51單片機(jī)的串行通信口原理解析

MCS-51單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)全雙工的串行通信口，即串行接收和發(fā)送緩沖器（SBUF），這兩個(gè)在物理上獨(dú)立的接收發(fā)送器，既可以接收數(shù)據(jù)也可以發(fā)送數(shù)據(jù)。但接收緩沖器只能讀出不能寫(xiě)入，而發(fā)送緩沖器則只能寫(xiě)入不能讀出，它們的地址為99H。這個(gè)通信口既可以用于網(wǎng)絡(luò)通信，亦可實(shí)現(xiàn)串行異步通信，還可以構(gòu)成同步移位寄存器使用。如果在傳行口的輸入輸出引腳上加上電平轉(zhuǎn)換器，就可方便地構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)的RS-232接口。下面我們分別介紹。

［1］。 基本概念

數(shù)據(jù)通信的傳輸方式

常用于數(shù)據(jù)通信的傳輸方式有單工、半雙工、全雙工和多工方式。

單工方式：數(shù)據(jù)僅按一個(gè)固定方向傳送。因而這種傳輸方式的用途有限，常用于串行口的打印數(shù)據(jù)傳輸與簡(jiǎn)單系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)采集。

半雙工方式：數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)雙向傳送，但不能同時(shí)進(jìn)行，實(shí)際的應(yīng)用采用某種協(xié)議實(shí)現(xiàn)收/發(fā)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換。

全雙工方式：允許雙方同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)雙向傳送，但一般全雙工傳輸方式的線路和設(shè)備較復(fù)雜。

多工方式：以上三種傳輸方式都是用同一線路傳輸一種頻率信號(hào)，為了充分地利用線路資源，可通過(guò)使用多路復(fù)用器或多路集線器，采用頻分、時(shí)分或碼分復(fù)用技術(shù)，即可實(shí)現(xiàn)在同一線路上資源共享功能，我們盛之為多工傳輸方式。

串行數(shù)據(jù)通信兩種形式

異步通信

在這種通信方式中，接收器和發(fā)送器有各自的時(shí)鐘，它們的工作是非同步的，異步通信用一幀來(lái)表示一個(gè)字符，其內(nèi)容如下：一個(gè)起始位，僅接著是若干個(gè)數(shù)據(jù)位，圖2是傳輸45H的數(shù)據(jù)格式。

同步通信

同步通信格式中，發(fā)送器和接收器由同一個(gè)時(shí)鐘源控制，為了克服在異步通信中，每傳輸一幀字符都必須加上起始位和停止位，占用了傳輸時(shí)間，在要求傳送數(shù)據(jù)量較大的場(chǎng)合，速度就慢得多。同步傳輸方式去掉了這些起始位和停止位，只在傳輸數(shù)據(jù)塊時(shí)先送出一個(gè)同步頭（字符）標(biāo)志即可。

同步傳輸方式比異步傳輸方式速度快，這是它的優(yōu)勢(shì)。但同步傳輸方式也有其缺點(diǎn)，即它必須要用一個(gè)時(shí)鐘來(lái)協(xié)調(diào)收發(fā)器的工作，所以它的設(shè)備也較復(fù)雜。

串行數(shù)據(jù)通信的傳輸速率

串行數(shù)據(jù)傳輸速率有兩個(gè)概念，即每秒轉(zhuǎn)送的位數(shù)bps（Bit per second）和每秒符號(hào)數(shù)—波特率（Band rate），在具有調(diào)制解調(diào)器的通信中，波特率與調(diào)制速率有關(guān)。

［2］。 MCS-51的串行口和控制寄存器

串行口控制寄存器

MCS-51單片機(jī)串行口寄存器結(jié)構(gòu)如圖3所示。SBUF為串行口的收發(fā)緩沖器，它是一個(gè)可尋址的專(zhuān)用寄存器，其中包含了接收器和發(fā)送器寄存器，可以實(shí)現(xiàn)全雙工通信。但這兩個(gè)寄存器具有同一地址（99H）。MCS-51的串行數(shù)據(jù)傳輸很簡(jiǎn)單，只要向發(fā)送緩沖器寫(xiě)入數(shù)據(jù)即可發(fā)送數(shù)據(jù)。而從接收緩沖器讀出數(shù)據(jù)即可接收數(shù)據(jù)。

