使用高速微型的串行端口

Maxim DS80C320和其他高速微控制器具有兩個(gè)相同的串行端口。本應(yīng)用筆記向用戶(hù)介紹微控制器中使用的通用同步/異步接收器/發(fā)送器（USART）。應(yīng)用筆記討論了波特時(shí)鐘源、輪詢(xún)和中斷模式、波特率生成、異步10位操作和雙串行端口操作。代碼示例用于突出顯示用作波特率生成器的計(jì)時(shí)器的使用。

介紹

高速微控制器的串行接口在功能上與其他性能較低的8051處理器上的接口相同。它們基于通用同步/異步接收器/發(fā)射器 （USART） 實(shí)現(xiàn)。顧名思義，USART 將并行數(shù)據(jù)與同步或異步串行位流相互轉(zhuǎn)換。器件的并行數(shù)據(jù)側(cè)與處理器的內(nèi)部數(shù)據(jù)總線接口，串行端與外界接口。本應(yīng)用筆記描述了該接口最常見(jiàn)的工作模式的設(shè)置和操作。

由于其普遍適用性，高速微型串行通道最常用的配置是其10位異步模式。在本應(yīng)用筆記中，將詳細(xì)描述此配置。將提供港口操作的一般概述，并提供詳細(xì)的軟件示例。還將介紹說(shuō)明使用雙串行端口和11位地址識(shí)別功能的示例。通過(guò)這三個(gè)示例，將討論串口操作的不同方面。

最常見(jiàn)的串行通信模式是基于異步數(shù)據(jù)傳輸。在這種傳輸模式下，沒(méi)有單獨(dú)的時(shí)鐘信號(hào)。圖1所示的經(jīng)典串行異步數(shù)據(jù)通信格式無(wú)需時(shí)鐘信號(hào)即可提供必要的同步。在這種格式中，8或9個(gè)數(shù)據(jù)位伴隨著一個(gè)起始位和一個(gè)或兩個(gè)停止位。第 9 個(gè)數(shù)據(jù)位經(jīng)常用作奇偶校驗(yàn)位。開(kāi)始位和停止位提供必要的同步信息。此模式下的串行比特流內(nèi)容與流行的RS-232協(xié)議兼容。但是，信號(hào)電平不是。為了兼容信號(hào)電平，必須使用DS232A等電平轉(zhuǎn)換器將TTL/CMOS電平轉(zhuǎn)換為RS-232電平。

圖1.異步數(shù)據(jù)格式。

請(qǐng)注意，高速微控制器系列的許多成員具有兩個(gè)功能相同的串行端口。隨著新成員添加到處理器家族中，有些成員可能沒(méi)有兩個(gè)串行端口。有關(guān)具體功能，請(qǐng)參閱各個(gè)器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)。本應(yīng)用筆記將重點(diǎn)介紹單個(gè)串行端口（端口0）的使用，但在示例中，所介紹的想法同樣適用于兩個(gè)端口。一個(gè)示例程序演示了這兩個(gè)串行端口的使用。

波特鐘源

雖然本文檔的目的不是討論高速微型內(nèi)部定時(shí)器的細(xì)節(jié)，但必須對(duì)它們進(jìn)行一些討論，因?yàn)樗鼈兘?jīng)常被用作波特率時(shí)鐘的來(lái)源。高速微型包含三個(gè)內(nèi)部定時(shí)器，其中兩個(gè)可用作波特率發(fā)生器。以下各節(jié)簡(jiǎn)要介紹這些定時(shí)器及其最常用于波特率的模式 代。

