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1、串行通讯及其接口 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望 按数据的传送方向,串行通信可分为:单工、双工、半双工按数据的传送方向,串行通信可分为:单工、双工、半双工3种形式。种形式。6-1-2 串行通信的数据通路形式串行通信的数据通路形式AB单工通信单工通信AB双工通信双工通信半双工通信半双工通信 A B 多机通信多机通信 主站主站从站从站1从站从站2从站从站N站站1站站B站站Na.异步通信异步通信 在异步通信中,没有统一的时钟信号,各设备使用自己的时钟信号
2、在异步通信中,没有统一的时钟信号,各设备使用自己的时钟信号,各设备时钟必须在频率上保证一致(误差允许范围很小),每个传送字各设备时钟必须在频率上保证一致(误差允许范围很小),每个传送字节必须用其始位来同步时钟,用节必须用其始位来同步时钟,用12个停止位来表示传送字节的结束。由个停止位来表示传送字节的结束。由起始位、数据位、奇偶校验位和停止位起始位、数据位、奇偶校验位和停止位等等 4 部分组成的串行数据称为部分组成的串行数据称为字字符帧符帧(Character Frame)也叫也叫数据帧数据帧。异步通信的优点异步通信的优点是不需要传送同步时钟,字符帧长度不受限制,是不需要传送同步时钟,字符帧长度
3、不受限制,故设备简单。故设备简单。缺点缺点是字符帧中因包含起始位和停止位而降低了有效数据的是字符帧中因包含起始位和停止位而降低了有效数据的传输速率。传输速率。D0PD1D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3起始位起始位空闲位空闲位停止位停止位 异步串行通信的异步串行通信的字符帧格式字符帧格式6-1-3 串行通信格式串行通信格式 按照串行数据的时钟控制方式,串行通信可分为同步通信和异步通信。按照串行数据的时钟控制方式,串行通信可分为同步通信和异步通信。起始位检测起始位检测 异步通信中,每秒钟传送二进制数码的位数为异步通信中,每秒钟传送二进制数码的位数为波特率波特率(Baud Rate),单位为
4、单位为 bpsbps。异步串行通信的收发设备,必须使用相同的波特率。异步串行通信的收发设备,必须使用相同的波特率。异步通信设备,都具有自己的波特率时钟发生器,其时钟频率一般异步通信设备,都具有自己的波特率时钟发生器,其时钟频率一般为波特率的为波特率的1616倍,在检测到起始时位跳变时,接收方同步其接收时钟,倍,在检测到起始时位跳变时,接收方同步其接收时钟,然后,间隔然后,间隔2424个时钟,检测第一个数据位,以后每间隔个时钟,检测第一个数据位,以后每间隔1616个时钟检测一个时钟检测一位,直到停止位,位,直到停止位,1 1帧数据结束。帧数据结束。用起始位同步接受时钟,消除了时钟误差的累积,降低
5、了对收发时用起始位同步接受时钟,消除了时钟误差的累积,降低了对收发时钟频率的一致性要求,一般,时钟误差钟频率的一致性要求,一般,时钟误差3%3%即可。即可。发送发送时钟时钟接收接收时钟时钟数据数据读取第读取第1 1个数据位个数据位 读取第读取第2 2个数据位个数据位 b.同步通信同步通信 在通信的设备中在通信的设备中,采用同一时钟信号采用同一时钟信号,这个时钟信号可以是其中一台这个时钟信号可以是其中一台设备产生的设备产生的,也可以采用外部时钟信号源。也可以采用外部时钟信号源。0 0 1 1 1 1 0 1 由于具有同步时钟由于具有同步时钟,传送速度快传送速度快;但若传送距离较长时但若传送距离较
