可实现AT89S52单片机的多机通信。多机通信的工作过程:
(1)各从机初始化程序允许从机的串行口中断，将串行口编程为方式2或方式3接收，即9位异步通信方式，且SM2和REN位置“1”，使从机处于多机通信且只接收地址帧的状态（RB=0,数据帧，会被直接丢弃）。

(2)在主机和某个从机通信之前，先将从机地址(即准备接收数据的从机) 发送给各个从机，接着才传送数据(或命令)，主机发出的地址帧信息的第9位为1，数据 (或命令) 的第9位为0。当主机向各从机发送地址帧时，各从机的串行口接收到的第9位信息RB8为1，且由于各从机的SM2=1,则RI置“1”，各从机响应中断，在中断服务子程序中，判断主机送来的地址是否和本机地址相符合，若为本机地址，则该从机SM2位清6607准备接收主机的数据或命令;若地址不相符，则保持SM2=1。

(3)接着主机发送数据 (或命令)，数据的第9位为0。此时各从机接收到的RB8=0。

只有与前面地址相符合的从机(即SM2位已清“0”的从机)才能激活中断标志位RI，从而进入中断服务程序，接收主机发来的数据(或命令);与主机发来的地址不相符的从机，由于SM2保持为1，又RB8=0,因此不能激活中断标志RI，就不能接受主机发来的数据帧。从而保证主机与从机间通信的正确性。此时主机与建立联系的从机已经设置为单机通信模式，即在整个通信中，通信的双方都要保持发送数据的第9位(即TB8位)为0，防止其他的从机误接收数据

(4) 结束数据通信并为下一次的多机通信做好准备。在多机系统，每个从机都被赋予唯一的地址。例如，图中三个从机的地址可设为:01H、02H、03H。

还要预留1~2个“广播地址”，它是所有从机共有的地址，例如将“广播地址”设为00H。当主机与从机的数据通信结束后，一定要将从机再设置为多机通信模式，以便进行下一次的多机通信

串口通信需注意的点

1.波特率

（1）波特率的指定方法

串行通信，收、发双方发送或接收的波特率必须一致。4种工作方式中

方式0和方式2的波特率是固定的；

方式1和方式3的波特率是可变的，由T1溢出率确定。

（2）波特率的定义

波特率的定义:串行口每秒发送 (或接收) 的位数。设发送一位所需要的时间为T，则波特率为1/T。
定时器的不同工作方式，得到的波特率的范围不一样，这是由T1在不同工作方式下计数位数的不同所决定。

（3）定时器T1产生波特率的计算

与串行口的工作方式有关
(1)方式0时，波特率固定为时钟频率 $f_{osc}$ 的1/12，不受SMOD位值的影响。若 $f_{osc}$ =12 MHz，波特率为1Mbit/s。

(2)方式2时，波特率仅与SMOD位的值有关

若 $f_{osc}$ =12 MHz:SMOD=0，波特率 =187.5 kbit/s; SMOD=1，波特率为375 kbit/s。

(3)方式1或方式3定时，常用T1作为波特率发生器，其关系式为：

在实际设定波特率时，T1常设置为方式2定时 (自动装初值)，即TL1作为8位计数器，TH1存放备用初值。这种方式操作方便，也避免因软件重装初值带来的定时误差。

实际使用时，经常根据已知波特率和时钟频率来计算T1的初值X。为避免繁杂的初值计算，常用的波特率和初值X间的关系常列成下表的形式以供查用。

注：

(1)在使用的时钟率12MH或6MH时，将初值X带入式(6-3)中计算出的波特率有一定误差。消除误差可采用时钟频率11.0592MHz。

(2)如果选用很低的波特率，如波特率选为55，可将定时器T1设置为方式1定时。但在这种情况下，T1溢出时，需在中断服务程序中重新装入初值。中断响应时间和执行指令时间会使波特率产生一定的误差，可用改变初值的方法加以调整。

（4）定时器/计数器T2作为波特率发生器

AT89S52单片机的T2本身具有专用的“波特率发生器”的工作模式通过软件设置T2CON寄存器中的RCLK和/或TCLK，可将T2设置为波特率发生器。

需要注意的是，如果T2用于波特率发生器和定时器/计数器T1用于别的功能，则这个接收/发送波特率可能是不同的。
设置RCLK和/或TCLK使定时器/计数器T2进入波特率发生器模式，如图6-22所示。由图6-22，当设置T2CON寄存器中的C1为0，设置RCLK和/或TCLK为1时，输出16分频的接收1发送波特率。

