详解单片机中的串行口

单片机内部有一个功能强大的全双工串行口，该串行口有四种工作方式，以供不同场合使用。波特率可由软件设置，由片内的定时器/计数器产生。串行口接收、发送均可工作在查询方式或中断方式，使用十分灵活。

单片机的串行口除了用于数据通信之外，还可以用来驱动单片机应用系统中的键盘和显示器，这是其他微机系统所不能比拟的。

串行口的结构与控制

为了进行串行数据通信，单片机同样也需要相应的串行接口电路。不过这个接口电路不是单独的芯片，而是集成在单片机芯片的内部，成为单片机芯片的一个组成部分。

80C51单片机内部的串行口，由发送缓冲寄存器 SBUF、接收缓冲寄存器 SBUF、发送控制寄存器、接收控制寄存器、输入移位寄存器和输出控制门组成。控制单片机串行口的控制寄存器共有两个：特殊功能寄存器 SCON 和 PCON，可以用软件改变两者的内容来控制串行口的工作方式和波特率。

80C51单片机内部有一个全双工的串行通信口，即串行接收和发送缓冲器SBUF，这两个在物理上是独立的接收发送器，既可以接收数据，也可以发送数据。但接收缓冲器只能读出不能写入，而发送缓冲器则只能写入不能读出，两个缓冲器共用同一个地址(99H)。

这个通信口既可用于网络通信，也可实现串行异步通信，还可以当成同步移位寄存器使用。如果在通信口的输入输出引脚上加上电平转换器，还可方便地构成标准的RS-232和RS-485接口。

在逻辑上，SBUF只有一个，既表示发送寄存器，又表示接收寄存器，具有同一个地址(99H)。在物理上，SBUF有两个，一个是发送寄存器，另一个是接收寄存器。

该寄存器的字节地址为98H，有位寻址功能。

SCON格式如下：

SM0(SCON.7)、SM1(SCON.6)：控制串行口的工作方式。

SM2(SCON.5)：允许方式2和方式3进行多机通信控制位。在方式2或方式3中，如SM2=1，则接收到的第9位数据(RB8)为0时不激活RI。在方式1时，如SM2=1，则只有收到有效停止位时才会激活RI。若没有接收到有效停止位，则RI清0。在方式0中，SM2必须置为0。

REN(SCON.4)：允许串行接收控制位。REN=1允许串行接收，REN=0则禁止串行接收。该标志由软件来置1或清0。

TB8(SCON.3)：是工作在方式2和方式3时，该位是要发送的第9位数据。在一些通信协议中该第9位用于奇偶校验(补奇或补偶);而在MCS-51多处理机通信中，这一位是区别地址帧还是数据帧的标志，需要时由软件置位或复位。

RB8(SCON.2)：是工作在方式2和方式3时，该位是已接收到的第9位数据，它是奇偶校验位。在MCS-51多处理机通信中是区别地址帧/数据帧的标志。在模式1中，若SM2=0，RB8存放的是已接收数据的停止位。在模式0中，RB8未用，需要时由软件来置1或清0。

TI(SCON.1)：发送中断标志位。在模式0中，发送完第8位数据时由硬件置位;在其他模式中发送停止位开始时刻由硬件置位。置位时TI=1，申请中断，CPU响应中断后，由软件来清除TI再发送下一帧数据。

RI(SCON.0)：接收中断标志位。在模式0中，接收完第8位数据时由硬件自动置位;在模式 1 中，SM2=1，只有接收到有效的停止位，才能对 RI 置位。在其他模式中，在接收停止位的半中间由硬件对RI置位。置位时申请中断，CPU响应中断后取走数据，清除RI标志，必须由软件清零。

SCON的所有位复位时被清零。

特殊功能寄存器PCON

其字节地址为87H，没有位寻址功能。PCON的格式如下：

其中与串行接口有关的只有D7位。

SMOD：波特率选择位。

串行口的工作方式

串行口有四种工作方式，它们是由串行口控制寄存器 SCON 的 SM0、SM1的状态来定义的，编码及功能如表2-3所示。在这四种工作方式中，串行通信只使用方式1、2、3。方式0主要用于扩展并行输入/输出口。

表2-3 串行口工作方式

表中：fosc为晶振频率，UART为通用异步接收和发生器。

方式0

在方式 0 状态下，串行口为同步移位寄存器输入/输出方式，其波特率是固定不变的，数据由RxD(P3.0)端输入，同步移位脉冲由TxD(P3.1)端输出。方式0主要用于扩展并行输入输出口(如串行LED数码管显示系统等)。

(1)方式0发送

当一个数据写入串行口发送缓冲器SBUF时，串行口即将8位数据以fosc/12的波特率从RxD引脚输出(从低位到高位)，发送完8位数据时，将发送中断标志TI置1。TxD引脚输出同步脉冲，波形如图2-22所示。

