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本章学习目标 ： 了解并行通信与串行通信的含义 理解波特率的概念，学会波特率的计算方法 能按要求正确设置特殊功能寄存器 SCON 和 PCON 的 SMOD 位

第 5 章 串行口与通信. 本章学习目标 ： 了解并行通信与串行通信的含义 理解波特率的概念，学会波特率的计算方法 能按要求正确设置特殊功能寄存器 SCON 和 PCON 的 SMOD 位 能区分串行口的 4 种工作方式， 熟悉方式 1 、方式 2 、方式 3 程序的编制方法 知道 RS-232C 、 RS-422A 和 RS485 基本性能 理解双机通信和多机通信的基本过程 能读懂教材中的控制实例，学会编写同等难度的控制程序. 5.1串行通信的基础知识.

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本章学习目标 ： 了解并行通信与串行通信的含义 理解波特率的概念，学会波特率的计算方法 能按要求正确设置特殊功能寄存器 SCON 和 PCON 的 SMOD 位

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  1. 第5章 串行口与通信 • 本章学习目标 ： • 了解并行通信与串行通信的含义 • 理解波特率的概念，学会波特率的计算方法 • 能按要求正确设置特殊功能寄存器SCON和PCON的SMOD位 • 能区分串行口的4种工作方式， 熟悉方式1、方式2、方式3 程序的编制方法 • 知道RS-232C、RS-422A和RS485 基本性能 • 理解双机通信和多机通信的基本过程 • 能读懂教材中的控制实例，学会编写同等难度的控制程序

  2. 5.1串行通信的基础知识 在实际应用中，80C51单片机经常要与外设进行信息交换；单片机与单片机之间或单片机与计算机之间往往也要交换信息，这些信息交换都可以称为通信。 数据通信的传输方式:并行通信和串行通信 并行通信：数据的各位同时送出。占用I/O多，速度快。 串行通信：数据的各位逐位送出。线路简单，速度慢。 传送数据1101 0010B时并行通信和串行通信的示意图。

  3. 5.1.1串行通信的制式 按照信息传送的方向，串行通信可分为3种制式。 1．单工制式 2．半双工制式 3．全双工制式

  4. 5.1.2串行通信的方式 串行通信有两种基本的通信方式：同步通信与异步通信。 1.异步通信(Asynchronous Communication) 在异步通信中，数据通常是以字符(或字节)为单位组成字符帧传送的。字符帧由发送端逐帧发送，接收端逐帧接收。发送端和接收端由各自的时钟来控制。这两个时钟源可以彼此独立、互不同步。 在帧格式中，一个字符由4个部分组成：起始位、二进制数据位、奇偶校验位和停止位。下图给出了典型的异步帧格式。

  5. 5.1.2串行通信的方式 2．同步通信（Synchronous Communication） 同步通信在发送一组数据时，只在开始用1～2个同步字符作为双方取得同步的号令，然后连续发送整组数据。不像异步通信那样将字符一个一个地分开来传送。格式下图所示。

  6. 5.1.3串行通信的传输速率 所谓传输速率就是指每秒传输多少位，传输速率也称波特率（bps）。 如果数据传送的速率是120帧/秒，每个帧包含10位，则波特率为 10×120=1200 bps，于是每位传送的时间 T=1/1200=0.833ms 标准波特率系列为110、300、600、1200、1800、2400、4800、9600和19200bps。

  7. 5.1.4调制解调器（MODEM 又称猫） 在进行远程异步串行数据通信时，二进制的数据位在传输时会出现畸变，可以利用调制解调器解决这个问题。 利用调制解调器进行数据远距离串行通信的过程如下图所示。

  8. 5.2串行口的基本结构和工作方式 5.2.1串行口的基本组成 发送缓冲器SBUF只能写入不能读出。 全双工的串行通信口，可同时接收和发送。 接收和发送缓冲器SBUF在物理上共用一个地址99H。 接收缓冲器SBUF只能读出不能写入。