此外，從圖中可看出，接收緩沖器前還加上一級(jí)輸入移位寄存器，MCS-51這種結(jié)構(gòu)目的在于接收數(shù)據(jù)時(shí)避免發(fā)生數(shù)據(jù)幀重疊現(xiàn)象，以免出錯(cuò)，部分文獻(xiàn)稱(chēng)這種結(jié)構(gòu)為雙緩沖器結(jié)構(gòu)。而發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)就不需要這樣設(shè)置，因?yàn)榘l(fā)送時(shí)，CPU是主動(dòng)的，不可能出現(xiàn)這種現(xiàn)象。

串行通信控制寄存器

在上一節(jié)我們已經(jīng)分析了SCON控制寄存器，它是一個(gè)可尋址的專(zhuān)用寄存器，用于串行數(shù)據(jù)的通信控制，單元地址是98H，其結(jié)構(gòu)格式如下：

表1 SCON寄存器結(jié)構(gòu)

SCOND7D6D5D4D3D2D1D0

SM0SM1SM2RENTB8RB8TIRI

位地址9FH9EH8DH9CH9BH9AH99H98H

下面我們對(duì)各控制位功能介紹如下：

（1）.SM0、SM1：串行口工作方式控制位。

SM0，SM1 工作方式

00 方式0

01 方式1

10 方式2

11 方式3

（2）.SM2：多機(jī)通信控制位。

多機(jī)通信是工作于方式2和方式3，SM2位主要用于方式2和方式3。接收狀態(tài)，當(dāng)串行口工作于方式2或3，以及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)，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，都難得數(shù)據(jù)送入SBUF，并發(fā)出中斷申請(qǐng)。

工作于方式0時(shí)，SM2必須為0。

（3）.REN：允許接收位。

REN用于控制數(shù)據(jù)接收的允許和禁止，REN=1時(shí)，允許接收，REN=0時(shí)，禁止接收。

（4）.TB8：發(fā)送接收數(shù)據(jù)位8。

在方式2和方式3中，TB8是要發(fā)送的——即第9位數(shù)據(jù)位。在多機(jī)通信中同樣亦要傳輸這一位，并且它代表傳輸?shù)牡刂愤€是數(shù)據(jù)，TB8=0為數(shù)據(jù)，TB8=1時(shí)為地址。

（5）.RB8：接收數(shù)據(jù)位8。

在方式2和方式3中，RB8存放接收到的第9位數(shù)據(jù)，用以識(shí)別接收到的數(shù)據(jù)特征。

（6）.TI：發(fā)送中斷標(biāo)志位。

可尋址標(biāo)志位。方式0時(shí)，發(fā)送完第8位數(shù)據(jù)后，由硬件置位，其它方式下，在發(fā)送或停止位之前由硬件置位，因此，TI=1表示幀發(fā)送結(jié)束，TI可由軟件清“0”。

（7）.RI：接收中斷標(biāo)志位。

可尋址標(biāo)志位。接收完第8位數(shù)據(jù)后，該位由硬件置位，在其他工作方式下，該位由硬件置位，RI=1表示幀接收完成。

電源管理寄存器PCON

PCON主要是為CHMOS型單片機(jī)的電源控制而設(shè)置的專(zhuān)用寄存器，單元地址是87H，其結(jié)構(gòu)格式如下：

表2 PCON電源管理寄存器結(jié)構(gòu)

PCOND7D6D5D4D3D2D1D0

位符號(hào)SMOD---GF1GF0PDIDL

在CHMOS型單片機(jī)中，除SMOD位外，其他位均為虛設(shè)的，SMOD是串行口波特率倍增位，當(dāng)SMOD=1時(shí)，串行口波特率加倍。系統(tǒng)復(fù)位默認(rèn)為SMOD=0。

中斷允許寄存器IE

中斷允許寄存器在前一節(jié)中已闡述，這里重述一下對(duì)串行口有影響的位ES。ES為串行中斷允許控制位，ES=1允許串行中斷，ES=0，禁止串行中斷。

表3 IE中斷允許控制寄存器結(jié)構(gòu)

位符號(hào)EA--ESET1EX1ET0EX0

位地址AFHAEHADHACHABHAAHA9HA8H