51單片機(jī)串口通信原理與應(yīng)用

　　本文我們主要講單片機(jī)上串口的工作原理和如何通過程序來對(duì)串口進(jìn)行設(shè)置，以及根據(jù)所給出的實(shí)例實(shí)現(xiàn)與PC 機(jī)通信。

　　一、原理簡介

　　51 單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)全雙工串行接口。什么叫全雙工串口呢？一般來說，只能接受或只能發(fā)送的稱為單工串行;既可接收又可發(fā)送，但不能同時(shí)進(jìn)行的稱為半雙工;能同時(shí)接收和發(fā)送的串行口稱為全雙工串行口。串行通信是指數(shù)據(jù)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，可大大降低硬件成本，適合遠(yuǎn)距離通信。其缺點(diǎn)是傳輸速度較低。

　　與之前一樣，首先我們來了解單片機(jī)串口相關(guān)的寄存器。

　　SBUF 寄存器：它是兩個(gè)在物理上獨(dú)立的接收、發(fā)送緩沖器，可同時(shí)發(fā)送、接收數(shù)據(jù)，可通過指令對(duì)SBUF 的讀寫來區(qū)別是對(duì)接收緩沖器的操作還是對(duì)發(fā)送緩沖器的操作。從而控制外部兩條獨(dú)立的收發(fā)信號(hào)線RXD（P3.0）、TXD（P3.1），同時(shí)發(fā)送、接收數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)全雙工。

　　串行口控制寄存器SCON（見表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(jī)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(shù)。

　　SM2 ：多機(jī)通信控制位。 該僅用于方式2 和方式3 的多機(jī)通信。其中發(fā)送機(jī)SM2 = 1（需要程序控制設(shè)置）。接收機(jī)的串行口工作于方式2 或3，SM2=1 時(shí)，只有當(dāng)接收到第9 位數(shù)據(jù)（RB8）為1 時(shí)，才把接收到的前8 位數(shù)據(jù)送入SBUF，且置位RI 發(fā)出中斷申請(qǐng)引發(fā)串行接收中斷，否則會(huì)將接受到的數(shù)據(jù)放棄。當(dāng)SM2=0 時(shí)，就不管第位數(shù)據(jù)是0 還是1，都將數(shù)據(jù)送入SBUF，并置位RI 發(fā)出中斷申請(qǐng)。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(jī)要發(fā)送的第9 位數(shù)據(jù)。在多機(jī)通信中它代表傳輸?shù)牡刂坊驍?shù)據(jù)，TB8=0 為數(shù)據(jù)，TB8=1 時(shí)為地址。

　　RB8 ：在方式2、3 中，RB8 是接收機(jī)接收到的第9 位數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)正好來自發(fā)送機(jī)的TB8，從而識(shí)別接收到的數(shù)據(jù)特征。

　　TI ：串行口發(fā)送中斷請(qǐng)求標(biāo)志。當(dāng)CPU 發(fā)送完一串行數(shù)據(jù)后，此時(shí)SBUF 寄存器為空，硬件使TI 置1，請(qǐng)求中斷。CPU 響應(yīng)中斷后，由軟件對(duì)TI 清零。

　　RI ：串行口接收中斷請(qǐng)求標(biāo)志。當(dāng)串行口接收完一幀串行數(shù)據(jù)時(shí)，此時(shí)SBUF 寄存器為滿，硬件使RI 置1，請(qǐng)求中斷。CPU 響應(yīng)中斷后，用軟件對(duì)RI 清零。

　　電源控制寄存器PCON（見表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(dāng)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(biāo)志位。

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

　　IDL（PCON.0） ：待機(jī)方式位。當(dāng)IDL=1 時(shí)，進(jìn)入待機(jī)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)器寄存器用來設(shè)定波特率。中斷允許寄存器IE 中的ES 位也用來作為串行I/O 中斷允許位。當(dāng)ES = 1，允許 串行I/O 中斷;當(dāng)ES = 0，禁止串行I/O 中斷。中斷優(yōu)先級(jí)寄存器IP的PS 位則用作串行I/O 中斷優(yōu)先級(jí)控制位。當(dāng)PS=1，設(shè)定為高優(yōu)先級(jí);當(dāng)PS =0，設(shè)定為低優(yōu)先級(jí)。

　　波特率計(jì)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(jié)論：

　?、?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(dāng)SMOD=0 時(shí)，波特率為fosc/64 ;當(dāng)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(dāng)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(jì)數(shù)結(jié)構(gòu)為8 位，假定計(jì)數(shù)初值為Count，單片機(jī)的機(jī)器周期為T，則定時(shí)時(shí)間為（256 ？Count）×T 。從而在1s內(nèi)發(fā)生溢出的次數(shù)（即溢出率）可由公式（1）所示：

　　從而波特率的計(jì)算公式由公式（2）所示：

　　在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，通常是先確定波特率，后根據(jù)波特率求T1 定時(shí)初值，因此式（2）又可寫為：

　　二、電路詳解

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　　圖1 串行通信實(shí)驗(yàn)電路圖

　　下面就對(duì)圖1 所示電路進(jìn)行詳細(xì)說明。

　　最小系統(tǒng)部分（時(shí)鐘電路、復(fù)位電路等）第一講已經(jīng)講過，在此不再敘述。我們重點(diǎn)來了解下與計(jì)算機(jī)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，那它是用來實(shí)現(xiàn)什么的呢？首先我們要知道計(jì)算機(jī)上的串口是具有RS-232 標(biāo)準(zhǔn)的串行接口，而RS-232 的標(biāo)準(zhǔn)中定義了其電氣特性：高電平“1”信號(hào)電壓的范圍為-15V~-3V，低電平“0”。