  9. 5.2.2串行口的特殊功能控制寄存器 与串行口有关的特殊功能寄存器有SBUF、SCON、PCON，与串行口中断有关的特殊功能寄存器有IE、IP. 1．串行口发送/接收缓冲器SBUF（99H） 2．串行口控制寄存器SCON SCON的各位的定义和功能如下：

  10. SM0、SM1： 串行口工作方式选择位（内容见5.2.3节）。 • SM2： 多机通信控制位。具体用法见5.3.3节。 • REN： 串行接收允许位。由软件置1或清0。软件置1时，串行口允许接收，清0后禁止接收。 • TB8： 在方式2和方式3中是发送的第9位数据。 • RB8： 在方式2和方式3中是接收的第9位数据。 • TI： 发送中断标志位。发送结束时由硬件置位。该位必须用软件清零。 • RI： 接收中断标志位。结束接收时由硬件置位。该位必须用软件清零。

  11. 3．电源控制寄存器PCON 串行口借用了电源控制寄存器PCON的最高位。PCON是8位寄存器，字节地址为87H，不可进行位寻址。它的低4位全部用于80C51/80C31子系列单片机的电源控制。只有最高位SMOD位用于串行口波特率系数的控制。当SMOD＝l时，方式1、2、3的波特率加倍，否则不加倍。PCON的格式如下：

  12. 5.2.3串行口的四种工作方式 80C51单片机串行口有4种工作方式，用特殊功能寄存器SCON中的SM0、 SM1两位进行设定，见表5-1。

  13. 1．方式0 （1）特点 用于串行I/O口扩展，有固定的波特率，为fOSC/12。 同步发送/接收功能，由TXD提供移位脉冲，RXD用作数据输入/输出通道。 发送接收8位数据，低位在前，高位在后。（2）发送操作由指令MOV SBUF，A 启动发送操作，发送时由TXD输出移位脉冲，RXD发送SBUF中的数据。发送完8位数据后，TI自动置1，请求中断。要继续发送时，TI必须由指令清0（CLR TI）。（3）接收操作在RI=0的前提下，用指令置REN=1，可以启动一帧数据的接收。同样由TXD输出移位脉冲，由RXD接收串行数据。接收完一帧RI自动置1，请求中断。想继续接收时要用指令清除RI。

  14. 2．方式1 （1）特点 8位异步串行通信UART接口。 帧结构为10位，包括起始位0，8位数据位，1位停止位。 波特率由软件设置，由T1的溢出率决定。 （2）发送操作 由指令MOV SBUF，A 启动A中的数据从TXD端异步发送。发送完一帧数据后，TI自动置1，请求中断。要继续发送时，TI必须由指令清0（CLR TI）。 （3）接收操作 在RI=0的前提下，用指令置REN=1，启动一帧数据的接收。串行口采样RXD，当采样到1至0的跳变时，表明接到串行数据的起始位，开始接收一帧数据，直到停止位到来时，把停止位送到RB8中，此时RI自动置1，请求中断并通知CPU从SBUF中取走已接收到的数据 。想继续接收时要用指令清除RI。

  15. 3．方式2和方式3 方式2和方式3具有多机通信功能，两种方式除了波特率设置不同外，其余功能完全相同。 （1）特点 8位异步串行通信UART接口。帧结构为11位，包括起始位0，8位数据位，1位可编程位TB8/RB8，1位停止位。 方式2的波特率固定，由PCON中的SMOD位选择，当SMOD=0时，波特率为fOSC/64；当SMOD=1时，波特率为fOSC/32；SMOD位状态用软件设置。见表5-1。

  16. 3．方式2和方式3 （2）发送操作 发送操作前，用指令定义TB8（如作为奇偶校验位或地址/数据标志位），由指令MOV SBUF，A 将A中的数据送入SBUF后启动发送操作；在发送操作中，已定义的TB8位能自动加入待发送的8位数据之后构成第9位，这样组成的一帧完整数据自动从TXD端异步发送；发送完成后，TI自动置1，请求中断。要继续发送时，TI必须由指令清0（CLR TI）。 在多机通信的发送操作中，用TB8作地址/数据标志位。TB8=1，地址帧；TB8=0，数据帧。

