MCS-51单片机的串行口及串行通信技术

数据通信的基本概念

串行通信有单工通信、半双工通信和全双工通信3种方式。

单工通信：数据只能单方向地从一端向另一端传送。例如，目前的有线电视节目，只能单方向传送。

半双工通信：数据可以双向传送，但任一时刻只能向一个方向传送。也就是说，半双工通信可以分时双向传送数据。例如，目前的某些对讲机，任一时刻只能一方讲，另一方听。

全双工通信：数据可同时向两个方向传送。全双工通信效率最高，适用于计算机之间的通信。

此外，通信双方要正确地进行数据传输，需要解决何时开始传输，何时结束传输，以及数据传输速率等问题，即解决数据同步问题。

实现数据同步，通常有两种方式，一种是异步通信，另一种是同步通信。

异步通信

在异步通信中，数据一帧一帧地传送。每一帧由一个字符代码组成，一个字符代码由起始位、数据位、奇偶校验位和停止位4部分组成。每一帧的数据格式如图7-1所示。

一个串行帧的开始是一个起始位“0”，然后是5〜8位数据（规定低位数据在前，高位数据在后），接着是奇偶校验位（此位可省略），最后是停止位“1”。

1. 起始位
   起始位"0”占用一位，用来通知接收设备，开始接收字符。通信线在不传送字符时，一直保持为“1”。接收端不断检测线路状态，当测到一个“0”电平时，就知道发来一个新字符，马上进行接收。起始位还被用作同步接收端的时钟，以保证以后的接收能正确进行。
2. 数据位
   数据位是要传送的数据，可以是5位、6位或更多。当数据位是5位时，数据位为D0〜D4；当数据位是6位时，数据位为D0〜D5；当数据位是8位时，数据位为D0〜D7。
3. 奇偶校验位
   奇偶校验位只占一位，其数据位为D8。当传送数据不进行奇偶校验时，可以省略此位。此位也可用于确定该帧字符所代表的信息类型，“1"表明传送的是地址帧，“0”表明传送的是数据帧。
4. 停止位
   停止位用来表示字符的结束，停止位可以是1位、1.5位或2位。停止位必须是高电平。接收端接收到停止位后，就知道此字符传送完毕。

图7-1 (a)表示一个字符紧接一个字符的传送情况，图7-1 (b)表示两个字符之间有空闲位的情况，空闲位为“1”，线路处于等待状态。空闲位是异步通信的特征之一。

同步通信

在同步通信中，发送端首先发送同步字符，紧接着连续传送数据（即数据块），并由时钟来实现发送端与接收端的同步。同步传送时，字符与字符之间没有间隙，仅在数据块开始时用同步字符（SYNC）来指示，其数据格式如图7-2所示。

同步通信传送速度较快，但硬件结构比较复杂；异步通信的特点是硬件结构较简单，但传送速度较慢。

MCS-51单片机釆用异步通信方式。

波特率

波特率是数据传送的速率，指每秒传送二进制数据的位数，单位是位/秒(bps)。假设数据传送速率是240字符/秒，而每个字符包含10个数据位

则传送的波特率为10x240=2400bps

每一位代码的传送时间几为波特率的倒数：

T=1/2400=0.4165ms

异步通信的波特率一般在50〜64000bps之间。

串行口的结构

MCS-51有一个可编程的全双工串行通信接口，可作为通用异步接收/发送器UART，也可作为同步移位寄存器。

它的帧格式有8位、10位和11位，可以设置为固定波特率和可变波特率，给使用者带来很大的灵活性。

80C51串行口的内部简化结构如图7-3所示。

图中有两个物理上独立的接收、发送缓冲器SBUF，它们占用同一地址99H，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。

串行发送与接收的速率与移位时钟同步，定时器T1作为串行通信的波特率发生器，T1溢出率经2分频（或不分频）又经16分频作为串行发送或接收的移位时钟。移位时钟的速率即波特率。

