單片機教程二十:單片機串行口介紹

介紹：串行口是單片機與外界進行信息交換的工具。
8051單片機的通信方式有兩種：
并行通信:數據的各位同時發送或接收。 串行通信:數據一位一位次序發送或接收。參看下圖：
<單片機串行通信>

<并行通信>
串行通信的方式：
異步通信：它用一個起始位表示字符的開始，用停止位表示字符的結束。其每幀的格式如下：
在一幀格式中，先是一個起始位0，然后是8個數據位，規定低位在前，高位在后，接下來是奇偶校驗位（能省略），最后是停止位1。用這種格式表示字符，則字符能一個接一個地傳送。
在異步通信中，CPU與外設之間必須有兩項規定，即字符格式和波特率。字符格式的規定是雙方能夠在對同一種0和1的串理解成同一種意義。原則上字符格式能由通信的雙方自由制定，但從通用、方便的角度出發，一般還是使用一些標準為好，如采用ASCII標準。
波特率即數據傳送的速率，其定義是每秒鐘傳送的二進制數的位數。例如，數據傳送的速率是120字符/s，而每個字符如上述規定包含10數位，則傳送波特率為1200波特。
同步通信：在同步通信中，每個字符要用起始位和停止位作為字符開始和結束的標志，占用了時間；所以在數據塊傳遞時，為了提高速度，常去掉這些標志，采用同步傳送。由于數據塊傳遞開始要用同步字符來指示，同時要求由時鐘來實現發送端與接收端之間的同步，故硬件較復雜。
通信方向：在串行通信中，把通信接口只能發送或接收的單向傳送辦法叫單工傳送；而把數據在甲乙兩機之間的雙向傳遞，稱之為雙工傳送。在雙工傳送方式中又分為半雙工傳送和全雙工傳送。半雙工傳送是兩機之間不能同時進行發送和接收，任一時該，只能發或者只能收信息。
2．8051單片機的串行接口結構
8051單片機串行接口是一個可編程的全雙工串行通信接口。它可用作異步通信方式（UART），與串行傳送信息的外部設備相連接，或用于通過標準異步通信協議進行全雙工的8051多機系統也能通過同步方式，使用TTL或CMOS移位寄存器來擴充I/O口。
8051單片機通過管腳RXD（P3.0，串行數據接收端）和管腳TXD（P3.1，串行數據發送端）與外界通信。SBUF是串行口緩沖寄存器，包括發送寄存器和接收寄存器。它們有相同名字和地址空間，但不會出現沖突，因為它們兩個一個只能被CPU讀出數據，一個只能被CPU寫入數據。
串行口的控制與狀態寄存器
串行口控制寄存器SCON
它用于定義串行口的工作方式及實施接收和發送控制。字節地址為98H，其各位定義如下表：
D7? D6? D5? D4? D3? D2? D1? D0?
SM0? SM1? SM2? REN? TB8? RB8? TI? RI?

SM0、SM1：串行口工作方式選擇位，其定義如下：
SM0、SM1? 工作方式? 功能描述? 波特率?
0 0? 方式0? 8位移位寄存器? Fosc/12?
0 1? 方式1? 10位UART? 可變?
1 0? 方式2? 11位UART? Fosc/64或fosc/32?
1 1? 方式3? 11位UART? 可變?

其中fosc為晶體震蕩器頻率
SM2：多機通信控制位。在方式0時，SM2一定要等于0。在方式1中，當（SM2）=1則只有接收到有效停止位時，RI才置1。在方式2或方式3當（SM2）=1且接收到的第九位數據RB8=0時，RI才置1。
REN：接收允許控制位。由軟件置位以允許接收，又由軟件清0來禁止接收。
TB8: 是要發送數據的第9位。在方式2或方式3中，要發送的第9位數據，根據需要由軟件置1或清0。例如，可約定作為奇偶校驗位，或在多機通信中作為區別地址幀或數據幀的標志位。
RB8：接收到的數據的第9位。在方式0中不使用RB8。在方式1中，若（SM2）=0，RB8為接收到的停止位。在方式2或方式3中，RB8為接收到的第9位數據。
TI：發送中斷標志。在方式0中，第8位發送結束時，由硬件置位。在其它方式的發送停止位前，由硬件置位。TI置位既表示一幀信息發送結束，同時也是申請中斷，可根據需要，用軟件查詢的辦法獲得數據已發送完畢的信息，或用中斷的方式來發送下一個數據。TI必須用軟件清0。
RI：接收中斷標志位。在方式0，當接收完第8位數據后，由硬件置位。在其它方式中，在接收到停止位的中間時刻由硬件置位（例外情況見于SM2的說明）。RI置位表示一幀數據接收完畢，可用查詢的辦法獲知或者用中斷的辦法獲知。RI也必須用軟件清0。
特殊功能寄存器PCON
PCON是為了在CHMOS的80C51單片機上實現電源控制而附加的。其中最高位是SMOD。
串行口的工作方式
8051單片機的全雙工串行口可編程為4種工作方式，現分述如下：
方式0為移位寄存器輸入/輸出方式。可外接移位寄存器以擴展I/O口，也能外接同步輸入/輸出設備。8位串行數據者是從RXD輸入或輸出，TXD用來輸出同步脈沖。
輸出 串行數據從RXD管腳輸出，TXD管腳輸出移位脈沖。CPU將數據寫入發送寄存器時，立即啟動發送，將8位數據以fos/12的固定波特率從RXD輸出，低位在前，高位在后。發送完一幀數據后，發送中斷標志TI由硬件置位。
輸入 當串行口以方式0接收時，先置位允許接收控制位REN。此時，RXD為串行數據輸入端，TXD仍為同步脈沖移位輸出端。當（RI）=0和（REN）=1同時滿足時，開始接收。當接收到第8位數據時，將數據移入接收寄存器，并由硬件置位RI。
下面兩圖分別是方式0擴展輸出和輸入的接線圖。