6、长时,时钟信号易时钟信号易受干扰受干扰,且不经济。多用于板内芯片间的数据通信和短距离设备间的数且不经济。多用于板内芯片间的数据通信和短距离设备间的数据通信。如:据通信。如:I2C、SPI、LVDS等等 在同步通信中,除了位同步,还需要帧(字符)同步,帧同步可以在同步通信中,除了位同步,还需要帧(字符)同步,帧同步可以由单独的硬件信号实现,也可以用数据线上的同步字符来实现(非由单独的硬件信号实现,也可以用数据线上的同步字符来实现(非2进进制数据)制数据)时钟发生器时钟发生器 主器件主器件MOSI 从器件从器件MISONSSSCK1)SPI 同步串行总线标准同步串行总线标准 SPI总线采用总线采用
7、3线制全双工串行通信线制全双工串行通信。7 6 5 4 3 2 1 07 6 5 4 3 2 1 0MSBbit6bit5bit4bit3bit2bit1LSBSCKMISO/MOSINSS2)I2C 同步串行总线标准同步串行总线标准 I2C总线采用总线采用2线制全双工串行通信线制全双工串行通信。主主 站站从站从站0A2 A1 A0 0 0 00 0 11 1 1从站从站1A2 A1 A0从站从站7A2 A1 A0SDASCL6-2-1 RS232C RS232是应用最早是应用最早,最广泛的双机异步串行通信总线标准。是美国电最广泛的双机异步串行通信总线标准。是美国电子工业协会的推荐标准子工业协
8、会的推荐标准 RS=recommended standard 标准规定了数据终端设备标准规定了数据终端设备(DTE)和数据通信设备和数据通信设备(DCE)间串行通信接间串行通信接口的物理口的物理(电平电平)、信号和机械连接标准、信号和机械连接标准6-2 常用异步串行通讯接口标准常用异步串行通讯接口标准 DCE 计算机计算机DTEDCEDCEDTE 电话线电话线 Modem Modem 计算机计算机 RS232C RS232C 计算机计算机计算机计算机 TXD TXD RXD RXD GND GNDRS232C的电气标准和机械连接的电气标准和机械连接DTE插针式插针式DCE内孔式内孔式25针针D
9、B插连接器插连接器DTE插针式插针式DCE内孔式内孔式9针针DB插连接器插连接器RS232C的电气标准:的电气标准:3V15V :逻辑逻辑0 -3V-15V:逻辑逻辑150ft 9600bpsTTL/CMOS-RS232电平转换芯片:电平转换芯片:MAX232、MAX202等等RS232C接口信号定义接口信号定义引脚引脚(9针针)引脚引脚(25针针)信号信号信号源信号源类类 型型描描 述述18CDDCE控制控制载波信号检测载波信号检测23RxDDCE数据数据接收数据接收数据32TxDDTE数据数据发送数据发送数据420DTRDTE控制控制终端准备好终端准备好57GND-信号地信号地66DSRD
10、CE控制控制数据机准备好数据机准备好74RTSDTE控制控制请求发送请求发送85CTSDCE控制控制清除以便发送清除以便发送922RIDCE控制控制振铃信号振铃信号计算机间计算机间RS232C通信的常用连接方法通信的常用连接方法全握手全握手无握手无握手 计算机计算机计算机计算机 TXD TXD RXD RXD GND GNDTxDRxDRTSCTSDTRDSRCDRIGNDTxDRxDRTSCTSDTRDSRCDRIGND6-2-2 RS422 和和 RS485 平衡和非平衡线路平衡和非平衡线路非平衡线路(单端收发器)非平衡线路(单端收发器)平衡线路(差分收发器)平衡线路(差分收发器)RS42
11、2 和和 RS485 接口标准接口标准规规 格格 RS422RS485传输模式传输模式平衡平衡平衡平衡差动输出差动输出(V)2 1.5接收器敏感度接收器敏感度(V)0.2 0.2驱动器负载,最小(驱动器负载,最小()10060最大驱动器数量最大驱动器数量132最大接收器数量最大接收器数量1032最大传输速度最大传输速度 (bps)10M10M最大电缆长度最大电缆长度 90Kbps(ft)40004000最大电缆长度最大电缆长度 10Mbps(ft)5050RS422 的连接线路的连接线路 R主站主站RRS422 多采用多采用1:N的全双工连接方式的全双工连接方式从站从站1从站从站NRS485