MCS-51单片机串行接口内部有一个发送数据缓冲器和一个接收数据缓冲器，简称串行数据缓冲器，共用一个地址99H；

一个串行口控制寄存器SCON，用来选择串行口工作方式、控制数据接收和发送，并标示串行口的工作状态等。

当串行口接收数据时，外界的串行信号通过单片机的引脚RXD （P3.0串行数据接收端），进入串行口的接收数据缓冲器。

当串行口发送数据时，CPU将数据写入发送数据缓冲器，由发送数据缓冲器将数据通过引脚TXD （P3.1串行数据发送端），发送至外部的通信设备。

特殊功能寄存器PCON控制串行口的波特率。PCON中有一位是波特率倍增位。

串行口控制寄存器SCON

串行口控制寄存器SCON决定串行口通信工作方式，控制数据的接收和发送，并标示串行口的工作状态等，其位格式为：

SMO、SM1：串行口工作方式控制位，对应4种工作方式，如表7-1所示（fosc是晶振频率）。

SM2：多机通信控制位，主要用于工作方式2和工作方式3。

若SM2=1，则允许多机通信。

多机通信规定：第9位数据位为1 （即TB8=1），说明本帧数据为地址帧：第9位数据为0（即TB8=0），则本帧数据为数据帧。

当从机接收到的第9位数据（在RB8中）为1时，数据才装入接收缓冲器SBUF，并置RI=1向CPU申请中断；如果接收到的第9位数据（在RB8中）为0，则不置位中断标志RL信息丢失。

当SM2=0时，则不管接收到第9位数据是否为1，都产生中断标志RI，并将接收到的数据装入SBUF。应用这一特点可以实现多机通信。

串行口工作在方式0时，SM2必须设置为0；工作在方式1时，如SM2=1，则只有接收到有效的停止位时才会激活RI。

REN：允许接收控制位。当REN=1时，允许接收；当REN=0时，禁止接收。此位由软件置1或清零。

TB8：在方式2和方式3中，此位为发送数据的第9位，在多机通信中作为发送地址帧或数据帧的标志。TB8=1，说明该发送帧为地址帧；TB8=0，说明该发送帧为数据帧。在许多通信协议中，它可作为奇偶校验位。此位由软件置1或清零。在方式0和方式1中，此位未使用。

RB8：接收数据的第9位。在方式2和方式3中，接收到的第9位数据放在RB8中。它或是约定的奇/偶校验位，或是约定的地址/数据标志位。在方式2和方式3多机通信中，若SM2=1且RB8=1，说明接收到的数据为地址帧。

TI：发送中断标志位。在一帧数据发送完时置位。TI=1，申请中断，说明发送缓冲器SBUF已空，CPU可以发送下一帧数据。中断被响应后，TI不能自动清零，必须由软件清零。 ,

RI：接收中断标志位。在接收到一帧有效数据后，由硬件置位。RI=1.申请中断，表示一帧数据接收结束，并已装入接收缓冲器SBUF中，CPU响应中断，取走数据。RI不能自动清零，必须由软件清零。

串行口发送中断标志TI和接收中断标志RI共为一个中断源。因此，CPU接收到中断请求后，不知道是发送中断TI还是接收中断RI，必须用软件来判别。单片机复位后，控制寄存器SCON的各位均清零。

特殊功能寄存器PCON

电源控制寄存器PCON中只有一位SMOD与串行口工作有关，它的位格式为:

SMOD：波特率倍增位。串行口工作在方式1、方式2、方式3时，若SMOD=1，则波特率提高一倍;
若SMOD=0，则波特率不提高一倍。单片机复位时，SMOD=0。

串行口的四种工作方式

MCS-51单片机串行口可设置4种工作方式，由SCON中的SMO、SM1进行定义。

方式0

方式0时，串行口为同步移位寄存器的输入/输出方式。主要用于扩展并行输入或输出口。数据由RXD (P3.0)引脚输入或输出，同步移位脉冲由TXD (P3.1)引脚输出。发送和接收均为8位数据，低位在先，高位在后。波特率固定为focs/12。

方式0输出

方式0时输出时序如图7-4所示。

对发送数据缓冲器SBUF写入一个数据，就启动了串行口的发送过程。内部的定时逻辑在SBUF写入数据之后，经过一个完整的机器周期，输出移位寄存器中输出位的内容送RXD引脚输出。移位脉冲由TXD引脚输出，它使RXD引脚输出的数据移入外部移位寄存器。当数据的最高位D7移至输出移位寄存器的输出位时，再移位一次后就完成了一字节的输出，中断标志TI置1。如要再发送下一字节数据，必须用软件先将TI清零。

