51單片機(jī)串口通信原理與應(yīng)用

這節(jié)我們主要講單片機(jī)上串口的工作原理和如何通過程序來對(duì)串口進(jìn)行設(shè)置，以及根據(jù)所給出的實(shí)例實(shí)現(xiàn)與PC 機(jī)通信。

一、原理簡(jiǎn)介

51 單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)全雙工串行接口。什么叫全雙工串口呢?一般來說，只能接受或只能發(fā)送的稱為單工串行;既可接收又可發(fā)送，但不能同時(shí)進(jìn)行的稱為半雙工;能同時(shí)接收和發(fā)送的串行口稱為全雙工串行口。串行通信是指數(shù)據(jù)一位一位地按順序傳送的通信方式，其突出優(yōu)點(diǎn)是只需一根傳輸線，可大大降低硬件成本，適合遠(yuǎn)距離通信。其缺點(diǎn)是傳輸速度較低。

與之前一樣，首先我們來了解單片機(jī)串口相關(guān)的寄存器。

SBUF 寄存器：它是兩個(gè)在物理上獨(dú)立的接收、發(fā)送緩沖器，可同時(shí)發(fā)送、接收數(shù)據(jù)，可通過指令對(duì)SBUF 的讀寫來區(qū)別是對(duì)接收緩沖器的操作還是對(duì)發(fā)送緩沖器的操作。從而控制外部?jī)蓷l獨(dú)立的收發(fā)信號(hào)線RXD(P3.0)、TXD(P3.1)，同時(shí)發(fā)送、接收數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)全雙工。

串行口控制寄存器SCON(見表1) 。

表1 SCON寄存器

表中各位(從左至右為從高位到低位)含義如下。

SM0 和SM1 ：串行口工作方式控制位，其定義如表2 所示。

表2 串行口工作方式控制位

其中，fOSC 為單片機(jī)的時(shí)鐘頻率;波特率指串行口每秒鐘發(fā)送(或接收)的位數(shù)。

SM2 ：多機(jī)通信控制位。 該僅用于方式2 和方式3 的多機(jī)通信。其中發(fā)送機(jī)SM2 = 1(需要程序控制設(shè)置)。接收機(jī)的串行口工作于方式2 或3，SM2=1 時(shí)，只有當(dāng)接收到第9 位數(shù)據(jù)(RB8)為1 時(shí)，才把接收到的前8 位數(shù)據(jù)送入SBUF，且置位RI 發(fā)出中斷申請(qǐng)引發(fā)串行接收中斷，否則會(huì)將接受到的數(shù)據(jù)放棄。當(dāng)SM2=0 時(shí)，就不管第位數(shù)據(jù)是0 還是1，都將數(shù)據(jù)送入SBUF，并置位RI 發(fā)出中斷申請(qǐng)。工作于方式0 時(shí)，SM2 必須為0。

REN ：串行接收允許位：REN =0 時(shí)，禁止接收;REN =1 時(shí)，允許接收。

TB8 ：在方式2、3 中，TB8 是發(fā)送機(jī)要發(fā)送的第9 位數(shù)據(jù)。在多機(jī)通信中它代表傳輸?shù)牡刂坊驍?shù)據(jù)，TB8=0 為數(shù)據(jù)，TB8=1 時(shí)為地址。

RB8 ：在方式2、3 中，RB8 是接收機(jī)接收到的第9 位數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)正好來自發(fā)送機(jī)的TB8，從而識(shí)別接收到的數(shù)據(jù)特征。

TI ：串行口發(fā)送中斷請(qǐng)求標(biāo)志。當(dāng)CPU 發(fā)送完一串行數(shù)據(jù)后，此時(shí)SBUF 寄存器為空，硬件使TI 置1，請(qǐng)求中斷。CPU 響應(yīng)中斷后，由軟件對(duì)TI 清零。

RI ：串行口接收中斷請(qǐng)求標(biāo)志。當(dāng)串行口接收完一幀串行數(shù)據(jù)時(shí)，此時(shí)SBUF 寄存器為滿，硬件使RI 置1，請(qǐng)求中斷。CPU 響應(yīng)中斷后，用軟件對(duì)RI 清零。