有關(guān)定時(shí)器設(shè)置的詳細(xì)信息將通過(guò)下面的軟件示例進(jìn)行說(shuō)明。

在這兩個(gè)定時(shí)器上，自動(dòng)重新加載模式經(jīng)常用于波特率生成，因?yàn)樗恍枰幚砥鞯母深A(yù)。初始化后，定時(shí)器自動(dòng)運(yùn)行，根據(jù)加載到定時(shí)器重加載寄存器中的值生成波特率時(shí)鐘。在此模式下，計(jì)時(shí)器 1 使用 SFR 寄存器 TL1 進(jìn)行計(jì)數(shù)，使用 TH1 存儲(chǔ)重新加載值。軟件必須使用所需的重新加載值初始化 TH1，如果第一個(gè)時(shí)間間隔是正確的，TL1 也必須使用相同的值加載。定時(shí)器2使用寄存器TL2和TH2進(jìn)行計(jì)數(shù)，并寄存器RCAP2L和RCAP2H用于保存重新加載值。同樣，這些寄存器必須由軟件初始化。啟用后，計(jì)時(shí)器將根據(jù)所選時(shí)鐘源開(kāi)始計(jì)數(shù)。定時(shí)器1的時(shí)鐘是振蕩器/12或振蕩器/4。對(duì)于定時(shí)器2，振蕩器/2是波特時(shí)鐘生成模式下的唯一可能性。當(dāng)計(jì)數(shù)寄存器從其最大計(jì)數(shù)滾動(dòng)到 0 時(shí)，它們將自動(dòng)重新加載，并帶有重新加載寄存器中的值。除非由軟件修改，否則重新加載值保持不變。每次發(fā)生翻轉(zhuǎn)時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘脈沖。該時(shí)鐘脈沖被串行端口用作波特率時(shí)鐘。通過(guò)改變重載值，可以實(shí)現(xiàn)多種波特率。

輪詢(xún)模式與中斷驅(qū)動(dòng)模式

高速微型的串行通道在SFR地址空間中具有指示通道狀態(tài)的標(biāo)志位。對(duì)于每個(gè)串行通道，都有一個(gè)指示何時(shí)接收字符的標(biāo)志 （RI） 和一個(gè)指示何時(shí)傳輸字符的標(biāo)志 （TI）。無(wú)論是否啟用關(guān)聯(lián)的中斷，都會(huì)設(shè)置這些標(biāo)志，因此可以在輪詢(xún)操作模式下使用?；蛘?，如果啟用了中斷，則這些標(biāo)志中的任何一個(gè)的設(shè)置都將導(dǎo)致跳轉(zhuǎn)到串行通道的關(guān)聯(lián)中斷向量。

由于串行中斷是異步的，基于與外部設(shè)備的串行通信，大多數(shù)應(yīng)用將受益于使用中斷驅(qū)動(dòng)的通信方案。這樣，處理器可以在等待接收中斷時(shí)完成其他任務(wù)。如果使用輪詢(xún)方法，則會(huì)花費(fèi)時(shí)間不斷檢查標(biāo)志位以查看是否已設(shè)置。本應(yīng)用筆記的示例說(shuō)明了這兩種方法。第一個(gè)示例演示了典型的中斷驅(qū)動(dòng)操作模式。第二個(gè)示例執(zhí)行一組非常結(jié)構(gòu)化的事件，因此它非常適合輪詢(xún)操作。

插入中斷字符

中斷字符是通信流中很長(zhǎng)的 null。確切的長(zhǎng)度因所使用的通信格式而異。軟件可以通過(guò)將邏輯 0 寫(xiě)入相應(yīng)串行端口的 RX 引腳的端口鎖存位來(lái)輕松創(chuàng)建空值。請(qǐng)注意，將 00h 寫(xiě)入 SBUF0 或 SBUF1 不會(huì)達(dá)到預(yù)期效果，因?yàn)閿?shù)據(jù)流中使用的開(kāi)始位和停止位是邏輯 1。在斷字符結(jié)束時(shí)，軟件只需要將邏輯1寫(xiě)入相應(yīng)串行端口的RX引腳的端口鎖存位。

異步 10 位模式示例

異步 10 位工作模式可以說(shuō)是 8051 系列中最常用的串行通信方法。這是因?yàn)榇四Ｊ脚c熟悉的RS-232協(xié)議兼容。雖然信號(hào)電平不同，但使用簡(jiǎn)單的電平轉(zhuǎn)換器將允許與任何個(gè)人計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)串行端口進(jìn)行通信。事實(shí)上，本應(yīng)用筆記中的所有軟件都使用PC與DS80C320測(cè)試板接口進(jìn)行測(cè)試。

此特定串行模式可以使用定時(shí)器 1 為串行端口 1 生成波特率，或?yàn)榇卸丝?1 生成定時(shí)器 2 或 0。在本例中，定時(shí)器2在自動(dòng)重新加載模式下運(yùn)行，以生成串行端口0的波特率。

建立定時(shí)器的工作模式后，重新加載值必須存儲(chǔ)在重新加載寄存器中。重載寄存器的內(nèi)容可以使用以下公式計(jì)算所需的波特率和振蕩器頻率：

