【51单片机系列】串口通信模块

一、计算机串行通信基础

计算机通信是指计算机与外部设备或计算机与计算机之间的信息交换。计算机通信是将计算机技术和通信技术的相结合，完成计算机与外部设备或计算机与计算机之间的信息交换。

通信有并行通信和串行通信两种方式。在多微机系统以及现代测控系统中信息的交换多采用串行通信方式。

• 并行通信通常是将数据字节的各位用多条数据线同时进行传送，如下图。并行通信控制简单、传输速度快；但由于传输线较多，长距离传送时成本高且接收方的各位同时接收存在困难。

• 串行通信是将数据字节分成一位一位的形式在一条传输线上逐个传送，如下图。串行通信的特点是传输线少，长距离传送时成本低，并且可以利用电话网等现成的设备，但数据的传送控制比并行通信复杂。

二、串行通信的基本概念

串行通信根据收发双方是否使用同步时钟分为两种方式：同步串行通信与异步串行通信。

2.1、异步通信与同步通信

（1）异步通信

异步通信是指通信的发送与接收设备使用各自的时钟控制数据的发送和接收过程。为使双方的收发协调，要求发送和接收设备的时钟尽可能一致。

异步通信是以字符（构成的帧）为单位进行传输，字符与字符之间的时间间隔（间隙）是任意的，但每个字符中的各位是以固定的时间传送的，即字符之间不一定有位间隔的整数倍的关系，但同一字符内的各位之间的距离均为位间隔的整数倍。

异步通信的数据格式如下，一个字符帧包括：1个起始位+8个数据位+1个校验位+1个停止位=11个位。

异步通信的特点是：不要求收发双方时钟的严格一致，实现容易，设备开销较小，但每个字符要附加2~3位用于起止位，各帧之间还有间隔，因此传输效率不高。

（2） 同步通信

同步通信时要建立发送方时钟对接收方时钟的直接控制，使双方达到完全同步。此时，传输数据的位之间的距离均为位间隔的整数倍，同时传送的字符间不留间隙，即保持位同步关系，也保持字符同步关系

发送方对接收方的同步可以通过两种方法实现：外同步和自同步，如下。

2.2、串行通信的传输方向

串行通信的传输方向有单工、半双工、全双工。

• 单工是指数据传输仅能沿一个方向，不能实现反向传输。
• 半双工是指数据传输可以沿两个方向，但需要分时进行。
• 全双工是指数据可以同时进行双向传输。

如下图从左至右分别是单工、半双工、全双工通信。

2.3、串行通信常见的错误校验

• 奇偶校验

在发送数据时，数据位尾随的1位为奇偶校验位（1或0）。

奇校验时，数据中”1“的个数与校验位“1”的个数之和应为奇数；

偶校验时，数据中“1”的个数与校验位“1”的个数之和应为偶数。

接收字符时，对“1”的个数进行校验，如果发现不一致，说明传输数据过程中出现了差错。

比如对于发送的数据11000110，该数据中1的个数有4个。如果采用奇校验，那么校验位应该为1；如果采用偶校验，那么校验位应该为0。

• 代码和校验

代码和校验是发送方将所发数据块求和（或各字节异或），产生一个字节的校验字符（校验和）附加到数据块末尾。

接收方接收数据同时对数据块（除校验字节外）求和（或各字节异或），将得到的结果与发送方的校验和进行比较，相符则无差错，否则认为传送过程中出现了差错。

• 循环冗余校验

循环冗余校验是通过某种数学运算实现有效信息与校验位之间的循环校验，常用于对磁盘信息的传输、存储区的完整性校验等。这种校验方法纠错能力强，广泛用于同步通信中。

2.4、传输速率

串行通信的传输速率以比特率（也称为波特率）为单位，比特率是每秒钟传输二进制的位数，单位是位/秒（bps）。如果每秒钟传送240个字符，每个字符格式包含10位（1个起始位、1个停止位、8个数据位），那么此时的比特率为：10位x240个/秒=2400bps。

