原创 单片机串口理解

串行接口<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

8051单片机的通讯方式有两种：

并行通讯:数据的各位同时发送或接收。

串行通讯:数据一位一位顺序发送或接收。参看下图：

<?xml:namespace prefix = v ns = "urn:schemas-microsoft-com:vml" /> 

串行通讯的方式：

1. 
   
2. 异步通讯：它用一个起始位表示字符的开始，用停止位表示字符的结束。其每帧的格式如下：

在一帧格式中，先是一个起始位0，然后是8个数据位，规定低位在前，高位在后，接下来是奇偶校验位（可以省略），最后是停止位1。用这种格式表示字符，则字符可以一个接一个地传送。

在异步通讯中，CPU与外设之间必须有两项规定，即字符格式和波特率。字符格式的规定是双方能够在对同一种0和1的串理解成同一种意义。原则上字符格式可以由通讯的双方自由制定，但从通用、方便的角度出发，一般还是使用一些标准为好，如采用ASCII标准。

波特率即数据传送的速率，其定义是每秒钟传送的二进制数的位数。例如，数据传送的速率是120字符/s，而每个字符如上述规定包含10数位，则传送波特率为1200波特。

2. 
   
3. 同步通讯：在异步通讯中，每个字符要用起始位和停止位作为字符开始和结束的标志，占用了时间；所以在数据块传递时，为了提高速度，常去掉这些标志，采用同步传送。由于数据块传递开始要用同步字符来指示，同时要求由时钟来实现发送端与接收端之间的同步，故硬件较复杂。

3. 
   
4. 通讯方向：在串行通讯中，把通讯接口只能发送或接收的单向传送方法叫单工传送；而把数据在甲乙两机之间的双向传递，称之为双工传送。在双工传送方式中又分为半双工传送和全双工传送。半双工传送是两机之间不能同时进行发送和接收，任一时该，只能发或者只能收信息。

8051单片机的串行接口结构

8051串行接口是一个可编程的全双工串行通讯接口。它可用作异步通讯方式（UART），与串行传送信息的外部设备相连接，或用于通过标准异步通讯协议进行全双工的8051多机系统也可以通过同步方式，使用TTL或CMOS移位寄存器来扩充I/O口。

8051单片机通过引脚RXD（P3.0，串行数据接收端）和引脚TXD（P3.1，串行数据发送端）与外界通讯。SBUF是串行口缓冲寄存器，包括发送寄存器和接收寄存器。它们有相同名字和地址空间，但不会出现冲突，因为它们两个一个只能被CPU读出数据，一个只能被CPU写入数据。

串行口控制寄存器SCON

它用于定义串行口的工作方式及实施接收和发送控制。字节地址为98H，其各位定义如下表：

SM0、SM1：串行口工作方式选择位，其定义如下：

其中fosc为晶振频率

SM2：多机通讯控制位。在方式0时，SM2一定要等于0。在方式1中，当（SM2）=1则只有接收到有效停止位时，RI才置1。在方式2或方式3当（SM2）=1且接收到的第九位数据RB8=0时，RI才置1。

REN：接收允许控制位。由软件置位以允许接收，又由软件清0来禁止接收。

TB8: 是要发送数据的第9位。在方式2或方式3中，要发送的第9位数据，根据需要由软件置1或清0。例如，可约定作为奇偶校验位，或在多机通讯中作为区别地址帧或数据帧的标志位。

RB8：接收到的数据的第9位。在方式0中不使用RB8。在方式1中，若（SM2）=0，RB8为接收到的停止位。在方式2或方式3中，RB8为接收到的第9位数据。

TI： 发送中断标志。在方式0中，第8位发送结束时，由硬件置位。在其它方式的发送停止位前，由硬件置位。TI置位既表示一帧信息发送结束，同时也是申请中断，可根据需要，用软件查询的方法获得数据已发送完毕的信息，或用中断的方式来发送下一个数据。TI必须用软件清0。

RI： 接收中断标志位。在方式0，当接收完第8位数据后，由硬件置位。在其它方式中，在接收到停止位的中间时刻由硬件置位（例外情况见于SM2的说明）。RI置位表示一帧数据接收完毕，可用查询的方法获知或者用中断的方法获知。RI也必须用软件清0。

串行口的工作方式

8051单片机的全双工串行口可编程为4种工作方式，现分述如下：

一．方式0：

方式0为移位寄存器输入/输出方式。可外接移位寄存器以扩展I/O口，也可以外接同步输入/输出设备。8位串行数据者是从RXD输入或输出，TXD用来输出同步脉冲。

1. 
   
