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1、串行通信概述

（1）計算機通信是指計算機與外部設(shè)備或計算機與計算機之間的信息交換。

• 通信的基本方式可分為并行通信和串行通信兩種。

• 并行通信通常是將數(shù)據(jù)字節(jié)的各位用多條數(shù)據(jù)線同時進行傳送，如圖1所示。并行通信控制簡單、傳輸速度快；由于傳輸線較多，長距離傳送時成本高且接收方的各位同時接收存在困難。

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串行通信是將數(shù)據(jù)字節(jié)分成一位一位的形式在一條傳輸線上逐個地傳輸，如圖2所示�！〈型ㄐ诺奶攸c：傳輸線少，長距離傳送時成本低，且可以利用電話網(wǎng)等現(xiàn)成的設(shè)備，但數(shù)據(jù)的傳送控制比并行通信復(fù)雜。

目前串行通信在單片機雙機、多機以及單片機與PC機之間的通信等方面得到了廣泛應(yīng)用。

（2）同步通信和異步通信

1、異步通信

異步通信是指通信的發(fā)送與接收設(shè)備使用各自的時鐘控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收過程。為使雙方的收發(fā)協(xié)調(diào)，要求發(fā)送和接收設(shè)備的時鐘盡可能一致。

異步通信是以字符（構(gòu)成的幀）為單位進行傳輸，字符與字符之間的間隙（時間間隔）是任意的，但每個字符中的各位是以固定的時間傳送的，即字符之間不一定有“位間隔”的整數(shù)倍的關(guān)系，但同一字符內(nèi)的各位之間的距離均為“位間隔”的整數(shù)倍。

異步通信的特點：不要求收發(fā)雙方時鐘的嚴格一致，實現(xiàn)容易，設(shè)備開銷較小，但每個字符要附加2～3位用于起止位，各幀之間還有間隔，因此傳輸效率不高。

同步通信時要建立發(fā)送方時鐘對接收方時鐘的直接控制，使雙方達到完全同步。此時，傳輸數(shù)據(jù)的位之間的距離均為“位間隔”的整數(shù)倍，同時傳送的字符間不留間隙，即保持位同步關(guān)系，也保持字符同步關(guān)系。發(fā)送方對接收方的同步可以通過兩種方法實現(xiàn)。

同步通信的特點是以特定的位組合“01111110”作為幀的開始和結(jié)束標志，所傳輸?shù)囊粠瑪?shù)據(jù)可以是任意位。所以傳輸?shù)男瘦^高，但實現(xiàn)的硬件設(shè)備比異步通信復(fù)雜。

（3）串行通信的傳輸方向

1、單工

單工是指數(shù)據(jù)傳輸僅能沿一個方向，不能實現(xiàn)反向傳輸。

2、半雙工

半雙工是指數(shù)據(jù)傳輸可以沿兩個方向，但需要分時進行。

3、全雙工

全雙工是指數(shù)據(jù)可以同時進行雙向傳輸。

（4）串行通信的錯誤校驗

（5）傳輸速率與傳輸距離

1、傳輸速率

比特率是每秒鐘傳輸二進制代碼的位數(shù)，單位是：位／秒（bps）。如每秒鐘傳送240個字符，而每個字符格式包含10位(1個起始位、1個停止位、8個數(shù)據(jù)位)，這時的比特率為：

10位×240個/秒 = 2400 bps

（6）RS-232C電平與TTL電平

2、串行通信編程時主要應(yīng)注意的事項

3、51單片機串行口結(jié)構(gòu)

串行口電路也稱為通用異步收發(fā)器（UART）.從原理上講，一個UART應(yīng)包括發(fā)送器電路、接收器電路和控制電路。51單片機的UART已集成在其中，構(gòu)成一個全雙工串行口，這個口即可以用于網(wǎng)絡(luò)通信，也可以實現(xiàn)串行異步通信，還可以作為同步移位寄存器使用。

80C51的串行口通過引腳RXD（P30,串行口數(shù)據(jù)接收端）和引腳TXD(P31，串行數(shù)據(jù)發(fā)送端)與外療設(shè)備進行串行通信。如圖3為單片機串行口的結(jié)構(gòu)。

圖中共有兩個串行口緩沖寄存器（SBUF）,一個是發(fā)送寄存器，一個是接收寄存器，以便單片機能以全雙工方式進行通信。串行發(fā)送時，從片內(nèi)總線向發(fā)送SBUF寫入數(shù)據(jù)；接收時，從接收SBUF向片內(nèi)總線讀出數(shù)據(jù)。它們都是可尋址的寄存器，但因為發(fā)送和接收不能同時進行，所以給這兩個寄存器賦以同一地址99H.