串行接口或终端直接传送串行信息位流的最大距离与传输速率及传输线的电气特性有关。

• 当传输线使用每0.3m有50pF电容的非平衡屏蔽双绞线时，传输距离随传输速率的增加而减小。

• 当比特率超过1000bps时，最大传输距离迅速下降，如9600bps时最大距离下降到只有76m。

三、串行通信接口标准

3.1、RS-232C接口

RS-232C是EIA（美国电子工业协会）1969年修订的RS-232C标准，该标准定义了数据终端设备（DTE）与数据通信设备（DCE）之间的物理接口标准。

• RS-232C的机械特性

RS-232C接口规定了使用25针连接器，连接器的尺寸及每个插针的排列位置都有明确定义。（阳头）

下图是RS-232C接口示意图，左图是标准的25针连接器，由图是9针非标准连接器。

RS-232C接口的功能特性如下，序号内是9针非标准连接器的引脚号。

插针序号	接口名称	功能	信号方向
1	PGND	保护接地
2（3）	TXD	发送数据（串行输出）	DTE→DCE
3（2）	RXD	接收数据（串行输入）	DTE←DCE
4（7）	RTS	请求发送	DTE→DCE
5（8）	CTS	允许发送	DTE←DCE
6（6）	DSR	DCE就绪，数据建立就绪	DTE←DCE
7（5）	SGND	信号接地
8（1）	DCD	载波检测	DTE←DCE
20（4）	DTR	DTE就绪，数据终端准备就绪	DTE→DCE
22（9）	RI	振铃指示	DTE←DCE

RS-232C的过程特性规定了信号之间的时序关系，以便正确地接收和发送数据。

RS232C电平与TTL电平转换驱动电路如下所示：

RS-232C接口存在如下问题：

• 传输距离短，传输速率低

RS-232C总线标准受电容允许值的约束，使用时传输距离一般不要超过15米（线路条件好时也不要超过几十米）。最高传输速率为20Kbps。

• 有电平偏移

RS-232C总线标准要求收发双方共地。通信距离较大时，收发双方的地电位差别较大，在信号地上将有比较大的地电流并产生压降。

• 抗干扰能力差

RS-232C在电平转换时采用单端输入输出，在传输过程中干扰和噪声会混在正常的信号中。为了提高信噪比，RS-232C总线标准不得不采用比较大的电压摆幅。

3.2、RS-422A

RS-422A输出驱动器为双端平衡驱动器。如果其中一条线为逻辑“1”状态，另一条线就位逻辑“0”，比采用单端不平衡驱动对电压的放大倍数大一倍。

差分电路能从地线干扰中拾取有效信号，差分接收器可以分辨200mV以上的电位差。

如果传输过程中混入了干扰和噪声，由于差分放大器的作用，可以使干扰和噪声相互抵消。因此可以避免或大大减弱地线干扰和电磁干扰的影响。

RS-422A传输速率为90Kbps时，传输距离可达1200米。

3.3、RS-485接口

RS-485是RS-422A的变型：RS-422A用于全双工，RS-485用于半双工。

RS-485是一种多发送器标准，在通信线路商最多可以使用32对差分驱动器/接收器。如果在一个网络中连接的设备超过32个，还可以使用中继器。

RS-485的信号传输采用两线间的电压来表示逻辑1和逻辑0,。由于发送当需要两根传输线，接收方也需要两根传输线。

传输线采用差动信道，所以它的干扰抑制性极好，又因为它的阻抗低，无接地问题，所以传输距离可达1200米，传输速率可达1Mbps。

RS-485是一点对多点的通信接口，一般采用双绞线的结构。普通的PC机一般不带RS485接口，因此要使用RS-232C/RS-485转换器。对于单片机可以通过芯片MAX485来完成TTL/RS-485的电平转换。

在计算机和单片机组成的RS-485通信系统中，下位机由单片机系统组成，上位机为普通的PC机，负责监视下位机的运行状态，并对其状态信息进行集中处理，以图文方式显示下位机的工作状态以及工业现场被控设备的工作状况。系统中各节点的识别是通过设置不同的站地址来实线的。

四、80C51的串行口

80C51串行口的结构如下图所示，TXD(P3.1)和RXD(P3.0)用来实现串口通信；有两个物理上独立的接收、发送缓冲器SBUF，它们占用同一地址99H；要实现串口通信，用到了定时器T1。接收器是双缓冲结构，发送缓冲器因为发送时CPU是主动的，因此不会产生重叠错误。