另外通过对T2EX引脚(P1.1)跳变信号的检测，并置位EXF2中断请求标志位，向CPU请求中断。需要注意的是，图6-22中的主振频率是经过2分频，而不是12分频。

定时器/计数器T2工作在波特率发生器模式，属于16位自动装载定时模式串行通信方式1和方式3的波特率计算公式为:

定时器/计数器T2的波特率发生器可选择定时模式或计数模式，一般都选择定时模式。
注意，在选择定时器使用时，是主振频率fosc经12分频为一个机器周期作为加1计数信号，而作为波特率发生器使用时是以每个时钟状态S(2分频主振频率)作为加1计数信号。
因此串行通信方式1和方式3的波特率计算公式为:

式(6-4)中“RCAP2H RCAP2L”为定时器/计数器T2的初值。例如“RCAP2H RCAP2L”初值为FFFFH，则65536-65535=1，则式(6-4)的波特率=(fosc/32)b/s。
设主振频率fosc=12MHz,则上述波特率=375kb/s。从式(6-4)可见采用定时器/计数器2用作波特率发生器，其波特率设置范围极广。

从图6-22可见，当定时器/计数器2用作波特率发生器时，具有以下特点
(1)必须设置T2CON寄存器中的RCLK和/或TCLK为1(有效);

(2)计数器回0溢出再装载但不会置位TF2向CPU请求中断;

(3)如果T2EX引脚上发生负跳变将置位EXF2为1，向CPU请求中断处理，但不会将陷阱寄存器“RCAP2H RCAP2L中预置的计数初值装入TH2和TL2中。因此，可将T2EX引脚用作额外的输入引脚或外部中断源。

(4)采用定时模式作波特率发生器时，是对fosc经2分频(时钟状态S)作为计数单位，而不是osc经12分频的机器周期信号。

(5)波特率设置范围广，精确度高。

串行通信应用举例

串行通信接口设计时，需考虑如下问题。
(1)首先确定通信双方的数据传输速率。

(2)由数据传输速率确定采用的串行通信接口标准。

(3)在通信接口标准允许的范围内确定通信的波特率。为减小波特率的误差，通常选用11.0592MHz的晶振频率。

(4)根据任务需要，确定收发双方使用的通信协议。

(5)通信线的选择，这是要考虑的一个很重要的因素。通信线一般选用双绞线较好，并根据传输的距离选择纤芯的直径。如果空间的干扰较多，还要选择带有屏蔽层的双绞线。

(6)通信协议确定后，进行通信软件编程。

1.串行口方式1应用编程

（1）甲机发送程序

甲机要发送的数据块的地址为片外RAM的2000H~201FH。发送时先发数据块的首末地址，然后再发送数据块。甲机先采用查询方式发4个字节的首末地址，然后再采用中断方式发送数据块，并采用比较末地址的方法，判断数据块是否发送结束。程序中用到了一个数据块发送完毕标志位F0，数据块如发送完毕，则标志位F0=1。

（2）乙机接收程序

乙机采用中断方式接收，先接收甲机发送的4个字节的首末地址，然后存于片内RAM的78H~75H单元中。接着再接收甲机发送的数据块，乙机把接收到的数据块存于片外RAM的2000H~201FH单元中。
程序中使用了两个标志位F0和7FH:
•标志位F0=0，表示接收地址，F0=1接收数据
•标志位7FH=0，表示数据未接收完;7FH=1表示数据接收完毕。

乙机接收程序如下：

2.串行口方式2应用编程

方式2和方式1有两点不同之处。接收/发送11位信息，多出第9位程控位，该位可由用户置TB8决定，这是一个不同点。另一不同点是方式2波持率变化范围比方式1小，方式2的波特率=振荡器频率/n。
当SMOD=0时，n=64。当SMOD=1时，n=32
鉴于方式2的使用和方式3基本一样 (只是波特率不同)，所以方式2的应用，可参照下面的方式3编程。