在接收方式下，串行數(shù)據(jù)通過引腳RXD（P30）進入，由于在接收寄存器之前還有移位寄存器，從而構(gòu)成了串行接收的雙緩沖結(jié)構(gòu)，以避免在數(shù)據(jù)接收過程上中出現(xiàn)幀重疊錯誤，即在下一幀數(shù)據(jù)來時，前一幀數(shù)據(jù)還沒有讀走。

在發(fā)送方式下，串行數(shù)據(jù)通過引腳TXD（P31）發(fā)出。與接收情況不同的，發(fā)送數(shù)據(jù)時，由于CPU是主動的，不會發(fā)生幀重疊錯誤，因此發(fā)送電路就不需又重緩沖結(jié)構(gòu)，這樣可以提高數(shù)據(jù)發(fā)送的速度。

4、相關(guān)的寄存器

與串口通信相關(guān)的相關(guān)的寄存器主要有四個，串行口控制寄存器SCON、電源控制寄存器PCON、定時器工作方式寄存器TMOD、定時器控制寄存器TCON、中斷允許寄存器IE，后面主要跟波特率設(shè)置及中波相關(guān)，前面在講中斷和定時器已作過介紹，所以這里只對SCON和PCON寄存器進行介紹。

（1）串行控制寄存器SCON

串行控制寄存器SCON用于設(shè)置串行口的工作方式、監(jiān)視串行口的工作狀態(tài)、控制發(fā)送與接收的狀態(tài)等。它是一個既可以字節(jié)尋址又可以位尋址的8位特殊功能寄存器。其格式如下。

(1)SM0 SM1：串行口工作方式選擇位。其狀態(tài)組合所對應(yīng)的工作方式如表9-1所示。

(2) SM2：多機通信控制器位。在方式0中，SM2必須設(shè)成0。在方式1中，當處于接收狀態(tài)時，若SM2=1，則只有接收到有效的停止位“1”時，RI才能被激活成“1”(產(chǎn)生中斷請求)。在方式2和方式3中，若SM2=0，串行口以單機發(fā)送或接收方式工作，TI和RI以正常方式被激活并產(chǎn)生中斷請求；若SM2=1，RB8=1時，RI被激活并產(chǎn)生中斷請求。

(3) REN：串行接受允許控制位。該位由軟件置位或復(fù)位。當REN=1，允許接收；當REN=0，禁止接收

(4) TB8：方式2和方式3中要發(fā)送的第9位數(shù)據(jù)。該位由軟件置位或復(fù)位。在方式2和方式3時，TB8是發(fā)送的第9位數(shù)據(jù)。在多機通信中，以TB8位的狀態(tài)表示主機發(fā)送的是地址還是數(shù)據(jù)：TB8=1表示地址，TB8=0表示數(shù)據(jù)。TB8還可用作奇偶校驗位。

(5) RB8：接收數(shù)據(jù)第9位。在方式2和方式3時，RB8存放接收到的第9位數(shù)據(jù)。RB8也可用作奇偶校驗位。在方式1中，若SM2=0，則RB8是接收到的停止位。在方式0中，該位未用。

(6)TI：發(fā)送中斷標志位。TI=1，表示已結(jié)束一幀數(shù)據(jù)發(fā)送，可由軟件查詢TI位標志，也可以向CPU申請中斷。

注意：TI在任何工作方式下都必須由軟件清0。

(7)RI：接收中斷標志位。RI=1，表示一幀數(shù)據(jù)接收結(jié)束。可由軟件查詢RI位標志，也可以向CPU申請中斷。

注意：RI在任何工作方式下也都必須由軟件清0。

在AT89C51中，串行發(fā)送中斷TI和接收中斷RI的中斷入口地址是同是0023H，因此在中斷程序中必須由軟件查詢TI和RI的狀態(tài)才能確定究竟是接收還是發(fā)送中斷，進而作出相應(yīng)的處理。單片機復(fù)位時，SCON所有位均清0。