4.1、80C51串行口的控制寄存器

（1）SCON特殊功能寄存器

SCON是一个特殊功能寄存器，用来设定串行口的工作方式、接收/发送控制以及设置状态标志。

SCON寄存器各位表示如下：

位	7	6	5	4	3	2	1	0
字节地址：98H	SM0	SM1	SM2	REN	TB8	RB8	TI	RI	SCON

• 其中SM0和SM1为工作方式选择位，可选择四种工作方式：

SM0SM1	方式	说明	波特率
00	0	移位寄存器	$f_{OSC}/2$
01	1	10位异步收发器（8位数据）	可变
10	2	11位异步收发器（9位数据）	$f_{OSC}/64$或$f_{OSC}/32$
11	3	11位异步收发器（9位数据）	可变

• SM2：多机通信控制位，主要用于方式2和方式3。

  • 当接收机的SM2=1时可以利用收到的RB8位来控制是否激活RI（RB8=0时不激活RI，收到的信息丢弃；RB8=1时收到的数据进入SBUF，并激活RI，进而在中断服务中将数据从SBUF读走）。
  • 当SM2=0时，不论收到的RB8为0或1，均可以使收到的数据进入SBUF，并激活RI（即此时RB8不具有控制RI激活的功能）。通过控制SM2可以实现多机通信。
  • 在方式0时，SM2必须是0；在方式1时，如果SM2=1，则只有接收到有效停止位时，RI才置1。

• REN：允许串行接收位。由软件置REN=1，则启动串行口接收数据；若软件置REN=0，则禁止接收。

• TB8：在方式2或方式3中，是发送数据的第九位，可以用软件规定其作用，可以用作数据的奇偶校验位，或在多机通信中，作为地址帧/数据帧的标志位。在方式0或方式1中，该位未用。

• RB8：在方式2或方式3中，是接收到数据的第九位，作为奇偶校验位或地址帧/数据帧的标志位。在方式1时，如果SM2=0，则RB8是接收到的停止位。

• TI：发送中断标志位。在方式0时，当串行发送第8位数据结束时，或在其它方式，串行发送停止位的开始时，由内部硬件使TI置1，向CPU发中断申请。在中断服务程序中，必须用软件将其清0，取消此中断申请。

• RI：接收中断标志位。在方式0时，当串行接收第8位数据结束时，或在其它方式，串行接收停止位的中间时，由内部硬件使RI置1，向CPU发中断申请。也必须在中断服务程序中，用软件将其清0，取消此中断申请。

（2）PCON特殊功能寄存器

PCON中只有一位SMOD与串行口工作有关。

位	7	6	5	4	3	2	1	0
字节地址：97H	SMOD								PCON

• SMOD：波特率倍增位。在串行口方式1、方式2、方式3时，波特率与SMOD有关。
  • 当SMOD=1时，波特率提高一倍。
  • 复位时，SMOD=0。

4.2、80C51串行口的工作方式

TCON的SM0SM1指定了四种工作方式。

（1） 方式0

在方式0时，串行口为同步移位寄存器的输入/输出方式，主要用于扩展并行输入或输出口。

数据由RXD（P3.0）引脚输入或输出，同步移位脉冲由TXD（P3.1）引脚输出。发送和接收均为8位数据，低位在先，高位在后。波特率固定为$f_{OSC}/12$。

如下为方式0输出时序图，从时序图可以看到，当发送完数据后，会产生中断（TI置为高电平）；TXD为高电平，RXD由高电平到低电平时，开始发送数据。当TXD为低电平时，RXD保持电平不变；当TXD为高电平时，RXD可以更改电平。

如下为方式0输入时序图，REN置位1，启动串行口接收数据；TXD为低电平时接收RXD的数据输入。

（2）方式1

方式1是10位数据的异步通信口。TXD为数据发送引脚，RXD为数据接收引脚，传送一帧数据的格式如下图所示。其中10位数据包括：1位起始位+8位数据位+1位停止位。

方式1输出时序图如下，TXD由高电平变为低电平时开始发送起始位，当发送停止位（高电平）时，TI置高电平发送中断请求。

方式1输入时序图如下，RXD由高电平变为低电平开始接收起始位，当收到停止位（高电平）时，置RI为高电平，发送中断请求。

用软件置REN为1时，接收器以所选择波特率的16倍速率采样RXD引脚电平，检测到RXD引脚输入电平发生负跳变时，则说明起始位有效，将其移入输入移位寄存器，并开始接收这一帧信息的其余位。

接收过程中，数据从输入移位寄存器右边移入，起始位移至输入移位寄存器最左边时，控制电路进行最后一次移位。当RI=0，且SM2=0（或接收到的停止位为1）时，将接收到9位数据的前8位数据装入接收SBUF，第9位进入RB8，并置RI=1，向CPU请求中断。