方式0输入

方式0时输入时序如图7-5所示。

当SCON中的接收允许位REN=1，用指令使SCON中的RI为0时，就会启动串行口接收过程。TXD引脚为串行输入引脚，移位脉冲由TXD引脚输出。当接收完一帧数据后，由硬件将输入移位寄存器中的内容写入SBUF，中断标志RI置1。如要再接收数据，必须用软件将RI清零。

方式0输出时，串行口可以外接串行输入并行输出的移位寄存器，如74LS164、CD4094等，其接口逻辑如图7-6所示。TXD引脚输出的移位脉冲将RXD引脚输出的数据（低位在先）逐位移入74LS164或CD4094。

方式0输入时，串行口外接并行输入串行输出的移位寄存器，如74LS165,其接口逻辑如图7-7所示。

方式1

串行口定义为方式1时，是10位数据的异步通信口。TXD为数据发送引脚，RXD为数据接收引脚，传送一帧数据的格式如图7-8所示。其中1位起始位、8位数据位、1位停止位。

方式1输出

当执行一条写SBUF的指令时，就启动了串行口发送过程。在发送移位时钟（由波特率确定）的同步下，从TXD引脚先送出起始位，然后是8位数据位，最后是停止位。一帧10位数据发送完后，中断标志TI置1。方式1的发送时序如图7-9所示。方式1的波特率由定时器1的溢出率决定。

方式1输入

方式1的接收时序如图7-10所示。

当用软件置REN为1时，接收器以所选择波特率的16倍速率釆样RXD引脚电平，检测到RXD引脚输入电平发生负跳变时，则说明起始位有效，将其移入输入移位寄存器，并开始接收这一帧信息的其余位。

在接收过程中，数据从输入移位寄存器右边移入，起始位移至输入移位寄存器最左边时，控制电路进行最后一次移位。当RI=0，且SM2=0 （或接收到的停止位为1）时，将接收到的9位数据的前8位数据装入接收SBUF，第9位（停止位）进入RB8,并置RI=1，向CPU请求中断。

方式2和方式3

串行口工作于方式2或方式3时，为11位数据的异步通信口。TXD为数据发送引脚，RXD为数据接收引脚，传送一帧数据的格式如图7-11所示。

由图可见，串行口工作于方式2和方式3时起始位1位，数据位9位（含1位附加的第9位，发送时为SCON中的TB8，接收时为RB8）、停止位1位，一帧数据为11位。方式2的波特率固定为晶振频率的1/64或1/32，方式3的波特率由定时器T1的溢出率决定。

方式2和方式3输出

CPU向SBUF写入数据时，就启动了串行口的发送过程。SCON中的TB8写入输出移位寄存器的第9位，8位数据装入SBUF。方式2和方式3的发送时序如图7-12所示。

发送开始时，先把起始位0输出到TXD引脚，然后发送移位寄存器的输出位（D0）到TXD引脚。每一个移位脉冲都使输出移位寄存器的各位右移一位，并由TXD引脚输出。

第一次移位时，停止位“1”移入输出移位寄存器的第9位上，以后每次移位，左边都移入0。当停止位移至输出位时，左边其余位全为0，检测电路检测到这一条件时，使控制电路进行最后一次移位，并置TI=1，向CPU请求中断。

方式2和方式3输入

软件使接收允许位REN为1后，接收器就以所选频率的16倍速率开始取样RXD引脚的电平状态，当检测到RXD引脚发生负跳变时，说明起始位有效，将其移入输入移位寄存器，开始接收这一帧数据。方式2和方式3的接收时序如图7-13所示。

接收时，数据从右边移入输入移位寄存器，在起始位。移到最左边时，控制电路进行最后一次移位。当RI=0，且SM2=0 （或接收到的第9位数据为1）时，接收到的数据装入接收缓冲器SBUF和RB8 （接收数据的第9位），置RI=1，向CPU请求中断。如果条件不满足，则数据丢失，且不置位RI，继续搜索RXD引脚的负跳变。