電源控制寄存器PCON(見表3) 。

表3 PCON寄存器

表中各位(從左至右為從高位到低位)含義如下。

SMOD ：波特率加倍位。SMOD=1，當(dāng)串行口工作于方式1、2、3 時(shí)，波特率加倍。SMOD=0，波特率不變。

GF1、GF0 ：通用標(biāo)志位。

PD(PCON.1) ：掉電方式位。當(dāng)PD=1 時(shí)，進(jìn)入掉電方式。

IDL(PCON.0) ：待機(jī)方式位。當(dāng)IDL=1 時(shí)，進(jìn)入待機(jī)方式。

另外與串行口相關(guān)的寄存器有前面文章敘述的定時(shí)器相關(guān)寄存器和中斷寄存器。定時(shí)器寄存器用來設(shè)定波特率。中斷允許寄存器IE 中的ES 位也用來作為串行I/O 中斷允許位。當(dāng)ES = 1，允許 串行I/O 中斷;當(dāng)ES = 0，禁止串行I/O 中斷。中斷優(yōu)先級(jí)寄存器IP的PS 位則用作串行I/O 中斷優(yōu)先級(jí)控制位。當(dāng)PS=1，設(shè)定為高優(yōu)先級(jí);當(dāng)PS =0，設(shè)定為低優(yōu)先級(jí)。

波特率計(jì)算：在了解了串行口相關(guān)的寄存器之后，我們可得出其通信波特率的一些結(jié)論：

① 方式0 和方式2 的波特率是固定的。

在方式0 中， 波特率為時(shí)鐘頻率的1/12， 即fOSC/12，固定不變。

在方式2 中，波特率取決于PCON 中的SMOD 值，即波特率為：

當(dāng)SMOD=0 時(shí)，波特率為fosc/64 ;當(dāng)SMOD=1 時(shí)，波特率為fosc/32。

② 方式1 和方式3 的波特率可變，由定時(shí)器1 的溢出率決定。

當(dāng)定時(shí)器T1 用作波特率發(fā)生器時(shí)，通常選用定時(shí)初值自動(dòng)重裝的工作方式2( 注意：不要把定時(shí)器的工作方式與串行口的工作方式搞混淆了)。其計(jì)數(shù)結(jié)構(gòu)為8 位，假定計(jì)數(shù)初值為Count，單片機(jī)的機(jī)器周期為T，則定時(shí)時(shí)間為(256 ?Count)×T 。從而在1s內(nèi)發(fā)生溢出的次數(shù)(即溢出率)可由公式(1)所示：

從而波特率的計(jì)算公式由公式(2)所示：

在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，通常是先確定波特率，后根據(jù)波特率求T1 定時(shí)初值，因此式(2)又可寫為：

二、電路詳解

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圖1 串行通信實(shí)驗(yàn)電路圖

下面就對(duì)圖1 所示電路進(jìn)行詳細(xì)說明。

最小系統(tǒng)部分(時(shí)鐘電路、復(fù)位電路等)第一講已經(jīng)講過，在此不再敘述。我們重點(diǎn)來了解下與計(jì)算機(jī)通信的RS-232 接口電路?？梢钥吹?，在電路圖中，有TXD 和RXD 兩個(gè)接收和發(fā)送指示狀態(tài)燈，此外用了一個(gè)叫MAX3232 的芯片，那它是用來實(shí)現(xiàn)什么的呢?首先我們要知道計(jì)算機(jī)上的串口是具有RS-232 標(biāo)準(zhǔn)的串行接口，而RS-232 的標(biāo)準(zhǔn)中定義了其電氣特性：高電平“1”信號(hào)電壓的范圍為-15V~-3V，低電平“0”

信號(hào)電壓的范圍為+3V~+15V?？赡苡行┳x者會(huì)問，它為什么要以這樣的電氣特性呢?這是因?yàn)楦叩碗娖接孟喾吹碾妷罕硎?，至少?V 的壓差，非常好的提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。由于單片機(jī)的管腳電平為TTL，單片機(jī)與RS-232 標(biāo)準(zhǔn)的串行口進(jìn)行通信時(shí)，首先要解決的便是電平轉(zhuǎn)換的問題。一般來說，可以選擇一些專業(yè)的集成電路芯片，如圖中的MAX3232。MAX3232 芯片內(nèi)部集成了電壓倍增電路，單電源供電即可完成電平轉(zhuǎn)換，而且工作電壓寬，3V~5.5V 間均能正常工作。其典型應(yīng)用如圖中所示，其外圍所接的電容對(duì)傳輸速率有影響，在試驗(yàn)套件中采用的是0.1μF。

