【单片机学习】51单片机【串口】，详细介绍

2023-10-11 12:15:22

文章目录

一、先知先会

1、计算串行通信基础

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2、串行通信的基本概念

(1)、异步通信与同步通信

a.异步通信

​ 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，要求发送和接收设备的时钟尽可能一致。

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​ 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。

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b、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。

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(2)、串行通信的传输方向

  • 单工：数据传输仅能沿一个方向，不能实现反向传输；
  • 半双工：数据传输可以沿两个方向，但需要分时进行；
  • 全双工：数据可以同时进行双向传输。
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(3)、串行通信常见的错误校验

  • 奇偶校验

    ​ 在发送数据时，数据位尾随的1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”的个数之和应为偶数。接收字符时，对“1”的个数进行校验，若发现不一致，则说明传输数据过程中出现了差错。

  • 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），产生一个字节的校验字符（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，否则即认为传送过程中出现了差错。

  • 循环冗余校验

    这种校验是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中。

通常使用奇偶校验，其它的了解即可。

(4)、传输速率

​ 比特率（也称波特率），每秒传输二进制代码的位数，单位是：位/秒（bps）。

每秒传送240个字符，而每个字符格式包含10位（1个起始位、1个停止位、8个数据位），这时的比特率为： 10位× 240个/秒 = 2400 bps

(5)、传输距离与传输速率的关系

​ 串行接口或终端直接传送串行信息位流的最大距离与传输速率及传输线的电气特性有关。当传输线使用每0.3米（约1英尺）有50PF电容的非平衡屏蔽双绞线时，传输距离随传输速率的增加而减小。当比特率超过1000bps时，最大传输距离迅速下降。

9600bps时，最大距离下降到只有76m（约250英尺）。

就是说【传输速度越大，传输距离越小】。

(6)、串行通信接口标准

a.RS-232C接口

RS-232C是EIA（美国电子工业协会）1969年修订RS-232C标准。RS-232C定义了数据终端设备（DTE）与数据通信设备（DCE）之间的物理接口标准。

<1>、机械特性

​ RS-232C接口规定使用25针连接器，连接器的尺寸及每个插针的排 列位置都有明确的定义。（阳头）

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<2>、功能特性

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<3>、过程特性

过程特性规定了信号之间的时序关系，以便正确地接收和发送数据。

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注意：是发送与接收相接，别连错了

b.RS-232C电平与TTL电平转换驱动电路

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MC1488芯片，将TTL电平转换RS-232电平，即将 5V转换为12V 进行通信。

MC1489芯片，将RS-232电平转换为TTL电平，即将12V转换为5V 进行通信。

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c.RS422A接口

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​ RS-422A输出驱动器为双端平衡驱动器。如果其中一条线为逻辑“1”状态，另一条线就为逻辑“0”，比采用单端不平衡驱动对电压的放大倍数大一倍。差分电路能从地线干扰中拾取有效信号，差分接收器可以分辨200mV以上电位差。若传输过程中混入了干扰和噪声，由于差分放大器的作用，可使干扰和噪声相互抵消。因此可以避免或大大减弱地线干扰和电磁干扰的影响。RS-422A传输速率（90Kbps）时，传输距离可达1200米。

d.RS-485接口

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​ RS-485是RS-422A的变型：RS-422A用于全双工，而RS-485则用于半双工。RS-485是一种多发送器标准，在通信线路上最多可以使用32 对差分驱动器/接收器。如果在一个网络中连接的设备超过32个，还可以使用中继器。
RS-485的信号传输采用两线间的电压来表示逻辑1和逻辑0。由于发送方需要两根传输线，接收方也需要两根传输线。传输线采用差动信道，所以它的干扰抑制性极好，又因为它的阻抗低，无接地问题，所以传输距离可达1200米，传输速率可达1Mbps。

二、80C51的串行口

1、80C51串行口的结构

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​ 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 ；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。

2、寄存器SCON

​ SCON 是一个特殊功能寄存器，用以设定串行口的工作方式、接收/发送控制。

其设置状态标志：
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SM0和SM1为工作方式选择位，可选择四种工作方式：

