单片机串行接口介绍及典型设计案例

MCS-51系列单片机片内有一个可编程的全双工串行接口，串行发送时数据由单片机的TXD（即P3.1）引脚送出，接收时数据由RXD（即P3.0）引脚输入。单片机内部有有两个物理上独立的缓冲器SBUF，一个为发送缓冲器，另一个为接收缓冲器，两者共用一个SFR地址99H。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。其数据帧格式可为8位、10位或11位，并能设置各种波特率，给实际使用带来了很大的灵活性。

1.串行接口的结构

单片机的串行接口是可编程接口，对它的初始化只需对特殊功能寄存器SCON和电源控制寄存器PCON设定即可。8051单片机串行接口的结构如图4-12所示。

单片机的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和一个用于波特率发生器的T1等组成。串行接口数据缓冲器SBUF是可以直接寻址的专用寄存器。在物理上，一个作发送缓冲器，一个作接收缓冲器，但两个缓冲器共用一个入口地址（99H），由读/写信号区分。CPU发送数据时，数据写入SBUF，接收数据时读SBUF。接收缓冲器SBUF是双缓冲结构，以避免在接收下一帧数据之前，CPU未能及时响应接收器的中断，把上一帧数据读走，而产生两帧数据重叠的问题而设置的双缓冲。对于发送缓冲器，为了保持最大的传输速率，一般不需要双缓冲，因为发送时CPU是主动的，不会产生写重叠的问题。不管是发送数据或者接收数据，只要SBUF与外界有数据交换就可引发中断请求。

图4-12 单片机串行接口结构

特殊功能寄存器SCON用来存放串口的控制和状态信息。T1用做串口的波特率发生器，其波特率是否增倍由特殊功能寄存器PCON的最高位控制。

2.与串行通信有关的寄存器

与串行通信有关的寄存器有串行控制寄存器SCON、电源控制寄存器PCON以及与串行通信中断有关的控制寄存器IE和IP。另外，串行通信的波特率还要用到T1的控制寄存器TMOD和TCON。

（1）串行控制寄存器SCON

8051单片机串行通信的方式选择、接收和发送控制以及串口的状态标志等均由特殊功能寄存器SCON控制和指示。SCON的字节地址是98H，支持位操作。其控制字格式为

SM0、SM1：串口的工作方式控制位，工作方式见表4-3，其中f_osc是振荡频率。

表4-3 串行接口的工作方式(www.xing528.com)

SM2：多机通信控制位，主要用于方式2和方式3。若置SM2＝1，则允许多机通信。多机通信协议规定，第9位数据（D8）为1，说明本帧数据为地址帧；若第9位为0，则本帧为数据帧。当一个8051单片机（主机）与多个8051单片机（从机）通信时，所有从机的SM2都置1。主机先发送的一帧数据为地址，即某从机的机号，其中第9位为1，所有的从机接收到数据后，将其中第9位装入RB8中。各个从机根据收到的第9位数据（RB8中）的值来决定从机能否再接收主机的信息。若RB8＝0，说明是数据帧，则使接收中断标志位RI＝0，信息丢失；若RB8＝1，说明是地址帧，数据装入SBUF并置RI＝1，中断所有从机，被寻址的目标从机将SM2复位，以接收主机发送来的一帧数据。其他从机仍然保持SM2＝1。若SM2＝0，即不属于多机通信的情况，则接收一帧数据后，不管第9位数据是0还是1，都置RI＝1，接收到的数据装入SBUF中。在方式1时，若SM2＝1，则只有接收到有效的停止时，RI才置1，以便接收下一帧数据。在方式0时，SM2必须是0。

REN：允许接收控制位。由软件置1或清零。只有当REN＝1时才允许接收数据。在串行通信接收控制程序中，如满足RI＝0，REN＝1的条件，就会启动一次接收过程，一帧数据就装入接收缓冲器SBUF中。

TB8：工作在方式2和方式3时，TB8为发送的第9位数据，根据发送数据的需要由软件置位或复位，可作奇偶校验位，也可在多机通信中作为发送地址帧或数据帧的标志位。对于后者，TB8＝1时，说明发送该帧数据为地址；TB8＝0，说明发送该帧数据为数据字节。在方式0和方式1中，该位未用。

RB8：工作在方式2和方式3时，RB8为接收的第9位数据。SM2＝1时，如果RB8＝1，说明收到的数据为地址帧。RB8一般是约定的奇偶校验位，或是约定的地址/数据标志位。在方式1中，若SM2＝0（即不是多机通信情况），RB8中存放的是已接收到的停止位。方式0中该位未用。

TI：发送中断标志，在一帧数据发送完时被置位。在方式0中发送第8位数据结束时，或其他方式发送到停止位的开始时由硬件置位，向CPU申请中断，同时可用软件查询。TI置位表示向CPU提供“发送缓冲器SBUF已空”的信息，CPU可以准备发送下一帧数据。串口发送中断被响应后，TI不会自动复位，必须由软件清零。

RI：接收中断标志，在接收到一帧有效数据后由硬件置位。在方式0中接收到第8位数据时，或其他方式中接收到停止位中间时，由硬件置位，向CPU申请中断，也可用软件查询。RI＝1表示一帧数据接收结束，并已装入接收SBUF中，要求CPU取走数据。RI必须由软件清零，以清除中断请求，准备接收下一帧数据。

由于串行发送中断标志TI和接收中断标志RI共用一个中断源，所以CPU并不知道是TI还是RI产生的中断请求。因此，在进行串行通信时，必须在中断服务程序中用指令来判断。复位后SCON的所有位都清零。

（2）电源控制寄存器PCON

PCON中的最高位SMOD是与串口的波特率设置有关的选择位，其余7位都和串行通信无关。SMOD＝1时，方式1、2、3的波特率加倍。PCON格式为

串行通信的波特率是由单片机的定时器T1产生，并且串行通信占用一个单片机的一个中断。因此串行通信还要用T1以及中断有关的寄存器，如IE、IP、TMOD。在节之前已对中断和定时器应用做了介绍，利用这些寄存器进行串行通信时会在程序中再次体现。