51单片机学习之串口通信


基础知识

通信知识

通信分类

  • 串行通信:数据字节一位一位在一条传输线上逐个传输;
  • 并行通信:多位数据字节同时传输,控制简单,传输速度快。

  • 异步通信:是指通信的发送与接收设备使用各自的时钟控制数据的发送和接收过程。为使双方的收发协调,要求发送和接受设备的时钟尽可能一致。 异步通信时钟

    异步通信是以字符(构成的帧)为单位进行传输,字符与字符之间的间隙(时间间隔)是任意的,但每个字符中的各位是以固定的时间传送的,即字符之间不一定有“位间隔”的整数倍的关系,但同一字符内的各位之间的距离均为“位间隔”的整数倍。

    字符帧

    异步通信的特点:不要求收发双方时钟的严格一致,实现容易,设备开销较小,但每个字符要附加2~3位用于起止位,各帧之间还有间隔,因此传输效率不高。

  • 同步通信 : 同步通信时要建立发送方时钟对接收方时钟的直接控制,使双方达到完全同步。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,即保持位同步关系,也保持字符同步关系。发送方对接收方的同步可以通过两种方法实现。

    左为字符同步,右为位同步

串行通信的传输方向

  • 单工:指数据传输仅能沿一个方向,不能实现反向传输;
  • 半双工:指数据传输可以沿2个方向,但需要分时进行;
  • 全双工:指数据可以同时双向传输。

信号的调制和解调

简单来说,调制就是利用调制器把数字信号转换成模拟信号,然后送到通信线路上去;而解调则是通过解调器把通信线路上收到的模拟信号转换成数字信号。

串行通信的错误校验

奇偶校验

在发送数据时,数据位的最后一位为奇偶校验位(1或0)。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;偶校验时,数据中“1”的个数与校验位“1”的个数之和则为偶数;

接受字符时,对“1”的个数进行校验,如发现不一致,则说明数据传输过程中出现了差错。

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1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,同时对比数据块(除校验字节外)求和(或各字节异或),将所得的结果与发送方的“校验和”进行比较,相符,则无差错;否则,即在传输过程中出现了差错。

循环冗余校验

循环冗余校验通过某种数学运算,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。这种校验方法纠错能力强,广泛应用于同步通信。

传输速率与传输距离的关系

传输速率分为两种,即比特率波特率

  • 比特率:每秒传输二级制代码的位数;

  • 波特率:每秒调制信号变化的次数,即每秒发送的符号数(码元);

    举个简单的例子,例如一串数据01010101,若比特率是8b/s(每秒传输8位),假设这串数据经过调制,我们认定每两个比特作为一个符号(码元),那么每秒传输了4个符号(码元),波特率即为4波特;

  • 只有基带传输的比特率和波特率是相同的;

  • 传输距离随着传输速率的增加而减小。

51串行口

串行口结构

串口结构

该结构中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。它们占用同一地址(99H);接收器是双缓冲结构;发送缓冲器,因为发送时CPU是主动的,不会产生重叠错误。

状态寄存器

  • 工作发生寄存器 SCON

    7 6 5 4 3 2 1 0
    功能 SM0 SM1 SM2 REN TB8 RB8 TI RI
    • RI: 接收中断标志位。在方式0时,当串行接收第8位数据结束时,或在其它方式,串行接收停止位的中间时,由内部硬件使RI置1,向CPU发中断申请。也必须在中断服务程序中,用软件将其清0,取消此中断申请。

    • TI: 发送中断标志位。在方式0时,当串行发送第8位数据结束时,或在其它方式,串行发送停止位的开始时,由内部硬件使TI置1,向CPU发中断申请。在中断服务程序中,必须用软件将其清0,取消此中断申请。

    • TB8: 在方式2或方式3中,是发送数据的第九位,可以用软件规定其作用。可以用作数据的奇偶校验位,或在多机通信中,作为地址帧/数据帧的标志位。 在方式0和方式1中,该位未用。

    • RB8: 在方式2或方式3中,是接收到数据的第九位,作为奇偶校验位或地址帧/数据帧的标志位。在方式1时,若SM2=0,则RB8是接收到的停止位。

    • REN: 允许串行接收位。由软件置REN=1,则启动串行口接收数据;若软件置REN=0,则禁止接收。

      SM0和SM1为工作方式选择位,可选择四种工作方式:

    SM0 SM1 方式 说明 波特率
    0 0 0 移位寄存器 $f_{osc}/12$[^1]
    0 1 1 10位异步收发器(8位数据) 可变
    1 0 2 11位异步收发器(9位数据) $f_{osc}/64$或$f_{osc}/12$
    1 1 3 11位异步收发器(9位数据) 可变
    • SM2:多级通信控制位。 主要用于方式2和方式3。当接收机的SM2=1时可以利用收到的RB8来控制是否激活RI(RB8=0时不激活RI,收到的信息丢弃;RB8=1时收到的数据进入SBUF,并激活RI,进而在中断服务中将数据从SBUF读走)。当SM2=0时,不论收到的RB8为0和1,均可以使收到的数据进入SBUF,并激活RI(即此时RB8不具有控制RI激活的功能)。通过控制SM2,可以实现多机通信。

