MCS-51 单片机的串行通信（RS-232/UART）

主要内容：串行口的结构、串行口的4 种工作方式、多机通信、波特率的制定方法、串行口的应用。

MCS-51单片机内部有一个全双工的异步串行口。

全双工：双机通信之间可以同时实现发送数据和接收数据。

异步：收发双方没有应用同一时钟来控制数据传送。传送的数据是以一帧一帧格式进行的。

串行通信（英语：Serial communication）是指在计算机总线或其他数据通道上，每次传输一个位元数据，并连续进行以上单次过程的通信方式。与之对应的是并行通信，它在串行端口上通过一次同时传输若干位元数据的方式进行通信。

简言之：串行通讯就是排成一队走，并行就是排成一列走。

同步串行通信（Synchronous serial communication）和异步串行通信（Asynchronous serial communication）

1）发送端在发送串行数据的同时，提供一个时钟信号，并按照一定的约定（例如在时钟信号的上升沿的时候，将数据发送出去）发送数据，接收端根据发送端提供的时钟信号，以及大家的约定，接收数据。这就是常说的同步串行通信（Synchronous serial communication），I2C、SPI等有时钟信号的协议，都属于这种通信方式。

2）发送端在数据发送之前和之后，通过特定形式的信号（例如START信号和STOP信号），告诉接收端，可以开始（或者停止）接收数据了。与此同时，收发两方会约定一个数据发送的速度（就是大名鼎鼎的波特率），发送端在发送START信号之后，就按照固定的节奏发送串行数据，与此同时，接收端在收到START信号之后，也按照固定的节奏接收串行数据。这就是常说的异步串行通信（Asynchronous serial communication）。

串行异步通信是单片机中常用的方式：

 数据按帧传输，一包含 数据按帧传输，一包含 起始位 、数据校验和停止。依靠 起始位 、停止保持通信同步。因每帧传输都要建立一次同步 ，即需要额外两个附加位适用于工作速度较低的场合。

串行口的接口及基本原理：

该单片机串行接口是一个可编程的全双工串行通信接口。它可用作异步通信方式（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信协议进行全双工的8051多机系统也能通过同步方式，使用TTL或CMOS移位寄存器来扩充I/O口。通过管脚RXD（P3.0，串行数据接收端）和管脚TXD（P3.1，串行数据发送端）与外界通信。

两个物理上独立地接收和发送缓冲器，可同时收、发数据（全双工）。两个缓冲区公用一个特殊功能寄存器字节地址：SBUF（99H），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。

控制寄存器共两个：特殊功能寄存器SCON（控制寄存器）和PCON（状态寄存器）。

串行口控制寄存器SCON ：字节地址98H，可位寻址，格式如图所示

（1）SM0、SM1——串行口4种工作方式的选择位

SM0 SM1 方式 功 能 说 明

0 0 0 同步移位寄存器方式（用于扩展I/O口）

0 1 1 8位异步收发，波特率可变（由定时器控制）

1 0 2 9位异步收发，波特率为fosc/64或fosc/32

1 1 3 9位异步收发，波特率可变（由定时器控制）

表1 串行口的4种工作方式

其中fosc为晶体震荡器频率

SM2：多机通信控制位。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，或在多机通信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，用软件查询的办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，可用查询的办法获知或者用中断的办法获知。RI也必须用软件清0。

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。

波特率 ：每秒钟传送码元数目，单位波特（ Baud ） （ 位／秒（ bps ）

假设波特率为： 1200b ／s

每一位代码的传送时间 Td （码元宽度 ）为波特率的倒数。

Td ＝1b ／（ 1200bs）＝ 0.833ms

而每个字符格式包含 10 个代码位（ 1个起始位、 1个终止位、 8个数据位），传送一字节需要 8.33ms 。

传送距离随波特率增加而减少

波特率制定方法：

• 收、发双方的波特率必须一致。

• 串口方式0和方式2的波特率是固定的；

• 串口方式1和方式3的波特率是可变的，由T1溢出率确定。

串口各种工作方式下波特率的计算

1. 方式0时，波特率固定为时钟频率fosc的1/12。

2. 方式2时，波特率仅与SMOD位的值有关。

2 定时器T1产生波特率的计算

（1）方式0波特率=时钟频率fosc×1/12，不受SMOD位的值的影响。若fosc=12MHz，波特率为fosc/12即1Mb/s。

（2）方式2波特率=（2^SMOD/64）×fosc

若fosc=12MHz: SMOD=0 波特率=187.5kb/s； SMOD=1 波特率=375kb/s

（3）方式1或方式3时，波特率为：

波特率=（2^SMOD/64）×T1的溢出率

实际设定波特率时，T1常设置为方式2定时（自动装初值）这种方式不仅操作方便，也可避免因软件重装初值而带来的定时误差。

由上式可见，波特率随fosc、SMOD和初值X而变化。

帧格式：

起始位（１位）---低电平；

数据位（８位）；

奇偶校验位（１位，可无校验位）；

停止位（１位）---高电平。

空闲位

串行口的四种工作方式：

1、工作方式0

工作方式0由SCON寄存器SM0SM1都为低电平决定，用于移位寄存器，I/O口扩展应用。一帧信息包括8位数据位、低位在前，高位在后。波特率固定为fosc/12。

发送：TI=0时，执行MOV SBUF,A将数据写入发送缓冲寄存器，并启动发送。TXD端输出移位脉冲，串行口把SBUF中数据依次从低到高从RXD读出。一帧数据发送完毕，硬件自动将RI发送中断标志位置1，若再次发送需要用指令CLR TI清零。

