51單片機串口通信原理與應用

這節我們主要講單片機上串口的工作原理和如何通過(guò)程序來(lái)對串口進(jìn)行設置，以及根據所給出的實(shí)例實(shí)現與PC 機通信。

一、原理簡(jiǎn)介

51 單片機內部有一個(gè)全雙工串行接口。什么叫全雙工串口呢?一般來(lái)說(shuō)，只能接受或只能發(fā)送的稱(chēng)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(chēng)為半雙工;能同時(shí)接收和發(fā)送的串行口稱(chēng)為全雙工串行口。串行通信是指數據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(xiàn)，可大大降低硬件成本，適合遠距離通信。其缺點(diǎn)是傳輸速度較低。

與之前一樣，首先我們來(lái)了解單片機串口相關(guān)的寄存器。

SBUF 寄存器：它是兩個(gè)在物理上獨立的接收、發(fā)送緩沖器，可同時(shí)發(fā)送、接收數據，可通過(guò)指令對SBUF 的讀寫(xiě)來(lái)區別是對接收緩沖器的操作還是對發(fā)送緩沖器的操作。從而控制外部?jì)蓷l獨立的收發(fā)信號線(xiàn)RXD(P3.0)、TXD(P3.1)，同時(shí)發(fā)送、接收數據，實(shí)現全雙工。

串行口控制寄存器SCON(見(jiàn)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。

SM2 ：多機通信控制位。 該僅用于方式2 和方式3 的多機通信。其中發(fā)送機SM2 = 1(需要程序控制設置)。接收機的串行口工作于方式2 或3，SM2=1 時(shí)，只有當接收到第9 位數據(RB8)為1 時(shí)，才把接收到的前8 位數據送入SBUF，且置位RI 發(fā)出中斷申請引發(fā)串行接收中斷，否則會(huì )將接受到的數據放棄。當SM2=0 時(shí)，就不管第位數據是0 還是1，都將數據送入SBUF，并置位RI 發(fā)出中斷申請。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)送機要發(fā)送的第9 位數據。在多機通信中它代表傳輸的地址或數據，TB8=0 為數據，TB8=1 時(shí)為地址。

RB8 ：在方式2、3 中，RB8 是接收機接收到的第9 位數據，該數據正好來(lái)自發(fā)送機的TB8，從而識別接收到的數據特征。

TI ：串行口發(fā)送中斷請求標志。當CPU 發(fā)送完一串行數據后，此時(shí)SBUF 寄存器為空，硬件使TI 置1，請求中斷。CPU 響應中斷后，由軟件對TI 清零。

RI ：串行口接收中斷請求標志。當串行口接收完一幀串行數據時(shí)，此時(shí)SBUF 寄存器為滿(mǎn)，硬件使RI 置1，請求中斷。CPU 響應中斷后，用軟件對RI 清零。

電源控制寄存器PCON(見(jiàn)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 ：通用標志位。

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

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

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(lái)設定波特率。中斷允許寄存器IE 中的ES 位也用來(lái)作為串行I/O 中斷允許位。當ES = 1，允許 串行I/O 中斷;當ES = 0，禁止串行I/O 中斷。中斷優(yōu)先級寄存器IP的PS 位則用作串行I/O 中斷優(yōu)先級控制位。當PS=1，設定為高優(yōu)先級;當PS =0，設定為低優(yōu)先級。

波特率計算：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SMOD=0 時(shí)，波特率為fosc/64 ;當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)。其計數結構為8 位，假定計數初值為Count，單片機的機器周期為T(mén)，則定時(shí)時(shí)間為(256 ?Count)×T 。從而在1s內發(fā)生溢出的次數(即溢出率)可由公式(1)所示：

從而波特率的計算公式由公式(2)所示：

在實(shí)際應用時(shí)，通常是先確定波特率，后根據波特率求T1 定時(shí)初值，因此式(2)又可寫(xiě)為：

二、電路詳解

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圖1 串行通信實(shí)驗電路圖

下面就對圖1 所示電路進(jìn)行詳細說(shuō)明。

最小系統部分(時(shí)鐘電路、復位電路等)第一講已經(jīng)講過(guò)，在此不再敘述。我們重點(diǎn)來(lái)了解下與計算機通信的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(lái)實(shí)現什么的呢?首先我們要知道計算機上的串口是具有RS-232 標準的串行接口，而RS-232 的標準中定義了其電氣特性：高電平“1”信號電壓的范圍為-15V~-3V，低電平“0”

