串行通信的工作方式及应用领域

1.串行通信简介

在计算机系统中，CPU和外部通信有两种方式：并行通信和串行通信。并行通信如图8.1所示，数据的各位同时传送，传送速度快，但传送距离短。

串行通信如图8.2所示，数据和控制信息一位一位按顺序串行传送。特点是传送速度较慢，传送距离比并口通信远。按照串行数据的时钟控制方式可分为异步通信和同步通信两类。

图8.1　并行通信

图8.2　串行通信

1）异步通信

异步通信通常以字符（或者字节）为单位组成字符帧传送。字符帧由发送端一帧一帧地传送，接收端通过传输线一帧一帧地接收。

字符帧由三个部分组成，分别是起始位、数据位和停止位，如图8.3所示。

图8.3　字符帧格式

起始位位于字符帧的开头，占一位，为0（低电平），表示发送端开始发送一帧数据。

数据位紧跟起始位后，低位在前，高位在后，根据串行通信工作方式的不同，数据位可为8位或9位。

停止位位于字符帧的末尾，占一位，为1（高电平），表示一帧数据发送完毕。

（1）串行接收。在串行接收数据时，当CPU允许接收（串行口控制寄存器SCON中的REN位为1）时，外部数据通过引脚RXD（P3.0）串行输入，数据低位在前，高位在后，一帧数据接收完毕，再并行送入接收缓冲器SBUF中，同时由硬件将接收中断标志位RI置“1”。

（2）串行发送。在串行发送数据时，将发送数据并行写入发送缓冲器SBUF中，同时启动数据由TXD（P3.1）引脚串行发送，当一帧数据发送完毕（发送缓冲器空），由硬件自动将发送中断请求标志位TI置“1”。

（3）数据传送速率。串行通信的速率用波特率来表示，所谓波特率就是指每秒钟传送数据位的个数。每秒钟传送一个数据位就是1波特，即1波特=1 b/s（位/秒）。在串行通信中，数据位的发送和接收分别由发送时钟脉冲与接收时钟脉冲进行控制。时钟频率高，则波特率高，通信速度就快；反之，时钟频率低，波特率就低，通信速度就慢。

2）同步通信

同步通信是一种连续串行传送数据的通信方式。在数据开始传送前，用同步字符（通常为1或2个）来指示数据的开始，并由时钟来实现发送端和接收端同步，即检测到规定的同步字符后，就连续按顺序传送数据，直到数据传送结束。同步传送时，字符与字符之间没有间隙，也不用起始位和停止位，同步传送的数据格式如图8.4所示。

图8.4　同步传送的数据格式

同步通信的数据传输速率较高，通常可达56 000 b/s或更高，其缺点是要求发送时钟和接收时钟必须保持严格同步。

3）串行通信的制式

在串行通信中，数据是在两个站之间进行传送的，按照数据传送方向，串行通信可分为单工、半双工和全双工三种制式。

在单工制式下，通信线的一端接发送器，一端接接收器，数据只能按照一个固定的方向传送。

在半双工制式下，系统的每个通信设备都由一个发送器和一个接收器组成，数据能从A传送到B，也可以从B传送到A，但是不能同时在两个方向上传送，只能一端发送，一端接收。

在全双工制式下，通信系统的每端都有发送器和接收器，并可以同时发送和接收，即数据可以在两个方向上同时传送。

一般情况下常用半双工制式，简单、实用。

2.MCS-51的串行接口的结构

51系列单片机串行接口主要由两个数据缓冲器SBUF、一个输入移位寄存器、一个串行控制寄存器SCON及一个波特率发生器组成，其结构框图如图8.5所示。发送和接收缓冲寄存器采用同一个地址99H，其寄存器名也同样为SBUF。CPU通过不同的操作指令来区别这两个寄存器，所以不会因地址和名称相同而产生错误。

图8.5　串行口结构框图

在发送和接收数据前，先设置波特率（设置PCON中的SMOD位，T1方式2的初值，注意发送和接收端的波特率要相同），并设置好SCON中的相应控制位；发送时向SBUF中写入要发送的数据，串行口自动启动数据发送，串行数据从TXD（P3.1）引脚输出，当一帧数据发送完毕时，将TI位置“1”，供CPU采用中断或查询方式进行串行发送处理；接收时串行数据从RXD（P3.0）引脚输入，当一帧数据接收完毕，将RI位置“1”，通知CPU将接收到的数据取走，并进行相应的接收处理；无论采用中断方式还是查询方式，在相应的处理程序中都要用指令将TI位和RI位清“0”。

串行通信主要是由串行口控制寄存器SCON控制的，其主要用于串行通信的工作方式（串行移位工作方式、双机通信工作方式和多机通信工作方式）控制，多机通信时传送数据或地址的控制，是否允许接收数据控制、串行数据接收或发送完毕控制等。