MOV SBUF,A;启动发送

JNB TI,$;若TI=0则该指令原地踏步等待发送完毕

CLR TI；请0，清发送中断标志位

接收：在RI=0,REN=1时，开始串行接收数据，TXD输出移位脉冲。将数据以固定波特率接收到SBUF中去，一帧数据接收完毕后，硬件自动将RI置1，若再接收数据需要用MOV A,SBUF读出数据，然后用指令将RI清零。

JNB RI,$;RI=0则软件原地踏步，等待接收

CLR RI;清接收中断标志位

MOV A,SBUF；将接收数据送入累加器A中

2、工作方式1

一帧信息包括起始位、8位数据位、停止位共10位，低位在前，高位在后。波特率可变，由定时器/计数器T1的输出率和SMOD（PCON.7）决定。

基本的接收发送指令与方式0同，但是：

（1）当SM2=0时，将接收的数据送入SBUF中，停止位送入RB8中，并置中断标志位RI=1.

（2）当SM2=1时，接收停止位=1，将接收的数据送入SBUF并且停止位送入RB8，并置RI=1，否则丢弃接收到的数据。再次接收前需要将RI清0。

波特率计算方法：波特率=（2^SMOD/32）*定时器T1的溢出率

溢出率：定时器在1S内产生溢出的次数。

定时器的溢出率与定时器的工作模式有关，可以改变TMOD寄存器T1方式字段中的M1M0两位。T1定时器工作在方式2时，作为8位定时器自动重载功能。

3、方式2

9位异步通信接口。每帧数据均为11位，1位起始位0，8位数据位（先低位），1位可程控的第9位数据和1位停止位。

方式2波特率= （2^SMOD/64）×fosc

发送前，先根据通讯协议由软件设置TB8（例如，双机通讯时的奇偶校验位或多机通讯时的地址/数据的标志位）。

SM0、SM1=10，且REN=1。数据由RXD端输入，接收11位信息。当位检测到RXD从1到0的负跳变，并判断起始位有效后，开始收一帧信息。在接收器完第9位数据后，需满足两个条件，才能将接收到的数据送入SBUF。

（1）RI=0，意味着接收缓冲器为空。

（2）SM2=0或接收到的第9位数据位RB8=1时。

当上述两个条件满足时，接收到的数据送入SBUF（接收缓冲器），第9位数据送入RB8，并置“1”RI。若不满足两个条件，接收的信息将被丢弃。

4、方式3

SM0、SM1=11，串口为方式3。波特率可变的9位异步通讯方式，除波特率外，方式3和方式2相同。

多机通信（主动式结构）

要保证主机与所选择的从机实现可靠地通信，必须保证串口具有识别功能。

SCON中的SM2位就是满足这一条件而设置的多机通信控制位。

原理：在串行口以方式2（或方式3）接收时，若SM2=1，表示置多机通信功能位，这时有两种可能：

（1）接收到的第9位数据为1时，数据才装入SBUF，并置中断标志RI=1向CPU发出中断请求；

（2）接收到的第9位数据为0时，则不产生中断标志，信息将抛弃。

主机发送信息两类：一类是地址，用来需要和主机通信的从机，特征是串行发送的第9位数据TB8为1；另一种是数据，串行传送的第9位数据TB8=0.

主从机通信的过程如下：

1）使所有的从机工作方式2或3，且SM2=1，REN=1，以便主机发送地址信息，从机接收地址帧信息。

2）主机发送要寻址的从机的地址信息，其中包括8位需要与之通信的从机地址，第9位TB8=1.

3）所有从机接收到地址信息，置RI=1.

4）各从机进行地址比较，对于接收到的地址和自己的地址相同的从机，使SM2=0，准备接收主机随后发来的数据，对于地址不符合的从机，仍保持SM2=1的状态，对主机随后的数据不予理睬，直至发现新的地址帧。

备注：补充RS485差分传输特性，所谓差分传输，就是发送端在两条信号线上传输幅值相等相位相反的电信号，接收端对接受的两条线信号作减法运算，这样获得幅值翻倍的信号。

特点：从严格意义上来讲，所有电压信号都是差分的，因为一个电压只能是相对于另一个电压而言的。在某些系统里，"系统地"被用作电压基准点。当'地'当作电压测量基准时，这种信号规划被称之为单端的。我们使用该术语是因为信号是用单个导体上的电压来表示的。 另一方面，一个差分信号作用在两个导体上。信号值是两个导体间的电压差。尽管不是非常必要，这两个电压的平均值还是会经常保持一致。

可以想象，这两个导体上被同时加入的一个相等的电压，也就是所谓共模信号，对一个差分放大系统来说是没有作用的，也就是说，尽管一个差分放大器的输入有效信号幅度只需要几毫伏，但它却可以对一个高达几伏特的共模信号无动于衷。这个指标叫做差分放大器的共模抑制比（CMRR），一般的运算放大器可以达到90db以上，高精度运放甚至达到120db。因为干扰信号一般是以共模信号的形式存在，所以差分信号的应用极大地提高了放大器系统的信噪比。

单端传输就是对与地而言的。

例：基本设置指令如下。