  17. 3．方式2和方式3 • （3）接收操作 • 在RI=0的前提下，用指令置REN=1，启动一帧数据的接收，将接收数据的第9位送入RB8。该数据能否接收，要由SM2和RB8的状态决定： • SM2=0时，串行口不看RB8状态，无条件接收。 • SM2=1是多机通信方式，接收到的RB8是地址/数据标志位： • 若RB8=1，接收的信息是地址，此时RI自动置1，串行口接收发送来的数据。 • 若RB8=0，接收的信息是数据。对于SM2=1的从机，RI不置1，此数据丢失；对于SM2=0的从机，SBUF自动接收发来的数据。

  18. 5.3串行通信的常用标准接口 80C51单片机常与其它51单片机或PC机进行串行通信。 80C51单片机串行接口的信号电平为TTL类型，抗干扰能力差，传输距离短。为了提高串行通信的可靠性，延长通信距离，工程设计人员一般采用标准串行接口，如RS-232C、RS-422A和RS-485等。这三种接口最初都是由美国电子工业协会（EIA）制订并发布的。

  19. 5.3.1 RS-232C接口 RS-232C（又称 EIA RS-232-C）是目前PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。图5-7是利用RS-232C通过电话网实现远程通信的示意图。 图5-7 RS-232C通过电话网实现远程通信的示意图

  20. 1．接口信号 RS-232C是EIA在1969年推出的。全名是“数据终端设备DTE（如计算机和各种终端机）和数据通讯设备DCE（如调制解调器MODEM）之间串行二进制数据交换接口技术标准”。它适合于数据传输速率在0～20 000bps范围内的通信。 图5-8 RS-232C串口结构

  21. 目前较为常用的RS-232C有9针串口（DB9）和25针串口（DB25），结构分别如图5-8所示。在保证通信准确性的前提下，如果通信距离较近 (小于12米)，可以用电缆线直接连接，图5-9是这种连接方式的示意图；若距离较远，需附加调制解调器（MODEM），见图5-7。 图5-9 近程通信示意图

  22. 实际上DB25中有许多引脚很少使用，在计算机与终端通讯中一般只使用3-9条引线。最常用的9条引线的信号内容见表5-2所示。最为简单且常用的是三线制接法，即地、接收数据和发送数据三脚相连。传输线采用屏蔽双绞线。如图5-10 所示。 图5-10 RS-232C串口结构

  23. 表5-2 DB9和DB25的常用信号脚说明

  24. 2.逻辑电平 • RS-232C是早期为促进公用电话网络进行数据通信而制定的标准。它采用负逻辑，即 • -3V～-15V规定为“1”； • +3V～+15V规定为“0”； • -3V～+3V为过渡区，不做定义。

  25. 3．电平转换芯片与接口电路 RS－232C信号的电平和单片机串口信号的电平不一致，必须进行二者之间的电平转换。常用芯片有MC1488（TTL转换成RS－232C信号）、MC1489（RS－232C信号转换成TTL）等。另一种常用的集成电平转换芯片MAX232可以实现RS－232C／TTL电平的双向转换，它只使用单一的＋5V电源供电，配接4个1μF电解电容即可完成RS－232电平与TTL电平之间的转换。其原理图如图5-11所示。转换完毕的串口信号TXD、RXD直接和80C51的串行口连接。

  26. 图5-11 电平匹配原理图 注：1.为提高电路抗干扰能力，C1～C4要用钽电容1.0μF/16V，且尽 量靠近MAX232； 2. MAX232对噪声很敏感，在VCC与GND之间加C5=0.1μF，起去耦作用

  27. 5.3.2 RS-485接口 1．性能特点 RS-485以良好的抗噪声干扰性，长距离传输特性和多站能力等优点成为首选的串行接口。表现为： 接口信号电平比RS-232C低（±1.5V～±6V），不易损坏接口电路芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL 电路连接。 RS-485传输数据的速度较快，最高速率达到10Mbps 。 采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性能好。 最大传输距离标准值为4000英尺，折合1219米，实际上可达 3000米。 RS-485接口允许在总线上同时连接32个发送器和32个接收器，即具有多站能力，这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。 因RS-485接口组成的半双工网络一般只需二根连线，所以RS-485接口均采用屏蔽双绞线传输。RS-485接口连接器采用DB9的9芯插头座。与智能终端RS-485接口采用DB9（孔）；与键盘连接的键盘接口RS-485采用DB9（针）。