1）串行口控制寄存器SCON

SCON是51系列单片机的一个可位寻址的专用寄存器，用于串行通信方式选择、接收和发送控制、串行口状态指示等。单元地址为98H，位地址为98H～9FH。寄存器的内容及位符号见表8.2。

表8.2　SCON寄存器的内容及位符号

（1）SM0、SM1——串行口工作方式选择位。这两位用于选择串行口的四种工作方式，其状态组合和对应工作方式见表8.3。

（2）SM2、TB8、RB8——多机通信控制位。在方式2和方式3时，TB8是发送数据的第9位，RB8是接收数据的第9位，由用户用指令进行置“1”或清“0”，TB8和RB8是对应的，在发送端发的TB8位就是接收端接收的RB8位。

方式2和方式3用于多机通信时，在发送端若TB8=1，则表示发送的为地址帧；若TB8=0，则表示发送的为数据帧。

表8.3　SM0、SM1的状态组合和对应工作方式

接收端若SM2=1，表示地址接收状态，若接收到RB8=1，即接收的为地址帧时，将接收到的地址送入接收SBUF中，并置位RI产生中断请求；若RB8=0，即接收到的为数据帧，RI不置“1”，同时将接收到的数据帧丢弃。若SM2=0，表示数据接收状态，则不论RB8=1或RB8=0，都将接收到的数据送入接收SBUF中，并产生中断请求。

在方式2和方式3用于双机通信时，TB8、RB8可作奇偶校验位用。

在方式1中，当SM2=0时，RB8为接收到的停止位；当SM2=1，则只有接收到有效停止位时，RI才置“1”。而串行口工作在方式0中，SM2必须置“0”，不用TB8和RB8位。

（3）REN——允许接收位。由指令置“1”或清“0”，REN=1时，允许接收数据；REN=0时，禁止接收数据。

（4）TI——发送中断标志位。在方式0时，发送完第8位数据后，该位由硬件置“1”。在其他方式下，在发送停止位之初，由硬件置“1”。

因此，TI=1表示帧发送结束，其状态既可供软件查询使用，也可用于请求中断。TI在查询方式或中断方式下都必须由指令清“0”。

（5）RI——接收中断标志位。在方式0时，接收完第8位数据后，该位由硬件置“1”。在其他方式下，在接收停止位的中间，该位由硬件置“1”。因此，RI=1表示帧接收结束，其状态既可供软件查询使用，也可用于请求中断。同样，RI在查询方式或中断方式下都必须由指令清“0”。

2）电源控制寄存器PCON(www.xing528.com)

PCON不可位寻址，字节地址为87H。PCON主要是为CHMOS型51系列单片机的电源控制而设置的专用寄存器，其各控制位的符号见表8.4。

表8.4　PCON寄存器各控制位的符号

与串行通信有关的只有D7位（SMOD），该位为波特率倍增位。当SMOD=1时，串行口波特率增加1倍；当SMOD=0时，串行口波特率为设定值。当系统复位时，SMOD=0。

GF1、GF0、PD和IDL位为电源控制位，其中GF1和GF0为通用标志位，由指令置“1”或清“0”。PD和IDL位为低功耗方式控制位，其中PD位为掉电方式控制位，PD=1时，进入掉电工作方式；IDL位为待机方式控制位，IDL=1时，进入待机工作方式。

3.串行口的四种工作方式

51系列单片机串行通信有四种工作方式，由SCON中的SM0和SM1位确定。

1）方式0

串行口工作在方式0时，作同步移位寄存器使用，以8位数据为一帧，无起始位和停止位。串行数据由RXD（P3.0）端输入或输出端，同步移位脉冲由TXD（P3.1）端输出。这种工作方式常用于扩展I/O口中，外接移位寄存器（并入串出移位寄存器74LS165或串入并出移位寄存器74LS164），实现数据并行输入或输出。工作在方式0时，波特率固定为fosc/12，即每个机器周期输入或输出一位数据。

（1）数据发送。当数据写入SBUF后，从RXD端输出，在移位脉冲的控制下，逐位移入74LS164，并完成数据的串并转换。当8位数据全部输出后，由硬件将TI置“1”，发出中断请求。数据由74LS164并行输出，其接口电路如图8.6所示，RXD端接74LS164的串行输入端A、B，TXD接74LS164的时钟脉冲输入端CLK，P1.0接74LS164的清零端。由图8.6可知通过外接74LS164，串行口能够实现数据的并行输出。

图8.6　方式0 外接移位寄存器输出

（2）数据接收。要实现接收数据，必须首先把SCON中的允许接收位REN置“1”。当REN为1时，数据在移位脉冲的控制下，从RXD端输入。当接收完8位数据时，将接收中断标志位RI置“1”，发出中断请求。数据由74LS165并行输入，其接口电路如图8.7所示。RXD接74LS165的数据输出端Q，TXD接74LS165的时钟脉冲输入端CLK，P1.0接移位/置数端。由该电路可知，通过外接74LS165，串行口能够实现数据的并行输入。