(2)方式0接收

在满足REN=1和RI=0的条件下，就会启动一次接收过程，此时RxD为串行输入端，TxD为同步脉冲输出端。串行接收的波特率为fosc/12，其时序如图2-23所示。当接收完一帧数据(8位)后，控制信号复位，中断标志 RI 被置 1，呈中断申请状态。当再次接收时，必须通过软件将RI清零。

▲图2-22 串行口“方式0”发送时序

▲图2-23 串行口“方式0”接收时序

在方式0中，SCON中的TB8、RB8位没用，多机通信控制位SM2位必须为0。在方式0下发送或接收完8位数据时，由硬件置1并发送中断标志TI或RI，向CPU申请中断，CPU响应TI或RI中断后，标志TI或RI必须由用户程序清0。

方式1

串行口以方式1工作时，SCON中的SM0、SM1两位分别为0、1，则串行口被控制为波特率可变的8位异步通信接口。发送的每帧信息为10位：1位起始位，8位数据位(先低位后高位)和1位停止位。

(1)方式1发送

串行口以方式1发送时，数据由TxD端输出，CPU执行一条数据写入发送数据缓冲器SBUF的指令，数据字节写入SBUF后，就启动串行口发送器发送。发送完一帧信息的数据位后，发送中断标志置1，其时序如图2-24所示。

▲图2-24 串行口“方式1”发送时序

(2)方式1接收

当REN=1时，允许接收器接收，数据从RxD端输入。接收器以所选波特率的16倍速率采样RxD端的电平，当检测到RxD端从1到0的跳变时，启动接收器接收，并复位内部的16分频计数器，以便实现同步。

在起始位，如果接收到的值不为0，则起始位无效，复位接收电路，当再次接收到一个由1到0的跳变时，重新启动接收器。如果接收值为0，则起始位有效，接收器开始接收本帧的其余信息(一帧信息为10位)。在方式1接收中，若同时满足以下两个条件：RI=0、SM2=0和接收到的停止位=1时，则接收数据有效，实现装载SBUF、停止位进入PB8、接收中断标志RI置1。接收控制器再次采样RxD的负跳变，以便接收下一帧数据。

若这两个条件不能同时满足，信息将丢失。中断标志RI必须由用户的软件清零，通常情况下，串行口以方式1工作时，SM2置为0。方式1的接收时序如图2-25所示。

▲图2-25 串行口“方式1”接收时序

方式2

当SM0、SMl两位分别为1、0时，串行口工作在方式2，此时串行口被定义为9位异步通信接口。发送时可编程位(TB8)根据需要设置为0或1，接收时，可编程位被送入SCON中的RB8。

(1)方式2发送

在方式2发送时，数据由TxD端输出，发送一帧信息由11位组成：1位起始位、8位数据位(低位在先、高位在后)、1位可编程位(第9位数据位)和1位停止位，附加的第9位数据为 SCON中的 TB8。TB8由软件置 1 或清 0，可作为多机通信中的数据标志位，也可作为数据的奇偶校验位。

CPU在执行一条写SBUF的指令后，便立即启动发送器发送，送完一帧信息后，TI被置1，其时序如图2-26所示。在发送下一帧信息之前，TI必须由中断服务程序(或查询程序)清0。

▲图2-26 串行口“方式2”发送时序

(2)方式2接收

当 SM0、SMl两位分别为1、0，且 REN=1 时，允许串行口以方式 2 接收数据。数据由 RxD端输入，接收11位信息：1位起始位、8位数据位、1位可编程位(第9位数据)和1位停止位。当接收器采样到RxD端从1到0的跳变，并判断起始位有效后，便开始接收一帧信息。当接收器接收到第9位数据后，如果RI=0且SM2=0或接收到的第9位数据为1时，接收到的数据送入SBUF，第9位数据送入RB8，并置RI=1，其时序如图2-27所示。若不能同时满足这两个条件，接收的信息将丢失。