多机通信的工作原理

MCS-51单片机具有多机通信功能。

串行口工作在方式2、方式3均可实现多机通信。串行控制寄存器SCON中的SM2和TB8、RB8相配合可以完成主从式多机通信。

多机通信规定：第9位数据位为1 （即TB8=1），说明本帧数据为地址帧；第9位数据为0 （即TB8=0）时，则本帧数据为数据帧。

若SM2=1，则仅当从机接收到的第9位数据为1时，数据才装入接收缓冲器SBUF，并置RI=1，向CPU申请中断；如果接收到的第9位数据为0，则不置位中断标志RI，该帧信息丢弃。

主从式多机通信中，一台是主机，其余为从机，从机要服从主机的调度和支配。

在多机通信时，一台为主机，其他为从机，所有从机的SM2都必须置1。主机首先发送一帧地址数据中断所有从机。从机接收到地址后，判断主机发送地址是否为本机地址，若是本机地址，则将SM2清零，进入正式通信状态，把本机的地址发送回主机作为应答信号，然后开始接收主机发来的数据或命令信息。其他从机由于地址不符，其SM2=1保持不变，不与主机通信，从中断返回。

主从式多机通信遵循的通信协议为：

• 使所有从机的SM2=1，处于只接收地址帧的状态。
• 主机向从机发送一帧地址信息，其中包括8位地址，且第9位为1，表示发送的是地址，中断所有从机。
• 从机接收。
• 主机接收从机发回的应答地址信号后，与其发送的地址信息进行比较，如果相符，则使TB8=0，正式发送数据；如果不符，则发送错误信息。
• 通信的各机之间必须以相同的帧格式及波特率进行通信。

波特率的及算方法

在串行通信中，收发双方对发送或接收的数据的波特率要有一个约定。

MCS-51单片机串行口有4种工作方式：方式0和方式2的波特率固定不变；方式1和方式3的波特率可以变化，由定时器T1的溢出速率决定。

下面介绍串行口 4种工作方式对应的波特率。

方式0的波特率

釆用工作方式0时，移位脉冲由机器周期的第6个状态周期S6给出，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，波特率是固定的，为振荡频率的1/12，不受PCON寄存器中SMOD的影响。用公式表示为

工作方式0的波特率 = fosc/12

方式2的波特率

釆用工作方式2时，移位脉冲由振荡频率fosc的第二节拍P2时钟(即fosc/2)给出，所以，方式2波特率取决于PCON中的SMOD位的值，当SMOD=0时，波特率为fosc/64；当SMOD=1时，波特率为人fosc/32。用公式表示为

工作方式2的波特率=(2^SMOD/64) * fosc

方式1和方式3的波特率

方式1和方式3的移位脉冲由定时器T1的溢出速率决定。因此，方式1和方式3的波特率由定时器T1的溢出速率与SMOD值同时决定。用公式表示为

方式1、方式3的波特率=（2*SMOD/32） x T1的溢出速率

其中，T1的溢出速率取决于T1的计数速率（在定时方式时，计数速率 = fosc/12）和T1的预置初值。

定时器T1作为波特率发生器时，通常选用定时器T1工作在方式2，并使其工作在定时方式（即C/T=0）。

此时，T1的计数速率为fosc/12 （这时应禁止T1中断）。设定时器初值为X，则每过“256-X”个机器周期，定时器T1产生一次溢出。用公式表示为

T1 的溢出速率=(fosc/12) / (256-X)

当给出波特率后，可用下式计算出定时器T1工作在方式2的初始值为

X=256-(fosc * (SMOD+1) / (384*波特率)

当T1作为波特率发生器时，最典型的用法是使T1工作在自动再装入的8位定时器方式(即方式2,且TCON的TR1=1，以启动定时器)。这时溢出速率取决于TH1中的计数值。

在单片机应用中，常用的晶振频率为12MHz和11.0592MHz。所以，选用的波特率也相对固定。常用的串行口波特率与各参数的关系如表7-2所示。

在使用串行口之前，应对其进行初始化，主要是设置产生波特率的定时器1、串行口控制和中断控制。具体步骤如下。

1. 确定T1的工作方式(编程TMOD寄存器)；
2. 计算T1的初值，装载TH1、TL1；
3. 启动T1 (编程TCON中的TR1位)；
4. 确定串行口控制(编程SCON寄存器)；
5. 串行口在中断方式工作时，要进行中断设置(编程IE、IP寄存器)。