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通常使用方式1

  • SM2，多机通信控制位，主要用于方式2和方式3。

    当接收机的SM2=1时可以利用的RB8来控制是否激活RI

    • RB8=0，不激活RI,收到的信息丢弃；
    • RB8=1，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，不论收到的RB8为0还是1，均可以使收到的数据进入SBUF，并激活RI。（即此时RB8不控制RI的激活）。【通过控制SM2，可以实现多机通信】。

**注意：**在方式0时，SM2必须为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。

  • 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，则进制接收。

  • 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。

  • 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，必须用软件清零，取消中断申请。

  • 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=1，向CPU发中断申请。也必须在中断服务程序中，用软件清零，取消此中断。

    3、寄存器PCON

PCON中只有一位SMOD与串行口工作有关 ：

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SMOD（PCON.7） 波特率倍增位。在串行口方式1、方式2、方式3时，波特率与SMOD有关，当SMOD=1时，波特率提高一倍。复位时，SMOD=0。

三、串行口的工作方式

1、方式0

a、输出

​ 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fosc/12。
1、方式0输出

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当发送完最后一位，会产生中断标志。

b、输入

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当接收完最后一位，会产生中断标志。

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。

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a.输出

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发送的时候，先是低位后高位

b.输入

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从起始位开始接收，直到接收到停止位，RI中断标志置1。

​ 用软件将REN置为1时，接收器所选择波特率的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中，并开始接收这一帧信息的其余位。（一帧信息包括起始位、数据位（D0~7）、停止位）。

​ 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，并且置RI=1，向CPU请求中断。

3、方式2和方式3

​ 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 。

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​ 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。

a.输出

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​ **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。

b.输入

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​ **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。

四、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 = fosc/12
  • 方式2的波特率 =（2SMOD/64）· fosc
  • 方式1的波特率 =（2SMOD/32）·（T1溢出率）
  • 方式3的波特率 =（2SMOD/32）·（T1溢出率）

方式1和方式3的波特率是固定的，而我们常用的是方式1

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初值即为TH1

五、串口如何使用

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1、串行口控制和中断系统。具体步骤：

  • 确定T1的工作方式（编程TMOD寄存器）；
  • 计算T1的初值，装载TH1、TL1;
  • 启动T1（编程TCON中的TR1位）；
  • 确定串行口控制（编程SCON寄存器）；

**注意：**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）。

#include "reg52.h"			

typedef unsigned int u16;	
typedef unsigned char u8;

void UsartInit()
{/* 此处配置的波特率是为4800，波特率加倍*/
	
	TMOD|=0x20;//选择工作方式2：8位自动重装载的定时器
	TH1=0xF4;//8位自动重装，所以上下两个一样
	TL1=0xF4;
	PCON=0x80;//设置SMOD，PCON是不可位寻址,波特率加倍
	TR1=1;//启动定时器1
	SCON=0x50;//SM0=0,SM1=1，即为方式1：8位数据、波特率可变；REN=1 允许串行接收位
	ES=1;//打开串口中断
	EA=1;//打开总中断
}

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

void Usart() interrupt 4
{
	u8 receiveData;
	receiveData=SBUF;//读取接收缓冲器中的数据
	RI=0;//接收完成后，硬件自动置1，需要软件清零
	SBUF=receiveData;//传递数据时，把数据存入传输缓冲器中
	while(!TI);
	TI=0;//发送完成后，硬件自动置1，需要软件清零
}

六、单片机与单片机的通信

1、点对点的通信_硬件连接

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通过2个MAX232A芯片。

将单片机1的TTL电平通过MAX232A芯片1转换为RS232电平，再由MAX232A芯片1与MAX232A芯片2进行通信，再由MAX232A芯片2转为TTL电平，来进行单片机间的通信。

2、多机通信_硬件连接

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单片机构成的多机系统常采用总线型主从式结构。所谓主从式，即在数个单片机中，有一个是主机，其余的是从机，从机要服从主机的调度、支配。

80C51单片机的串行口方式2和方式3适于这种主从式的通信结构。

当然采用不同的通信标准时，还需进行相应的电平转换，有时还要对信号进行光电隔离。在实际的多机应用系统中，常采用RS-485串行标准总线进行数据传输。

七、单片机串口的中断号

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