  28. 2、与其它标准接口的对照 表5-3 列出了RS-485与其它标准接口的对照表

  29. 5.4串行口应用与训练 5.4.1应用指导 1．串行通信中的常用波特率 80C51的四种工作方式中，方式0和方式2的波特率固定，见表5-1和方式0、方式2的特点。方式1和方式3的波特率可变，其具体数值由定时器T1的溢出率和SMOD位共同决定，公式见表5-1。 定时器T1作波特率发生器时，为了防止溢出中断，应保持T1为中断禁止状态。表5-4列出了T1的常用波特率。

  30. 表5- 4 T1的常用波特率

  31. 2．利用串行口扩展I/O口 80C51单片机串行口方式0为同步移位寄存器方式，可进行8位并行I/O口的扩展。当串行口别无它用时，可通过使用串行输入并行输出移位寄存器（如74LS164）扩展并行输出口；或使用并行输入串行输出移位寄存器（如74LS165）扩展并行输入口。这种方法不占用片外RAM地址，而且还能简化单片机系统的硬件结构。但缺点是操作速度较慢，且扩展芯片越多，速度越慢。 图5-12是利用一片74LS165扩展8位并行输入口的实用电路。当移位/置入端S/由“1”变为“0”时，并行输入端的数据被置入寄存器。当S/＝1，且时钟禁止端（15脚）接地时，在时钟脉冲的作用下，数据由QA向QH方向（即D7→D0）移动。

  32. 图5-12 利用一片74LS165扩展8位并行输入口电路 图中RXD（P3.0）作为80C51的串行输入端与74LS165的串行输出端相连，TXD（P3.1）为移位脉冲输出端，与74LS165芯片的移位脉冲输入端连接，用一根I/O口线P1.0与74LS165芯片的S/相连来控制移位与置位过程。 注：图中74LS165的SIN引脚为串行输入端，用于两片74LS165的串行扩展连接。

  33. 3．串行通信编程基础 （1）串行口初始化编程 串行口初始化应该包括对SCON、PCON和T1的初始化。对T1的初始化又包含TMOD寄存器初始化（将T1设置为波特率发生器）、根据波特率求时间常数并对TH1和TL1赋值、启动T1等过程，串口初始化格式如下，其中加括号的指令可根据情况选择使用： SIO：MOV SCON，#控制状态字 ；写方式字且TI=RI=0 (MOV PCON，#80H) ；波特率加倍 (MOV TMOD，#20H ) ；T1作波特率发生器 ( MOV TH1，#X ) ；选定波特率 ( MOV TH1，#X ) ( SETB TR1) ；启动T1 ( SETB EA) ；开串行口中断 ( SETB ES)

  34. （2）发送程序 发送程序可以采用中断和查询两种方式设计。 查询方式： TRAM： MOV A，@R0 ；取数据 MOV SBUF，A ；发送一个字符 WAIT： JBC TI，NEXT ；等待发送结束 SJMP WAIT NEXT： INC R0 ；准备下一次发送 SJMP TRAM

  35. 中断方式： ORG 0023H ；串行口中断入口 AJMP SINT MAIN： … ；初始化编程 TRAM： MOV A，@R0 ；取数据 MOV SBUF，A ；发送第一个字符 SJMP $ ；其它工作 SINT：CLR TI ；中断服务程序 INC R0 MOV A，@R0 ；取数据 MOV SBUF，A ；发送下一个字符 RETI

  36. （3）接收程序 与发送相类似，接收也可以采用中断和查询两种方式设计。 当REN=1、RI=0时80C51处于等待接收状态；一旦检测到RI=1，80C51开始从SBUF读取数据。 查询方式： WAIT： JBC RI，NEXT ；查询等待 SJMP WAIT NEXT： MOV A，SBUF ；读取接收数据 MOV @R0，A ；保存数据 INC R0 ；准备下一次接收 SJMP WAIT