信號電壓的范圍為+3V~+15V?？赡苡行┳x者會(huì )問(wèn)，它為什么要以這樣的電氣特性呢?這是因為高低電平用相反的電壓表示，至少有6V 的壓差，非常好的提高了數據傳輸的可靠性。由于單片機的管腳電平為T(mén)TL，單片機與RS-232 標準的串行口進(jìn)行通信時(shí)，首先要解決的便是電平轉換的問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，可以選擇一些專(zhuān)業(yè)的集成電路芯片，如圖中的MAX3232。MAX3232 芯片內部集成了電壓倍增電路，單電源供電即可完成電平轉換，而且工作電壓寬，3V~5.5V 間均能正常工作。其典型應用如圖中所示，其外圍所接的電容對傳輸速率有影響，在試驗套件中采用的是0.1μF。

值得一提的是MAX3232 芯片擁有兩對電平轉換線(xiàn)路，圖中只用了一路，因此浪費了另一路，在一些場(chǎng)合可以將兩路并聯(lián)以獲得較強的驅動(dòng)抗干擾能力。此外，我們有必要了解圖中與計算機相連的DB-9 型RS-232的引腳結構(見(jiàn)圖2)。

圖2 DB-9連接器接口圖

其各管腳定義如下(見(jiàn)表4)。

表4 DB-9型接口管腳定義

三、程序設計

本講設計實(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)

程序詳細說(shuō)明：

(1)頭文件包含。

(2)聲明串口初始化程序。

(3)設置定時(shí)器1 工作在模式2，自動(dòng)裝載初值(詳見(jiàn)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。

(10)定義一個(gè)字符型變量。

(11)初始化串口。

(12)死循環(huán)。

(13)如果接收到數據。

(14)將接收到的數據賦給之前定義的變量。

(15)將接收到的值輸出到P0 口。

(16)對接收標志位清0，準備再次接收。

(17)將接收到的數據又發(fā)送出去。

(18)查詢(xún)是否發(fā)送完畢。

(19)對發(fā)送標志位清0。

四、調試要點(diǎn)與實(shí)驗現象

接好硬件，通過(guò)冷啟動(dòng)方式將程序所生成的。hex文件下載到單片機運行后，打開(kāi)串口調試助手軟件，設置好波特率1200，復位單片機，然后在通過(guò)串口調試助手往單片機發(fā)送數據(見(jiàn)圖3)，可以觀(guān)察到在接收窗口有發(fā)送的數據顯示，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 )閃爍所接收到的數據。

圖3 串口軟件調試界面

另外串口調試助手軟件使用時(shí)應注意的是，如果單片機開(kāi)發(fā)板采用串口下載而且和串口調試助手是使用同一串口，則在打開(kāi)串口軟件的同時(shí)不能給單片機下載程序，如需要下載，請首先點(diǎn)擊“關(guān)閉串口”，做發(fā)送實(shí)驗的時(shí)候，注意如果選中16 進(jìn)制發(fā)送的就是數字或者字母的16 進(jìn)制數值，比如發(fā)送“0”，實(shí)際接收的就應該是0x00，如果不選中，默認發(fā)送的是ASCII 碼值，此時(shí)發(fā)送“0”，實(shí)際接收的就應該是0x30，這點(diǎn)可以通過(guò)觀(guān)察板子P0 口上的對應的LED 指示出來(lái)。

五、總結

本講介紹了單片機串口通信的原理并給出了實(shí)例，通過(guò)該講，讀者可以了解和掌握51 單片機串口通信的原理與應用流程，利用串口通信，單片機可以與計算機相連，也可以單片機互聯(lián)或者多個(gè)單片機相互通信組網(wǎng)等，在實(shí)際的工程應用中非常廣泛。從學(xué)習的角度來(lái)說(shuō)，熟練的利用串口將單片機系統中的相關(guān)信息顯示在計算機上可以很直觀(guān)方便的進(jìn)行調試和開(kāi)發(fā)。