（2）方式2和方式3

方式2或方式3时为11位数据的异步通信口。TXD为数据发送引脚，RXD为数据接收引脚。

方式2和方式3起始位1位，数据9位（含1位附加的第9位，发送时为SCON中的TB8，接收时为RB8），停止位1位，一帧数据为11位。方式2的波特率固定为晶振频率的1/64或1/32，方式3的波特率由定时器TI的溢出率决定。

方式2和方式3输出时序图：

发送开始时，先把起始位0输出到TXD引脚，然后发送移位寄存器的输出位D0到TXD引脚。每一个移位脉冲都使输出移位寄存器的各位右移一位，并由TXD引脚输出。

第一次移位时，停止位1移入输出移位寄存器的第9位上，以后每次移位，左边都移入0。当停止位移至输出位时，左边其余位全为0，检测电路检测到这一条件时，使控制电路进行最后一次移位，并置TI=1，向CPU请求中断。

方式2和方式3输入时序图：

接收时，数据从右边移入输入移位寄存器，在起始位0移到最左边时，控制电路进行最后一次移位。当RI=0，且SM2=0（或接收到的第9位数据为1）时，接收到的数据装入接收缓冲器SBUF和RB8（接收数据的第9位），置TI=1，向CPU请求中断。如果条件不满足，则数据丢失，且不置位RI，继续搜索RXD引脚的负跳变。

4.3、波特率的计算

在串行通信中，收发双方对发送或接收数据的速率要有约定。通过软件可对单片机串行口编程为四种工作方式，其中方式0和方式2的波特率是固定的，而方式1和方式3的波特率是可变的，由定时器TI的溢出率来决定。

串行口的四种工作方式对应三种波特率。由于输入的移位时钟的来源不同，所以各种方式的波特率的计算公式也不相同。

方式0的波特率=$f_{OSC}/12$

方式2的波特率=$(2^{SMOD}/64)?f_{OSC}$

方式1的波特率=$(2^{SMOD}/32)?(T1溢出率)$

方式3的波特率=$(2^{SMOD}/32)?(T1溢出率)$

当T1作为波特率发生器时，最典型的用法是使T1工作在自动装载的8位定时器方式（即方式2，且TCON的TR1=1，以启动定时器）。这时溢出率取决于TH1中的计数值。

T 1 溢出率 = f O S C / { 12 × [ 256 ? ( T H 1 ) } T1溢出率=f_{OSC}/\{12 \times [256-(TH1)\} T1溢出率=fOSC?/{12×[256?(TH1)}

在单片机的应用中，常用的晶振频率为12MHz和11.0592MHz。所以选用的波特率也相对固定。常用的串行口波特率以及各参数的关系如下表所示：

串口工作方式及波特率b/s		f_OSC(MHz)	SMOD	定时器T1
				C/T	工作方式	初值
方式1、3	62.5k	12	1	0	2	FFH
	19.2k	11.0592	1	0	2	FDH
	9600	11.0592	0	0	2	FDH
	4800	11.0592	0	0	2	FAH
	2400	11.0592	0	0	2	F4H
	1200	11.0592	0	0	2	E8H

4.4、串口如何使用

串行口工作之前，应对其进行初始化，主要是设置产生波特率的定时器1、串行口控制和中断控制。

具体步骤如下：

• 确定T1的工作方式（编程TMOD寄存器）；
• 计算T1的初值，装载TH1、TL1；
• 启动T1（编程TCON中的TR1位）；
• 确定串行口控制（编程SCON寄存器）；
  • 串行口在中断方式工作时，要进行终端设置（编程IE、IP寄存器）。

五、单片机与单片机的通信

5.1、点对点的通信

（1） 硬件连接

如下实现系统1和系统2的通信，通过MAX232A芯片，每一个系统的发送管脚对应其系统内MAX232A的发送管脚；系统1中的MAX232A的接收引脚与系统2中的MAX232A的发送引脚连接。

5.2、多机通信

（1）硬件连接

单片机构成的多机系统常采用总线型主从式结构。所谓主从式，即在数个单片机中，有一个是主机，其余的是从机，从机要服从主机的调度、支配。

80C51单片机的串行口方式2和方式3适用于这种主从式的通信结。采用不同的通信标准时，还需要进行相应的电平转换，有时还需要对信号进行光电隔离。

在实际的多机应用系统中，常采用RS-485串行标准总线进行数据传输。