▲图2-27 串行口“方式2”接收时序

方式3

当SM0、SM1两位为11时，串行口工作在方式3，方式3为波特率可变的9位异步通信方式，除了波特率外，方式3和方式2的发送时序和接收时序相同。

波特率的计算与串行口初始化

波特率的计算

在串行通信中，收发双方的波特率必须保持一致。通过软件可设定串行口的4种工作方式，并确定每种方式的波特率。

(1)方式0的波特率是固定的，为单片机晶振频率fosc的1/12，即BR=fosc/12。

如fosc=6MHz，则波特率500kbit/s;如fosc=12MHz，则波特率为1Mbit/s。

(2)方式 2 的波特率也是固定的，且有两种。一种是晶振频率的 1/32，另一种是晶振频率的1/64，即fosc/32和fosc/64。如用公式表示为：

式中，SMOD为特殊功能寄存器PCON串行口波特率系数的控制位，SMOD=1表示波特率加倍。注意，PCON不能使用位寻址，只能对其进行字节操作。

如12M晶振系统中，若SMOD=0，则波特率=187.5kbit/s;SMOD=1，则波特率375kbit/s。

(3)方式1和方式3的波特率是可变的，其波特率由定时器1的计数溢出(对80C52来说，也可使用定时器2的计数溢出)决定，公式为：

式中定时器1溢出率计算公式为：

各种方式波特率的计算如表2-4所示。

表2-4 波特率的计算公式

表中，若SMOD=0，则K=1;若SMOD=1，则K=2。

通常使用单片机的串行口时，选用的晶振频率 fosc比较固定(一般为 6MHz ， 12MHz 或11.0592MHz)。单片机和微机通信时，选用的波特率也相对固定。

实际使用中，经常根据已知波特率和时钟频率来计算定时器T1的初值。为方便使用，将常用的波特率和初值X间的关系列成表2-5。

表2-5 常用通信方式及其波特率

其中有以下三点需要注意。

(1)表2-5中仅为一些特定系统串口通信时的典型数据，对于其他一些未列出的波特率，应通过前述公式进行计算获取。并可进行相关参数调整，以获得需求的波特率。

(2)在使用的时钟振荡频率为12MHz或6MHz时，表中初值X和相应的波特率之间有一定误差。例如，FDH的对应的理论值是10416波特(时钟振荡频率为6MHz时)，与9600波特相差816波特，消除误差可以通过调整时钟振荡频率 fosc来实现。例如，如果采用的时钟振荡频率为11.0592MHz，在要求串行通信的系统中，为保证串行通信准确，一般使用11.0592Hz的晶振。

(3)如果串行通信选用很低的波特率，可将定时器T1设置为方式1定时。但T1溢出时，需要在中断服务程序中重新装入初值。中断响应时间和执行指令时间也会使波特率产生一定的误差，可用改变初值的方法进行适当调整。

串行通信的校验

异步通信时可能会出现帧格式错、超时错等传输错误。在具有串行口的单片机的开发中，应考虑在通信过程中对数据差错进行校验，因为差错校验是保证准确无误通信的关键。常用差错校验方法有奇偶校验(80C51系列单片机编程采用此法)、和校验及循环冗余码校验等。

(1)奇偶校验

在发送数据时，数据位尾随的一位数据为奇偶校验位(1或0)。当设置为奇校验时，数据中1的个数与校验位1的个数之和应为奇数;当设置为偶校验时，数据中1的个数与校验位中1的个数之和应为偶数。接收时，接收方应具有与发送方一致的差错检验设置，当接收一个字符时，对 1的个数进行校验，若二者不一致，则说明数据传送出现了差错。

奇偶校验是按字符校验，数据传输速度将受到影响。这种特点使得它一般只用于异步串行通信中。

(2)和校验

所谓和校验，是指发送方将所发送的数据块求和(字节数求和)，并产生一个字节的校验字符(校验和)附加到数据块末尾。接收方接收数据时也是先对数据块求和，将所得结果与发送方的校验和进行比较，相符则无差错，否则即出现了差错。这种和校验的缺点是无法检验出字节位序的错误。

(3)循环冗余码校验

这种校验是对一个数据块校验一次。例如对磁盘信息的访问、ROM或RAM存储区的完整性等的检验。这种方法广泛应用于串行通信方式。

串行口初始化

在使用单片机串行口之前，应对其进行编程初始化，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。

(1)确定定时器l的工作方式——编程TMOD寄存器。

(2)计算定时器l的初值——装载THl、TLl。

(3)启动定时器1——编程TCON中的TRl位。

(4)确定串行口的控制——编程SCON。

解析：晶振的三类输出波形

　　对于晶振输出波形，相信一部分人可能认为只有两种波形，即无源晶振输出波形为正弦波，有源晶振输出波形为方波，小部分为正弦波。

　　由于在有源晶振内部加了整形电路，所以输出是方波，正弦波一般用的很少，普遍用的都是方波输出(很多时候在示波器上看到的还是波形不太好的正弦波，这是由于示波器的带宽不够。

　　例如：有源晶振20MHz，如果用40MHz或60MHz的示波器测量，显示的是正弦波，这是由于方波的傅里叶分解为基频和奇次谐波的叠加，带宽不够的话，就只剩下基频20MHz和60MHz的谐波，所以显示正弦波。完美的再现方波需要至少10倍的带宽，5倍的带宽只能算是勉强，所以需要至少100M的示波器。)。