  37. 5.4.2 基本训练 1．初始化训练 要求：某80C51单片机通信系统，晶振频率为12MHz，要求串行口发送8位数据，波特率1200bmp，请编写它的初始化程序。 思路与计算：要选择串行口和定时器T1的工作方式，计算时间常数并赋值给TH1、TL1。我们可以利用表5- 1中求波特率的公式：

  38. 初始化程序： MOV SCON，#40H ；串口工作于方式1 MOV PCON，#80H ；SMOD=1 MOV TMOD，#20H ；T1 作定时器，工作于方式2 MOV TH1，#0CCH ；装入时间常数初值 MOV TL1 ，#0CCH ；自动重装时间常数 CLR ET1 ；禁止T1中断 SETB TR1 ；启动T1波特率发生器 总结：用上述公式计算出的波特率不为整数，近似取整后，波特率也就不能精确地等于1200bps。但在异步传送中，每接收一个字符实际上都要整步一次，因此这点微小误差并不影响收发。

  39. 2．串行传送训练 要求：利用80C51的串行口实现一个数据块的发送。设发送数据区首地址为58H，数据块长度（字节数）为10，串行口工作于方式1，波特率1200bps，晶振频率为11.0592MHz。 思路：串行口工作于方式1时，波特率要编程设定。通常使T1工作在方式2，当波特率取1200bps时，可以查表或计算时间常数初值，得0E8H（SMOD=0时）。 发送子程序TRAM清单： TRAM：MOV TMOD，#20H ；T1工作在方式2 MOV TH1，#0E8H ；装入时间常数初值 MOV TL1，#0E8H ；自动重装时间常数

  40. CLR ET1 ；禁止T1中断 SETB TR1 ；启动T1波特率发生器 MOV SCON，#40H ；串口工作于方式1 MOV PCON，#00H ；SMOD=0，该指令可不写 MOV R1，#58H ；数据发送区首址送R1 MOV R5，#10 ；发送长度送R5 LOOP：MOV A，@R1 ；发送一帧数据 MOV SBUF，A WAIT：JBC TI，NEXT ；发送等待，发完一帧转去NEXT SJMP WAIT NEXT：INC R1 ；准备取下一数据 DJNZ R5，LOOP ；数据块发完？未发完转LOOP RET ；发完，结束 <想一想> 发送等待时为什么不用“JB TI，NEXT”指令，而用“ JBC TI，NEXT”指令？

  41. 5.4.3 课题与实训10 串行输出控制彩灯 一．实训目的 1．熟悉74LS164的使用，掌握串行口的基本应用方法。 2．学习串行口的扩展技术，掌握串行口相关寄存器的设定方法。 3．掌握串行口扩展显示器的电路设计原理和编程方法 二．课题要求 利用一片AT89C51芯片，使之工作于方式0。在其串口扩展一片74LS164控制8个LED，要求使用建表方式，控制LED闪烁，其闪烁规律为：8个LED作左移2次，闪2次；右移2次，闪2次。闪烁间隔0.2秒。

  42. 三．背景知识 1．74LS164是串行输入并行输出移位寄存器，接在80C51的串行口，可以实现对8位并行数据的控制。 2．80C51与74LS164连接时，RXD（P3.0）作为串行输出与74LS164的数据输入端（1、2）相连，TXD（P3.1）作为移位脉冲输出与74LS164的时钟脉冲输入端（8）相连，74LS164的CLR端（9）通过电阻、电容接在电源和地上。

  43. 四．硬件电路 图5-13 串行输出控制彩灯硬件电路

  44. 五．软件设计(参考程序如下：) ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0100H MAIN：MOV SCON，#00H；串口工作于方式0 START：MOV DPTR，#TABLE；指向TABLE表 LOOP：CLR A；清除A MOVC A，@A+DPTR；从TABLE表取数据 CJNE A，#05H，NEXT；取到结束码05H？没有跳到NEXT AJMP START；结束，重新开始 NEXT：CPL A；取到数据反相 MOV SBUF，A；向串口发送 LOOP1：JBC TI，LOOP2；发送结束？是，跳到LOOP2 AJMP LOOP1；没结束，再检测 LOOP2：ACALL DELAY；延时0.2秒 INC DPTR；指向下一地址 AJMP LOOP