�。�、電源控制寄存器PCON

在串口通信時，我們只用PCON寄存器的SMOD位，這一位主要跟波特率的設(shè)置有關(guān)。下面僅對這一位進行介紹。

SMOD：串行口波特率倍增位。在工作方式1～工作方式3時，若SMOD=1，則串行口波特率增加一倍。若SMOD=0，波特率不加倍。系統(tǒng)復(fù)位時，SMOD=0。

5、串行口的工作方式

51單片機的串行口共有四種工種方式，分別為工作方式0、工作方式1、工作方式2及工作方式3，如圖1所示。采用何種工作方式主要靠串行口控制寄存器SCON中的SM0和SM1來決定。不同的工作方式，其一次傳送的數(shù)據(jù)位多少不同，同時，波特率的大小的設(shè)置也不同。

圖1 串行口的四種工作方式

（1）發(fā)送和接收

為了便于大家撐握，這里只介紹工作方式1，其它工作方式大家用到時再自行學(xué)習(xí)。工作方式1每次傳送一幀數(shù)據(jù)為10位，1 個起始位、1 個停止位和8個數(shù)據(jù)位，低位在前，高位在后，如圖2所示。

圖2 方式1的數(shù)據(jù)幀格式

在寫程序時，需看懂數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的時序圖，分別如圖3、圖4所示。數(shù)據(jù)發(fā)送時使用的是單片機的TXD(P31)引腳，接收時使用的單片機的RXD(P30)引腳，這里我們結(jié)合這兩個引腳對時序進行分析。

圖3 方式1發(fā)送時的時序圖

圖4 方式1數(shù)據(jù)接收時的時序圖

首先我們單片機如何發(fā)送和接收一個數(shù)據(jù)。

發(fā)送時，數(shù)據(jù)從TXD（P31）端輸出，當TI=0時，執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖器SBUFF指令時，就啟動了串行口數(shù)據(jù)的發(fā)送指令。啟動發(fā)送后，串行口自動在起始位清0，而后是8位數(shù)據(jù)位和1位停止位，一幀數(shù)據(jù)是10位。數(shù)據(jù)依次從TXD端發(fā)出，一幀數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，使TXD端的輸出線維持在1狀態(tài)下，并將SCON寄存器中的TI置1，以便查詢數(shù)據(jù)是否發(fā)送完畢或作為發(fā)送中斷請求信號。TI必須由軟件清0。

接收時，數(shù)據(jù)從RXD(P30)端輸入，SCON的REN位應(yīng)處于允許接收狀（REN=1）。在此前提下，串行口采樣RXD端，當采樣從1向0的狀態(tài)跳變時，就認定是接收一起始位。隨后在移位脈沖的控制下，把接收到的數(shù)據(jù)位移入寄存器中，直接停止位到來之后把停止位送入RB8中，并置位中斷標志位RI，通知CPU從SBUF取走接收到的一個字符。

（2）波特率的設(shè)定

工作方式1的波特率是可變，波特率的產(chǎn)生與定時器1有關(guān)，其產(chǎn)生的電路如圖4所示。

圖4 方式1的波特率產(chǎn)生電路

以定時器T1作為波特率發(fā)生器使用，其值由定時器1的計數(shù)溢出率來決定，其公式為：

其中，T1溢出率為一次定時時間的倒數(shù)，即：

上式中，X為計數(shù)器的初值，M由定時器T1的工作方式所決定，即M=8、13或16，當定時器1作波特率發(fā)生器使用時，一般選用工作方式。之所以選擇工作方式2，是因為它具有自動加載功能，可以避免通過程序的反復(fù)裝入初值所引起的定時誤差，使波特率更加穩(wěn)定。因此，對于定時器T1的工作方式2，其溢出率又可簡化為：