使用該公式，可以計(jì)算出任何所需波特率和振蕩器頻率的重載值。對(duì)于本軟件示例，假設(shè)振蕩器頻率為 11.0592 MHz。下表顯示了基于該晶體頻率的幾種常見(jiàn)波特率的重載值。應(yīng)該注意的是，并非每個(gè)晶體值都會(huì)產(chǎn)生可接受的波特率。如果需要特定的波特率，則在為系統(tǒng)選擇晶體之前，可能需要對(duì)上述方程進(jìn)行一些評(píng)估。

一旦確定了重載值，就必須將其加載到定時(shí)器的重載寄存器中，以建立定時(shí)器的輸出時(shí)鐘頻率。

初始化定時(shí)器后，可以根據(jù)需要設(shè)置串行端口。要為串行端口 0 建立正確的操作模式，必須正確設(shè)置 SCON 寄存器的 SM0 和 SM1 位（地址 098h）。下表顯示了這些位的可能設(shè)置和生成的模式。如圖所示，對(duì)于 0 位異步操作，SM1 和 SM0（SCON1.0 和 SCON0.0）必須分別設(shè)置為 1 和 10。

由于串行端口將在中斷驅(qū)動(dòng)模式下運(yùn)行，因此必須正確設(shè)置中斷使能。通過(guò)將 ES0（地址 0ACh）和 EA（地址 0AFh）位設(shè)置為 1，串行端口 0 將在傳輸字符或接收字符時(shí)生成中斷。

作為初始化的最后一步，通過(guò)設(shè)置位 TR2（地址 0CAh）來(lái)啟動(dòng)計(jì)時(shí)器。此時(shí)，串行通信可能開(kāi)始。為了傳輸字符，將字符寫(xiě)入 SBUF（字節(jié)地址 099h），并執(zhí)行其他任務(wù)，直到收到中斷（在本例中為緊密循環(huán)）。在接收字符時(shí)，在發(fā)生中斷之前不需要執(zhí)行任何操作。由于發(fā)送或接收都可能導(dǎo)致跳轉(zhuǎn)到同一中斷向量，因此中斷服務(wù)例程 （ISR） 必須確定哪個(gè)是原因。這是通過(guò)讀取SCON寄存器的TI（位地址099h）和RI（位地址098h）狀態(tài)位來(lái)完成的。如果設(shè)置了 TI，則“傳輸完成”會(huì)導(dǎo)致中斷。如果設(shè)置了 RI，則“接收”會(huì)導(dǎo)致中斷。如果傳輸導(dǎo)致中斷，則 TI 位可能被清除并退出 ISR。如果接收導(dǎo)致中斷，則必須清除 RI 位，并且必須從 SBUF 讀取接收的字符。

下面示例 1 的軟件列表說(shuō)明了實(shí)現(xiàn)此串行操作模式的詳細(xì)信息。

雙串行端口示例

本例演示DS80C320上兩個(gè)串行端口的用法。該示例的主要目的是說(shuō)明如何初始化和使用第二個(gè)端口。如前所述，有關(guān)串行端口 0 的許多信息同樣適用于串行端口 1。但是，此示例將有助于澄清有關(guān)使用此資源的任何混淆。

在此示例中，端口 1 （TXD1） 的輸出以“環(huán)回”配置連接到其輸入 （RXD1）。編寫(xiě)該軟件以創(chuàng)建以端口 0 作為輸入和輸出的閉合串行環(huán)。運(yùn)行終端仿真器的終端或 PC 連接到端口 0 的輸入 （RXD0） 和輸出 （TXD0）。最初，軟件通過(guò)端口0向終端輸出三行消息，DS80C320等待輸入。當(dāng)終端向DS80C320發(fā)送字符時(shí)，設(shè)置RI位。當(dāng)軟件識(shí)別出此位已設(shè)置時(shí)，它會(huì)讀取接收到的字符并將其傳輸?shù)蕉丝?1 的傳輸緩沖區(qū)。出于說(shuō)明目的，字符在傳輸之前將轉(zhuǎn)換為大寫(xiě)（如果尚未轉(zhuǎn)換為大寫(xiě)）。由于端口 1 的輸出與其輸入相關(guān)聯(lián)，因此傳輸?shù)淖址麜?huì)自動(dòng)進(jìn)入接收緩沖區(qū)。然后，軟件將此字符復(fù)制到端口 0 的傳輸緩沖區(qū)，從而使其從處理器傳輸出去。最后，字符作為大寫(xiě)字符到達(dá)終端，從而完成循環(huán)。