12、的连接线路的连接线路 RRRS485多半双工的连接方式多半双工的连接方式6-3 8051 8051的串行通讯端口的串行通讯端口 6-3-1 8051串行口结构串行口结构 8051具有一个全双工的具有一个全双工的通用异步接收器通用异步接收器/发送器发送器UART(Universal Asychronous Receiver/Transmitter),接收或发送数据,是通过对两个独接收或发送数据,是通过对两个独立收发引脚立收发引脚 RXD(P3.0)、TXD(P3.1)来实现的。来实现的。CPU则通过则通过3个特殊功能个特殊功能寄存器寄存器(SBUF、SCON、PCON)来实现对来实现对UART的
13、控制。的控制。a.收发缓冲器收发缓冲器SBUF 8051的的UART,包含两个物理上独立的接收、发送寄存器,包含两个物理上独立的接收、发送寄存器SBUF,一,一个用于存放接收到的数据,另一个用于存放欲发送的数据,二者共用一个用于存放接收到的数据,另一个用于存放欲发送的数据,二者共用一个字节地址(个字节地址(99H),发送缓冲器只能写入不能读出,接收缓冲器只能读,发送缓冲器只能写入不能读出,接收缓冲器只能读出不能写入,当对出不能写入,当对SBUF进行写操作时,操作的目标是发送寄存器,当对进行写操作时,操作的目标是发送寄存器,当对SBUF进行读操作时,操作的目标是接收寄存器进行读操作时,操作的目标
14、是接收寄存器 如:如:MOVA,SBUF;A接收寄存器接收寄存器MOVSBUF,A;发送寄存器;发送寄存器 A b.电源和波特率控制寄存器电源和波特率控制寄存器 PCON(87H)SMOD1SMOD0-POF2GF1GF0PDIDLD7D6D5D4D3D2D1D0SMOD 1为波特率倍频选择位。为波特率倍频选择位。在方式在方式 1、2 和和 3 时,串行通信的波特率与时,串行通信的波特率与 SMOD 有关。有关。当当 SMOD=1 时时,通信波特率乘,通信波特率乘 2;当;当 SMOD=0 时时,通信波特率不变。,通信波特率不变。SMOD 0用于选择串口控制寄存器用于选择串口控制寄存器SCON
15、最高位的功能:最高位的功能:当当 SMOD0=0 时,时,SCON的最高位为工作方式选择(的最高位为工作方式选择(SM0););当当 SMOD0=1 时,时,SCON的最高位为帧错误标志(的最高位为帧错误标志(FE)。)。c.串行控制寄存器串行控制寄存器SCON SCON 用来控制串行口的工作方式和状态,可以位寻址,字节地址用来控制串行口的工作方式和状态,可以位寻址,字节地址为为 98H。SM0/FESM1SM2RENTB8RB8TIRID7D6D5D4D3D2D1D0SM0、SM1:串行方式选择位串行方式选择位 SM0 SM1工作方式工作方式功功 能能波波 特特 率率0 0方式方式 0 8位
16、同步移位寄存器位同步移位寄存器 fOSC/120 1方式方式 1 8位位UART 可变可变(T1或或T2溢出率溢出率/n)1 0方式方式 2 9位位UART fOSC/64 或或 fOSC/32 1 1方式方式 3 9位位UART 可变可变(T1或或T2溢出率溢出率/n)FE:帧错误标志帧错误标志。当当UART检测到停止位为检测到停止位为0时,置位时,置位FE。需软件清除。需软件清除。SM2:主主-从式多机通信控制位,用于方式从式多机通信控制位,用于方式 2 和方式和方式 3 中。中。在以方式在以方式 2 和方式和方式 3 处于处于接收方式接收方式时,时,若若 SM2=1:当接收到的第:当接收