2. 输出 串行数据从RXD引脚输出，TXD引脚输出移位脉冲。CPU将数据写入发送寄存器时，立即启动发送，将8位数据以fos/12的固定波特率从RXD输出，低位在前，高位在后。发送完一帧数据后，发送中断标志TI由硬件置位。
   
   
3. 输入 当串行口以方式0接收时，先置位允许接收控制位REN。此时，RXD为串行数据输入端，TXD仍为同步脉冲移位输出端。当（RI）=0和（REN）=1同时满足时，开始接收。当接收到第8位数据时，将数据移入接收寄存器，并由硬件置位RI。

下面两图分别是方式0扩展输出和输入的接线图。

二．方式1

方式1为波特率可变的10位异步通讯接口方式。发送或接收一帧信息，包括1个起始位0，8个数据位和1个停止位1。

1. 
   
2. 输出 当CPU执行一条指令将数据写入发送缓冲SBUF时，就启动发送。串行数据从TXD引脚输出，发送完一帧数据后，就由硬件置位TI。
   
   
3. 输入 在（REN）=1时，串行口采样RXD引脚，当采样到1至0的跳变时，确认是开始位0，就开始接收一帧数据。只有当（RI）=0且停止位为1或者（SM2）=0时，停止位才进入RB8，8位数据才能进入接收寄存器，并由硬件置位中断标志RI；否则信息丢失。所以在方式1接收时，应先用软件清零RI和SM2标志。

三．方式2

方式二为固定波特率的11位UART方式。它比方式1增加了一位可程控位1或0的第9位数据。

1. 
   
2. 输出: 发送的串行数据由TXD端输出一帧信息为11位，附加的第9位来自SCON寄存器的TB8位，用软件置位或复位。它可作为多机通讯中地址/数据信息的标志位，也可以作为数据的奇偶校验位。当CPU执行一条数据写入SUBF的指令时，就启动发送器发送。发送一帧信息后，置位中断标志TI。
   
   
3. 输入: 在（REN）=1时，串行口采样RXD引脚，当采样到1至0的跳变时，确认是开始位0，就开始接收一帧数据。在接收到附加的第9位数据后，当（RI）=0或者（SM2）=0时，第9位数据才进入RB8，8位数据才能进入接收寄存器，并由硬件置位中断标志RI；否则信息丢失。且不置位RI。再过一位时间后，不管上述条件时否满足，接收电路即行复位，并重新检测RXD上从1到0的跳变。

四．方式3

方式3为波特率可变的11位UART方式。除波特率外，其余与方式2相同。

波特率选择

如前所述，在串行通讯中，收发双方的数据传送率（波特率）要有一定的约定。在8051串行口的四种工作方式中，方式0和2的波特率是固定的，而方式1和3的波特率是可变的，由定时器T1的溢出率控制。

1. 
   
2. 方式0

方式0的波特率固定为主振频率的1/12。

2. 
   
3. 方式2

方式2的波特率由PCON中的选择位SMOD来决定，可由下式表示：

波特率=2的SMOD次方除以64再乘一个fosc，也就是当SMOD=1时，波特率为1/32fosc，当SMOD=0时，波特率为1/64fosc

3．方式1和方式3

定时器T1作为波特率发生器，其公式如下：

波特率=定时器T1溢出率

T1溢出率= T1计数率/产生溢出所需的周期数

式中T1计数率取决于它工作在定时器状态还是计数器状态。当工作于定时器状态时，T1计数率为fosc/12;当工作于计数器状态时，T1计数率为外部输入频率，此频率应小于fosc/24。产生溢出所需周期与定时器T1的工作方式、T1的预置值有关。