在此軟件示例中，兩個(gè)串行端口都設(shè)置為從定時(shí)器1生成的波特時(shí)鐘運(yùn)行。定時(shí)器設(shè)置為自動(dòng)重新加載模式，計(jì)數(shù)和重新加載寄存器加載適當(dāng)?shù)闹?。定時(shí)器 1 用于計(jì)算重載值的公式與定時(shí)器 2 的公式不同，如下所示：

使用上述公式，可以計(jì)算所需波特率和振蕩器頻率的重載值。可以看出，重載值是 2 提高到 SMOD 的冪的函數(shù)。由于 SMOD 可以是 0 或 1，因此該項(xiàng)可以是 1 或 2 （20= 1， 21= 2）。因此，將 SMOD 設(shè)置為 1 具有使波特率加倍的效果。同樣，對(duì)于本軟件示例，假設(shè)振蕩器頻率為11.0592 MHz。下表3顯示了基于該晶體頻率為幾種常見(jiàn)波特率計(jì)算的重載值。

如上式所示，重載值是根據(jù) SMOD 波特率倍增器位的設(shè)置計(jì)算的。如果該位對(duì)于所需的波特率為 0，則無(wú)需在初始化軟件中清除它 因?yàn)檫@是它的重置默認(rèn)設(shè)置。但是，為清楚起見(jiàn)，示例中包含了清除兩個(gè)端口的此位的說(shuō)明。由于SMOD位不是“位可尋址”的，因此必須寫(xiě)入整個(gè)PCON寄存器。示例代碼顯示了使用單個(gè)邏輯指令清除和設(shè)置 SMOD 位的指令。程序中未使用的指令被注釋掉。

在該示例中，初始化定時(shí)器模式，加載計(jì)數(shù)和重新加載寄存器，清除兩個(gè)SMOD位，并禁用定時(shí)器中斷。這完全配置了波特時(shí)鐘生成。將兩個(gè)串行控制寄存器設(shè)置為所需模式后，定時(shí)器啟動(dòng)，串行通信開(kāi)始。

此示例處理串行通信的方式與前面的示例所示不同。此示例使用輪詢(xún)模式來(lái)監(jiān)視串行狀態(tài)。由于此示例的操作更加結(jié)構(gòu)化，因此這種輪詢(xún)方法是合適的。傳輸字符的基本函數(shù)是 GETCH 和 PUTCH。這兩個(gè)函數(shù)都執(zhí)行一個(gè)緊密循環(huán)，等待設(shè)置適當(dāng)?shù)臉?biāo)志。當(dāng)它出現(xiàn)時(shí)，程序?qū)⒗^續(xù)。這通常被認(rèn)為是浪費(fèi)時(shí)間，但在此應(yīng)用程序和其他類(lèi)似應(yīng)用程序中，輪詢(xún)操作是有意義的。

地址識(shí)別示例

本例演示了高速微型串行通道的地址識(shí)別功能。此外，它還說(shuō)明了一種不涉及使用定時(shí)器（即 串行模式 2）。

高速微型的地址識(shí)別功能經(jīng)常用于多處理器通信?？偩€上的每個(gè)處理器都可以分配一個(gè)唯一的地址。配置后，處理器將無(wú)法識(shí)別任何串行通信，除非其地址匹配。有關(guān)此工作模式的完整詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱《高速微控制器用戶(hù)指南》。

在此示例中，地址設(shè)置為識(shí)別控件 C 字符 （03h）。在控件 C 之前接收的任何字符都將被忽略。但是，當(dāng)收到控件 C 時(shí)，會(huì)立即打印一個(gè)字符串， 在 RXD0 上收到的后續(xù)字符將回顯到 TXD0。

如前所述，圖示的產(chǎn)生波特率的模式不涉及定時(shí)器（即串行模式2）。波特率可選，如下式所示：

從等式中可以看出，如果需要特定的波特率，則這種串行模式的晶體頻率選擇比其他模式受到更多的限制。事實(shí)上，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)波特率的晶體頻率相對(duì)較少。在本例中，假設(shè)振蕩器頻率為 7.372 MHz，這將導(dǎo)致速率為 115，200 波特，SMOD 清除為 0?？吹?12.0 MHz 的振蕩器將產(chǎn)生 187，500 波特的速率，SMOD 清除為 0 是很常見(jiàn)的。

審核編輯：郭婷