图8.7　方式0外接移位寄存器输入

2）方式1

方式1为10位异步串行通信方式，其帧格式为1个起始位、8个数据位和1个停止位，其波特率可调。

（1）数据发送。数据写入SBUF后，就启动发送器开始发送，此时由硬件加入起始位和停止位，构成一帧数据，由TXD串行输出。发送完一帧数据后，将TI置“1”，通知CPU可以进行下一个数据的发送。

（2）数据接收。REN=1且接收到起始位后，就开始接收一帧数据。当停止位到来后，把停止位送入RB8中，并置位RI，通知CPU接收到一个数据，将其从SBUF中取走。

（3）波特率确定。工作在方式1时，其波特率是可变的，波特率的计算公式为

其中，SMOD为PCON寄存器的最高位，其值为1或0。

当定时器1作波特率发生器使用时，选用工作方式2（自动重装初值方式），可以避免因程序反复装入定时初值所引起的定时误差，使波特率更加稳定。设T1初值为X，则溢出周期为

溢出率为溢出周期的倒数，则波特率的计算公式为

T1的初值为

3）方式2

方式2为11位异步串行通信方式。其帧格式为1个起始位、9个数据位和1个停止位。与方式1相比，增加了一个第9位数据位（D8），其功能由用户确定，是一个可编程位。

（1）数据发送。发送前先根据通信协议用指令设置SCON中的TB8（发送端发送的第9位数据，双机通信时作奇偶校验位；多机通信时作地址/数据标识位，TB8为1时发送的为地址，TB8为0时发送的为数据）。然后将要发送的数据（D0～D7）写入SBUF中，而D8位的内容则由硬件电路从TB8中直接送到发送移位寄存器的第9位，并以此来启动串行发送。一帧发送完毕，将TI位置“1”，其他过程与方式1相同。

（2）数据接收。方式2的接收过程也与方式1基本类似，所不同的只在第9位数据上，串行口把接收到的前8位数据送入SBUF，而把第9位数据送入RB8。在接收前先将REN位置“1”，将RI位清“0”。然后根据SM2的状态和接收到的RB8的状态决定串行口在数据到来后是否使RI置“1”，如RI置“1”则接收数据，否则不接收数据。

当SM2=0时，单片机处于数据接收状态，不管RB8为0还是为1，RI均置“1”，此时串行口将接收发送来的数据。

当SM2=1时，单片机处于地址接收状态。如接收到的RB8为1时，表示接收到的为地址，此时RI置“1”，串行口接收发来的地址；如接收到的RB8为0时，表示接收到的为数据，因本机当前处于地址接收状态，所以该数据不能被接收，RI不置“1”，此数据为发送给其他单片机的数据。

（3）波特率确定。方式2的波特率是固定的，由晶振频率及SMOD的值确定。当SMOD为0时，波特率为晶振频率1/32，即fosc/32；当SMOD为1时，波特率为晶振频率的1/64，即fosc/64。用公式表示为

4）方式3

方式3同方式2相似，只不过方式3的波特率是可变的，由用户来确定。其波特率的确定同方式1。

4.串行口初始化编程

串行口初始化时，主要对波特率发生器T1、串行口控制寄存器SCON及电源控制寄存器PCON中的波特率倍增位SMOD进行设置，串行口初始化编程格式如下：

5.RS-232C接口

RS-232C是EIA（美国电子工业协会）1969年修订的RS-232C标准。RS-232C定义了数据终端设备（DTE）与数据通信设备（DCE）之间的物理接口标准。

RS-232C（阳头）接口规定使用9针连接器，连接器的尺寸及每个插针的排列位置都有明确的定义。RS-232C外形及指针排布如图8.8和图8.9所示。

图8.8　RS-232C外形

图8.9　RS-232C指针排布

6.串行通信应用举例

【例8.1】使用74LS164的并行输出端接8支发光二极管，利用它的串入并出功能，把发光二极管从左到右依次点亮并反复循环。假定发光二极管为共阴极接法。

解：使用74LS164的并行输出端电路原理图如图8.10所示。软件部分程序如下：

图8.10　使用74LS164的并行输出端电路原理图

【例8.2】单片机可接收PC发送的数字字符，按下单片机的K1键后，单片机可向PC发送字符串，其电路如图8.11所示。在Proteus环境下完成本实验时，需要安装Virtual Serial Port Driver和串口调试助手。本例缓冲100个数字字符，缓冲满后新数字从前面开始存放（环形缓冲）。

图8.11　单片机与PC接收和发送字符的电路

程序如下：