  45. DELAY：MOV R7,#4 ；延时0.2S D1： MOV R6,#20 D2： MOV R5,#123 NOP DJNZ R5,$ DJNZ R6,D2 DJNZ R7,D1 RET TABLE：DB 01H，02H，04H，08H DB 10H，20H，40H，80H DB 01H，02H，04H，08H DB 10H，20H，40H，80H DB 00H，0FFH，00H，0FFH DB 80H，40H，20H，10H DB 08H，04H，02H，01H DB 80H，40H，20H，10H DB 08H，04H，02H，01H DB 00H，0FFH，00H，0FFH DB 05H END 六．总结与思考 1．74LS164无输出控制端，故串行输入过程中，输出端会不断地变化。所以一般应在74LS164和输出装置之间加接输出控制门，以保证串行输入结束后再输出数据。 2．如果不用建表方式，如何实现？

  46. 5.5 单片机串行口应用举例 5.5.1 单片机与显示器的串行通信 例：某车间拟设置一块生产进度显示板，显示当天已完成的产品数量（不超过256），所需的产量数据，要从主单片机传送到显示板，请帮助设计相应的传送程序。 分析与设计 该任务中，每当生产线上完成一台合格产品时，通过自动计数装置向主单片机外部中断输入端送出一个低电平“0”，作为请求中断信号；主单片机响应中断后，在中断服务程序中，将产量值（存放在50H中）加1，并通过串口将其送给显示板。 显示版接收主单片机送来的显示数据。显示板的CPU平时运行显示程序，显示当前的产量(产量数据存放在数据存储区50H单元中)。只有当显示板的串口接收到主单片机发来的显示数据时，才会因串口中断，转去执行中断服务程序，以便将新接收到的产量数据存放到50H单元中，再返回到主程序执行显示程序。

  47. 软件设计 1．主单片机 ⑴主程序 发送端的主程序要完成外部中断和串行口的初始化工作，然后等待外部中断。 ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0013H AJMP SUBG ；中断入口 ORG 0100H MAIN：MOV 50H，#00H ；当天产量从0开始 MOV SP，#60H SETB IT1；采用边沿触发方式 MOV SCON，#40H；串口工作于方式1，禁止接收 MOV PCON，#00H；波特率不加倍 MOV TMOD，#20H；T1工作于方式2

  48. MOV TH1，#0E8H；波特率为1200bps MOV TL1，#0E8H SETB EX1；开中断 SETB EA；开中断 SETB TR1；打开波特率发生器 AJMP $；等待中断 ⑵中断服务子程序 当外部中断申请中断时，表示生产线上已完成一台成品，因此中断服务程序的任务就是将产量单元50H加1，并将加1后的数值从串口输出。程序如下： ORG 0200H SUBG：PUSH ACC INC 50H MOV A，50H MOV SBUF，A

  49. WAIT：JBC TI，NEXT SJMP WAIT NEXT：POP ACC RETI 2．显示板的CPU ⑴主程序 主程序的初始化部分与发送端基本相同，只是要将SCON的禁止接收改成允许接收。并且要一边执行显示程序，一边等待中断。显示程序从略，可参看第6章。 ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0023H AJMP SUBG ；串口中断入口 ORG 0100H MAIN：MOV 50H，#00H ；当天产量从0开始 MOV SP，#60H

  50. MOV SCON，#50H；串口工作于方式1，允许接收 MOV PCON，#00H；波特率不加倍 MOV TMOD，#20H；T1工作于方式2 MOV TH1，#0E8H；波特率为1200bps MOV TL1，#0E8H SETB ES；开串口中断 SETB EA；开中断 SETB TR1；打开波特率发生器 WAIT：ACALL DISPLAY；转显示子程序 AJMP WAIT；等待中断

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