<單片機串行口接線圖>
方式1為波特率可變的10位異步通信接口方式。發送或接收一幀信息，包括1個起始位0，8個數據位和1個停止位1。
輸出 當CPU執行一條指令將數據寫入發送緩沖SBUF時，就啟動發送。串行數據從TXD管腳輸出，發送完一幀數據后，就由硬件置位TI。
輸入 在（REN）=1時，串行口采樣RXD管腳，當采樣到1至0的跳變時，確認是開始位0，就開始接收一幀數據。只有當（RI）=0且停止位為1或者（SM2）=0時，停止位才進入RB8，8位數據才能進入接收寄存器，并由硬件置位中斷標志RI；不然信息丟失。所以在方式1接收時，應先用軟件清零RI和SM2標志。
方式2
方式月為固定波特率的11位UART方式。它比方式1增加了一位可程控為1或0的第9位數據。
輸出: 發送的串行數據由TXD端輸出一幀信息為11位，附加的第9位來自SCON寄存器的TB8位，用軟件置位或復位。它可作為多機通信中地址/數據信息的標志位，也能作為數據的奇偶校驗位。當CPU執行一條數據寫入SUBF的指令時，就啟動發送器發送。發送一幀信息后，置位中斷標志TI。
輸入: 在（REN）=1時，串行口采樣RXD管腳，當采樣到1至0的跳變時，確認是開始位0，就開始接收一幀數據。在接收到附加的第9位數據后，當（RI）=0或者（SM2）=0時，第9位數據才進入RB8，8位數據才能進入接收寄存器，并由硬件置位中斷標志RI；不然信息丟失。且不置位RI。再過一位時間后，不管上述條件時否滿足，接收電路即行復位，并重新檢測RXD上從1到0的跳變。
工作方式3
方式3為波特率可變的11位UART方式。除波特率外，其余與方式2相同。
波特率選擇
如前所述，在串行通信中，收發雙方的數據傳送率（波特率）要有一定的約定。在8051串行口的四種工作方式中，方式0和2的波特率是固定的，而方式1和3的波特率是可變的，由定時器T1的溢出率控制。
方式0
方式0的波特率固定為主振頻率的1/12。
方式2
方式2的波特率由PCON中的選擇位SMOD來決定，可由下式表示：
波特率=2的SMOD次方除以64再乘一個fosc，也就是當SMOD=1時，波特率為1/32fosc，當SMOD=0時，波特率為1/64fosc
3．方式1和方式3
定時器T1作為波特率發生器，其公式如下：
波特率=定時器T1溢出率
T1溢出率= T1計數率/產生溢出所需的周期數
式中T1計數率取決于它工作在定時器狀態還是計數器狀態。當工作于定時器狀態時，T1計數率為fosc/12;當工作于計數器狀態時，T1計數率為外部輸入頻率，此頻率應小于fosc/24。產生溢出所需周期與定時器T1的工作方式、T1的預置值有關。
定時器T1工作于方式0：溢出所需周期數=8192-x
定時器T1工作于方式1：溢出所需周期數=65536-x
定時器T1工作于方式2：溢出所需周期數=256-x
因為方式2為自動重裝入初值的8位定時器/計數器模式，所以用它來做波特率發生器最恰當。
當時鐘頻率選用11.0592MHZ時，取易獲得標準的波特率，所以很多單片機系統選用這個看起來“怪”的晶體震蕩器就是這個道理。
下表列出了定時器T1工作于方式2常用波特率及初值。
常用波特率 Fosc(MHZ) SMOD TH1初值
19200 11.0592 1 FDH
9600 11.0592 0 FDH
4800 11.0592 0 FAH
2400 11.0592 0 F4h
1200 11.0592 0 E8h