　　方波主要用于数字通信系统时钟上，用来驱动时纯计数电路或门电路，对方波主要有输出电平、占空比、上升/下降时间、驱动能力等几个指标要求。正弦波主要用于对EMI、频率干扰有特殊要求的电路，这种电路要求输出的高次谐波成分很小;后面有模拟电路选用正弦波也是比较好的选择。通常需要提供例如谐波、噪声和输出功率等指标。方波输出功率大，驱动能力强，但谐波分量丰富;正弦波输出功率不如方波，但其谐波分量小很多。

　　有源晶振的频率输出必定要有某个波形作为输出载体，波形的输出也必定会伴随着某个负载值。在实际使用中，波形负载也是晶振的非常重要参数指标。选择不当的话，轻则导致晶振或其他模块工作不正常，功能无法实现，重则损坏模块甚至整机。

　　晶振的输出波形主要有三大类：正弦波、方波和准正弦波。

　　晶振负载主要有以下几种：

　 （1）正弦波：负载50欧姆或1k欧姆;

　 （2）方波：N个TTL负载或N个PF电容;

　 （3）准正弦波：10K欧姆并联10PF电容;

　　此外还有差分输出PECL、LVDS等高频(100MHz以上)常用的，实际使用中晶振的输出一般用于驱动以下电路形式：

　　1、同轴电缆类的长线输出;

　　2、滤波器类的电路的输出;

　　以上两种电路一般适用于50欧姆的负载。这是因为以上两种电路一般需要50欧姆负载作匹配，在射频领域还有75欧姆、300欧姆等特征阻抗，需要时要加以说明。此类的输出波形最适合的为正弦波，正弦波经过长线传输后波形只是幅度有所衰减，波形并不会有畸变。

　　3、门电路的输入;

　　要驱动门电路，需要讲究高电平、低电平、占空比、上升时间、下降时间等指标，否则难以顺利驱动。因此方波是最适合的波形。门电路也有TTL和CMOS门的区分，但目前主流的电路都实现了TTL/CMOS的兼容，作为高阻抗的输入，其输入的电阻成分阻值很大，但具有一定的容性阻抗。例如典型的74HC04与非门的输入阻抗约为3.5PF(有时候晶振输出不止驱动一个门，因此方波负载一般为15PF，这样可以驱动3~4个门，有种高驱动能力的重负载为50PF，可以驱动十几个门)。

　　4、取代晶体谐振器作为振荡电路的输入

　　在很多电子芯片中都可以直接使用晶体谐振器做为时钟脉冲产生器，如果要求更高质量的时钟，也会用到晶体振荡器。例如常用的单片机AT89C51，其管脚XTAL1和XTAL2本是用来接晶体谐振器的(另外需要2个电容)，如果用来接晶体振荡器：分析其内部电路可知，XTAL1脚为其内部振荡电路的输入端，输入阻抗很高，放大倍数很大，因此较小的波形就可以使其触发工作(峰峰值100mV~1V)，特别适合于准正弦波的驱动。正弦波输出的晶振也可以对其驱动，但需要在输入端加阻抗匹配电阻，对晶振的输出也是一种浪费。方波输出的晶振也可以对其驱动，但因方波输出幅度太大，存在过驱动的嫌疑，过驱动的坏处就是会使时钟电路的噪声变大，如果对噪声不敏感，也可以这样用。方波输出的晶振最好接入XTAL2管脚，XTAL2管脚是门电路输入和输出的并联，其输入阻抗较低，需要的驱动电平较大(至少要达到TTL电平低电平小于0.4V，高电平大于2.4V的标准)。用正弦波或准正弦波需要其带负载时峰峰值达到2V以上才可以。说明：接晶体振荡器时，管脚上的2个电容一般是不需要的。

　　5、三极管、高速运放电路的输入

　　有时候用户为实现整形、放大等目的，用三极管、高速运放对晶振波形进行处理，这种情况下负载阻抗一般不是太重，用正弦波的波形最为合适。需要提供负载、波形幅度等参数。

　　6、对EMI、频率干扰有特殊要求的电路

　　这种电路要求输出的高次谐波成分很小，因此不管驱动的是什么电路，都以正弦波为最好。

　　方波输出分为：TTL电平和CMOS电平在：

　　TTL电平输入低电平<=0.8V，高电平>=2.0V;输出低电平<0.4V，高电平>2.4V，最大低电平和最小高电平之间是无效电压;

　　CMOS电平输入低电平<0.3Vcc，输入高电平>0.7Vcc，输出低电平<0.1Vcc(接近于0)，输出高电平>0.9Vcc(接近于电源电压)。

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