17、到的第 9 位数据位数据 RB8为为0 时,则时,则RI=0;当接收到的第当接收到的第 9 位数据位数据 RB8为为1 时,则时,则RI=1。若若 SM2=0:不论接收到的第:不论接收到的第9位位RB8为为0还是为还是为1,RI 都以正常方式被都以正常方式被激活。激活。主主-从式多机通信:从式多机通信:在通讯开始时在通讯开始时,各从机都应置位,各从机都应置位SM2。因为主机发出的第一帧数据因为主机发出的第一帧数据是地址帧是地址帧(RB8=1),各从机都激发中断,并进入各自的中断服务程序。,各从机都激发中断,并进入各自的中断服务程序。只有地址相符的从机才在中断服务程序中使只有地址相符的从机才在中
18、断服务程序中使SM2=0,为以后接收或发送为以后接收或发送数据作准备;其他从机仍保持数据作准备;其他从机仍保持SM2=1,对数据帧不予理睬。这样就实现对数据帧不予理睬。这样就实现了主机只能与被寻址的从机实现通讯。了主机只能与被寻址的从机实现通讯。在方式在方式 1 处于接收时,若处于接收时,若 SM2=1,则只有收到有效的停止位后,则只有收到有效的停止位后,RI=1。在方式在方式 0 中,中,SM2 应为应为 0。REN:允许接收。允许接收。REN=0 时,禁止接收。由软件置位或清零。时,禁止接收。由软件置位或清零。TB8:发送数据的第发送数据的第 9 位。位。在方式在方式 2 和方式和方式 3
19、 中,由软件设置,可做奇偶校验位。中,由软件设置,可做奇偶校验位。在在多多机机通通信信中中,可可作作为为区区别别地地址址帧帧或或数数据据帧帧的的标标识识位位。一一般般约约定定地地址址帧时,帧时,TB8 为为 1,数据帧时,数据帧时,TB8 为为 0。RB8:接收数据的第接收数据的第 9 位。功能同位。功能同 TB8。TI:发送中断标志位。发送中断标志位。发送完一帧数据的标志发送完一帧数据的标志,由硬件置位,由硬件置位,软件清除,软件清除,可触发可触发CPU中断。中断。RI:接收中断标志位。接收中断标志位。接收完一帧数据的标志接收完一帧数据的标志,由硬件置位,由硬件置位,软件清除,软件清除,可触
20、发可触发CPU中断。中断。6-3-2 8051串行口的工作方式串行口的工作方式 根据根据SCON中中SM0、SM1:8051的的UART有有4中工作方式,用于不同中工作方式,用于不同场合。场合。1)方式方式0 移位寄存器方式移位寄存器方式 串行数据从串行数据从 RXD(P3.0)端输入或输出,同步移位脉冲由端输入或输出,同步移位脉冲由 TXD(P3.1)送出。送出。这种方式常用于扩展这种方式常用于扩展 I/O 口。口。2)方式方式1 波特率可调的波特率可调的10位位通用异步接口通用异步接口UART。发送或接收一帧信息,包括发送或接收一帧信息,包括 1 位起始位位起始位 0,8 位数据位和位数据
21、位和 1 位停止位位停止位。传送的波特率取决于定时器传送的波特率取决于定时器 T1 或或 T2的溢出率和的溢出率和 PCON 中的中的 SMOD 位。位。c c)方式方式2 固定波特率的固定波特率的11位位UART通信方式通信方式。传送波特率只与传送波特率只与 SMOD 有关。有关。发送或接收一帧数据包括发送或接收一帧数据包括 1 位起始位位起始位 0,8 位数据位,位数据位,1 位可编程位位可编程位(用于奇偶校验用于奇偶校验)和和 1 位停止位位停止位1。d d)方式)方式3 3 波特率可变的波特率可变的11位位UART通信方式通信方式。传传送送的的波波特特率率取取决决于于定定时时器器T1 或或定定时时器器T2的的溢溢出出率率和和 PCON 中中的的 SMOD 位。位。除了波特率以外,方式除了波特率以外,方式 3 和方式和方式 2 完全相同。完全相同。6-3-2 8051串行口的波特率串行口的波特率 对于串口的工作方式对于串口的工作方式1、3,波特率通常由定时器,波特率通常由定时器T1或或T2的溢出脉冲的溢出脉冲来确定。来确定。)定时器)定时器T1用做波特率发生器时波特率的计算用做波特率发生器时波特率的计算 定时器定时器T1的工作方式的工作方式2 常用作波特率发生器:常用作波特率发生器:)定时器用做波特率发生器时波特率的计算)定时器用做波特率发生器时波特率的计算
限制150内