值得一提的是MAX3232 芯片擁有兩對(duì)電平轉(zhuǎn)換線路，圖中只用了一路，因此浪費(fèi)了另一路，在一些場(chǎng)合可以將兩路并聯(lián)以獲得較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)抗干擾能力。此外，我們有必要了解圖中與計(jì)算機(jī)相連的DB-9 型RS-232的引腳結(jié)構(gòu)(見圖2)。

圖2 DB-9連接器接口圖

其各管腳定義如下(見表4)。

表4 DB-9型接口管腳定義

三、程序設(shè)計(jì)

本講設(shè)計(jì)實(shí)例程序如下：

#include AT89X52.h (1)

void Init_Com(void) ( 2)

{

TMOD = 0x20; ( 3)

PCON = 0x00; ( 4)

SCON = 0x50; ( 5)

TH1 = 0xE8; ( 6)

TL1 = 0xE8; ( 7)

TR1 = 1; ( 8)

}

void main(void) ( 9)

{

unsigned char dat; ( 10)

Init_Com(); ( 11)

while(1) ( 12)

程序詳細(xì)說明：

(1)頭文件包含。

(2)聲明串口初始化程序。

(3)設(shè)置定時(shí)器1 工作在模式2，自動(dòng)裝載初值(詳見第二講)。

(4)SMOD 位清0，波特率不加倍。

(5)串行口工作在方式1，并允許接收。

(6)定時(shí)器1 高8 位賦初值。波特率為1200b/s(7)定時(shí)器1 低8 位賦初值。

(8)啟動(dòng)定時(shí)器。

(9)主函數(shù)。

(10)定義一個(gè)字符型變量。

(11)初始化串口。

(12)死循環(huán)。

(13)如果接收到數(shù)據(jù)。

(14)將接收到的數(shù)據(jù)賦給之前定義的變量。

(15)將接收到的值輸出到P0 口。

(16)對(duì)接收標(biāo)志位清0，準(zhǔn)備再次接收。

(17)將接收到的數(shù)據(jù)又發(fā)送出去。

(18)查詢是否發(fā)送完畢。

(19)對(duì)發(fā)送標(biāo)志位清0。

四、調(diào)試要點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

接好硬件，通過冷啟動(dòng)方式將程序所生成的。hex文件下載到單片機(jī)運(yùn)行后，打開串口調(diào)試助手軟件，設(shè)置好波特率1200，復(fù)位單片機(jī)，然后在通過串口調(diào)試助手往單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)(見圖3)，可以觀察到在接收窗口有發(fā)送的數(shù)據(jù)顯示，此外電路板上的串行通信指示燈也會(huì)閃爍，P0 口所接到LED 燈會(huì)閃爍所接收到的數(shù)據(jù)。

圖3 串口軟件調(diào)試界面

另外串口調(diào)試助手軟件使用時(shí)應(yīng)注意的是，如果單片機(jī)開發(fā)板采用串口下載而且和串口調(diào)試助手是使用同一串口，則在打開串口軟件的同時(shí)不能給單片機(jī)下載程序，如需要下載，請(qǐng)首先點(diǎn)擊“關(guān)閉串口”，做發(fā)送實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，注意如果選中16 進(jìn)制發(fā)送的就是數(shù)字或者字母的16 進(jìn)制數(shù)值，比如發(fā)送“0”，實(shí)際接收的就應(yīng)該是0x00，如果不選中，默認(rèn)發(fā)送的是ASCII 碼值，此時(shí)發(fā)送“0”，實(shí)際接收的就應(yīng)該是0x30，這點(diǎn)可以通過觀察板子P0 口上的對(duì)應(yīng)的LED 指示出來。

五、總結(jié)

本講介紹了單片機(jī)串口通信的原理并給出了實(shí)例，通過該講，讀者可以了解和掌握51 單片機(jī)串口通信的原理與應(yīng)用流程，利用串口通信，單片機(jī)可以與計(jì)算機(jī)相連，也可以單片機(jī)互聯(lián)或者多個(gè)單片機(jī)相互通信組網(wǎng)等，在實(shí)際的工程應(yīng)用中非常廣泛。從學(xué)習(xí)的角度來說，熟練的利用串口將單片機(jī)系統(tǒng)中的相關(guān)信息顯示在計(jì)算機(jī)上可以很直觀方便的進(jìn)行調(diào)試和開發(fā)。