      在方式0时,SM2必须是0。在方式1时,如果SM2=1,则只有接收到有效停止位时,RI才置1。

      当SM2 = 0,不论接收到的第九位是0还是1,都接受数据,产生中断;

      当SM2 = 1,只有接受的第九位为1时,才接受数据,并产生中断;而如果接受到的第九位为0时,则将接收到的数据丢弃,不会产生中断。

  • 工作方式寄存器 PCON

    PCON中只有一位SMOD与串行口工作有关:

    7 6 5 4 3 2 1 0
    功能 SMOD - - - - - - -

    PCON是没有位寻址的,也就是说不能直接操作SMOD,要直接操作PCON寄存器。

    对字节地址中的位地址进行寻址的寻址方式称为位寻址。

    SMOD为波特率倍增位:(在串口方式1,2,3时,波特率与SMOD有关)

    • 当SMOD = 1,波特率增加一倍;反之,不加倍
    • 复位时,SMOD = 0

串行口的工作方式

  1. 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$f_{osc}/12$。

    输出

    输入

  2. 方式1

    方式1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所示。其中1位起始位,8位数据位,1位停止位。

    方式1

    输出

    输入

    用软件置REN为1时,接收器以所选择波特率的16倍速率采样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。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。

  3. 方式2和方式3

    方式2和方式3

方式2和方式3时起始位1位,数据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。

输出

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。

输入

接收时,数据从右边移入输入移位寄存器,在起始位0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。

波特率的计算

在串行通信中,收发双方对发送或接收数据的速率要有约定。 通过软件可对单片机串行口编程为四种工作方式,其中方式0和方式2的波特率是固定的,而方式1和方式3的波特率是可变的, 由定时器T1的溢出率来决定

串行口的四种工作方式对应三种波特率。由于输入的移位时钟的来源不同,所以,各种方式的波特率计算公式也不相同。

  • 方式0的波特率 = $f_{osc}/12$

  • 方式2的波特率 =$(2^{SMOD}/64)· f_{osc}$

  • 方式1的波特率 =$(2^{SMOD}/32)·(T1溢出率)$

  • 方式3的波特率 =$(2^{SMOD}/32)·(T1溢出率)$

当T1作为波特率发生器时,最典型的用法是使T1工作在自动重装的8位定时器方式(即方式2,且TCON的TR1=1,以启动定时器)。这时溢出率取决于TH1中的计数值。 T1 溢出率 = $f_{osc} /{12×(256 -X)} $,X为定时器的初值。在单片机的应用中,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以及各参数的关系如图所示:

常用波特率与定时器T1的参数关系

串口的操作步骤

串行口工作之前,应对其进行初始化,主要是设置产生波特率的定时器T1、串行口控制和中断控制。

  1. 设置波特率
    • 确定定时器T1的工作方式(设置TMOD寄存器)
    • 给计数器赋初值(工作方式2会自动重装)(设置TH1,TL1)
  2. 设置串口工作方式
    • 设置SCON寄存器
    • 打开中断
    • 打开定时器T1(设置TR1),开始产生波特率

示例程序:

void UsartConfiguration(){
    SCON = 0X50;        //设置工作方式为1
    TMOD = 0X20;        //设置计数器工作方式2
    PCON = 0X80;        //SMOD = 1,波特率加倍
    TH1 = 0XF3;            //计数器初始值设置,波特率为4.8Kb/s
    TL1 = 0XF3;
    ES = 1;                //打开接收中断
    EA = 1;                //打开总中断
    TR1 = 1;            //打开计数器
}

程序代码

以下代码将实现将PC发出的数据传送到单片机中,单片机再将收到的数据发送到PC上显示(在串口助手上显示)

#include<reg52.h>

void UsartConfiguration(){
    SCON = 0X50;        //设置工作方式为1
    TMOD = 0X20;        //设置计数器工作方式2
    PCON = 0X00;        //SMOD = 0,波特率加倍
    TH1 = 0Xfd;            //计数器初始值设置,波特率为4.8Kb/s
    TL1 = 0Xfd;
    ES = 1;                //打开接收中断
    EA = 1;                //打开总中断
    TR1 = 1;            //打开计数器
}

void main(){
    UsartConfiguration();
    while(1);
}

void uart() interrupt 4{
    unsigned char _data;

    _data = SBUF;        //取出接收到的数据
    RI = 0;                //清除接收中断标志位
    SBUF = _data;        //将接受的数据
    while(!TI);            //等待数据传输完成
    TI = 0;                //清除发送中断标志位
}

[^1]: frequency oscillate,在单片机中指的是晶振频率,而晶振频率有内部和外部之分。


文章作者: Mahoo Huang
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