定时器T1工作于方式0：溢出所需周期数=8192-x

定时器T1工作于方式1：溢出所需周期数=65536-x

定时器T1工作于方式2：溢出所需周期数=256-x

因为方式2为自动重装入初值的8位定时器/计数器模式，所以用它来做波特率发生器最恰当。

当时钟频率选用11.0592MHZ时，取易获得标准的波特率，所以很多单片机系统选用这个看起来“怪”的晶振就是这个道理。

下表列出了定时器T1工作于方式2常用波特率及初值。

串行口应用编程实例

1． 串口方式0应用编程 8051单片机串行口方式0为移位寄存器方式，外接一个串入并出的移位寄存器，就可以扩展一个并行口。

例：用8051串行口外接CD4094扩展8位并行输出口，如图所示，8位并行口的各位都接一个发光二极管，要求发光管呈流水灯状态。串行口方式0的数据传送可采用中断方式，也可采用查询方式，无论哪种方式，都要借助于TI或RI标志。串行发送时，可以靠TI置位（发完一帧数据后）引起中断申请，在中断服务程序中发送下一帧数据，或者通过查询TI的状态，只要TI为0就继续查询，TI为1就结束查询，发送下一帧数据。在串行接收时，则由RI引起中断或对RI查询来确定何时接收下一帧数据。无论采用什么方式，在开始通讯之前，都要先对控制寄存器SCON进行初始化。在方式0中将，将00H送SCON就可以了。

ORG 2000H

START: MOV SCON,#00H ;置串行口工作方式0

MOV A,#80H ;最高位灯先亮

CLR P1.0 ;关闭并行输出（避象传输过程中，各LED的"暗红"现象）

OUT0: MOV SBUF,A ;开始串行输出

OUT1: JNB TI,OUT1 ;输出完否

CLR TI ;完了，清TI标志，以备下次发送

SETB P1.0 ;打开并行口输出

ACALL DELAY ;延时一段时间

RR A ;循环右移

CLR P1.0 ;关闭并行输出

JMP OUT0 ;循环

说明：DELAY延时子程序可以用前面我们讲P1口流水灯时用的延时子程序，这里就不给出了。

二、异步通讯

org 0000H

AJMP START

ORG 30H

START:

mov SP,#5fh ;

mov TMOD,#20h ;T1: 工作模式2

mov PCON,#80h ;SMOD=1

mov TH1,#0FDH ;初始化波特率（参见表）

mov SCON,#50h ;Standard UART settings

MOV R0,#0AAH ;准备送出的数

SETB REN ;允许接收

SETB TR1 ;T1开始工作

WAIT:

MOV A,R0

CPL A

MOV R0,A

MOV SBUF,A

LCALL DELAY

JBC TI,WAIT1 ;如果TI等于1，则清TI并转WAIT1

AJMP WAIT

WAIT1: JBC RI,READ ;如果RI等于1，则清RI并转READ

AJMP WAIT1

READ:

MOV A,SBUF ;将取得的数送P1口

MOV P1,A

LJMP WAIT

DELAY: ;延时子程序

MOV R7,#0ffH

DJNZ R7,$

RET

END

将程序编译通过，写入芯片，插入实验板，用通读电缆将实验板与主机的串口相连就可以实验了。上面的程序功能很简单，就是每隔一段时间向主机轮流送数55H和AAH，并把主机送去的数送到P1口。可以在PC端用串口精灵来做实验。串口精灵在我主页上有下载。运行串口精灵后，按主界面上的“设置参数”按钮进入“设置参数”对话框，按下面的参数进行设置。注意，我的机器上用的是串口2，如果你不是串口2，请自行更改串口的设置。

设置完后，按确定返回主界面，注意右边有一个下拉列表，应当选中“按16进制”。然后按“开始发送”、“开始接收”就可以了。按此设置，实验板上应当有两只灯亮，6只灯灭。大家可以自行更改设置参数中的发送字符如55，00，FF等等，观察灯的亮灭，并分析原因，也可以在主界面上更改下拉列表中的“按16进制”为“按10进制”或“按ASCII字符”来观察现象，并仔细分析。这对于大家理解16进制、10进制、ASCII字符也是很有好处的。程序本身很简单，又有注释，这里就不详加说明了。

三、上述程序的中断版本

org 0000H

AJMP START

org 0023h

AJMP SERIAL ;

ORG 30H

START:

mov SP,#5fh ;

mov TMOD,#20h ;T1: 工作模式2

mov PCON,#80h ;SMOD=1

mov TH1,#0FDH ;初始化波特率（参见表）

mov SCON,#50h ;Standard UART settings

MOV R0,#0AAH ;准备送出的数

SETB REN ;允许接收

SETB TR1 ;T1开始工作

SETB EA ;开总中断

SETB ES ;开串口中断

SJMP $

SERIAL:

MOV A,SBUF

MOV P1,A

CLR RI

RETI

END

本程序没有写入发送程序，大家可以自行添加。