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详解单片机中的串行口
（此处已添加圈子卡片，请到今日头条客户端查看）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。
串行口控制寄存器SCON
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。
（此处已添加圈子卡片，请到今日头条客户端查看）51单片机多机通信
一、多机通信原理
在多机通信中，主机必须要能对各个从机进行识别，在51系列单片机中可以通过SCON寄存器的SM2位来实现。当串口以方式2或方式3发送数据时，每一帧信息都是11位，第9位是数据可编程位，通过给TB8置1或置0来区别地址帧和数据帧，当该位为1时，发送地址帧；该位为0时，发送数据帧。
在多机通信过程中，主机先发送某一从机的地址，等待从机的应答，所有的从机接收到地址帧后与本机地址进行比较，若相同，则将SM2置0准备接收数据；若不同，则丢弃当前数据，SM2位不变。
二、多机通信电路图
此处，U1作为主机，U2为从机1，U3为从机2。
三、C语言程序
(1)主机程序
#include<reg51.h>
#include<string.h>
#define _SUCC_ 0x0f//数据传送成功
#define _ERR_ 0xf0//数据传送失败
unsigned charTable[9]={0x31,0x32,0x33,0x34,0x35,0x36,0x37,0x38,0x39};
unsigned char Buff[20]; //数据缓冲区
unsigned char temp=0xff;
sbit KEY1=P1^6;
sbit KEY2=P1^7;
//unsigned char addr;
//延时1ms函数
void delay_1ms(unsigned int t)
{
unsigned int x,y;
for(x=t;x>0;x--)
for(y=110;y>0;y--);
}
//缓冲区初始化
void Buff_init()
{
unsigned chari; //将Table里的数据放到缓冲区里
for(i=0;i<9;i++)
{
Buff[i]= Table[i];
delay_1ms(100);
}
}
//串口初始化函数
void serial_init()
{
TMOD=0x20; //定时器1工作于方式2
TH1=0xfd;
TL1=0xfd; //波特率为9600
PCON=0;
SCON=0xd0; //串口工作于方式3
TR1=1; //开启定时器
TI=0;
RI=0;
}
//发送数据函数
void SEND_data(unsigned char *Buff)
{
unsigned char i;
unsigned char lenth;
unsigned char check;
lenth=strlen(Buff); //计算数据长度
check=lenth;
TI=0; //发送数据长度
TB8=0; //发送数据帧
SBUF=lenth;
while(!TI);
TI=0;
for(i=0;i<lenth;i++) //发送数据
{
check=check^Buff[i];
TB8=0;
SBUF=Buff[i];
while(!TI);
TI=0;
}
TB8=0; //发送校验字节
SBUF=check;
while(!TI);
TI=0;
}
//向指定从机地址发送数据
void ADDR_data(unsigned addr)
{
while(temp!=addr) //主机等待从机返回其地址作为应答信号
{
TI=0; //发送从机地址
TB8=1; //发送地址帧
SBUF=addr;
while(!TI);
TI=0;
RI=0;
while(!RI);
temp=SBUF;
RI=0;
}
temp=_ERR_; //主机等待从机数据接收成功信号
while(temp!=_SUCC_)
{
SEND_data(Buff);
RI=0;
while(!RI);
temp=SBUF;
RI=0;
}
}
void main()
{
Buff_init();
serial_init();
while(1)
{
if(KEY1==0)
{
delay_1ms(5);
if(KEY1==0)
{
while(!KEY1);
ADDR_data(0x01);
}
}
if(KEY2==0)
{
delay_1ms(5);
if(KEY2==0)
{
while(!KEY2);
ADDR_data(0x02);
}
}
}
}
(2)从机1程序
#include<reg51.h>
#include<string.h>
#defineaddr 0x01//从机1的地址
#define _SUCC_ 0x0f//数据传送成功
#define _ERR_ 0xf0//数据传送失败
unsigned char aa=0xff;//主机与从机之间通信标志
unsigned char Buff[20];//数据缓冲区
//串口初始化函数
void serial_init()
{
TMOD=0x20; //定时器1工作于方式2
TH1=0xfd;
TL1=0xfd; //波特率为9600
PCON=0;
SCON=0xd0; //串口工作于方式3
TR1=1; //开启定时器
TI=0;
RI=0;
}
//接收数据函数
unsigned char RECE_data(unsigned char *Buff)
{
unsigned char i,temp;
unsigned char lenth;
unsigned char check;
RI=0; //接收数据长度
while(!RI);
if(RB8==1) //若接收到地址帧，则返回0xfe
return 0xfe;
lenth=SBUF;
RI=0;
check=lenth;
for(i=0;i<lenth;i++) //接收数据
{
while(!RI);
if(RB8==1) //若接收到地址帧，则返回0xfe
return0xfe;
Buff[i]=SBUF;
check=check^(Buff[i]);
RI=0;
}
while(!RI); //接收校验字节
if(RB8==1) //若接收到地址帧，则返回0xfe
return 0xfe;
temp=SBUF;
RI=0;
check=temp^check; //将从主机接收到的校验码与自己计算的校验码比对
if(check!=0) //校验码不一致，表明数据接收错误，向主机发送错误信号，函数返回0xff
{
TI=0;
TB8=0;
SBUF=_ERR_;
while(!TI);
TI=0;
return 0xff;
}
TI=0; //校验码一致，表明数据接收正确，向主机发送成功信号，函数返回0x00
TB8=0;
SBUF=_SUCC_;
while(!TI);
TI=0;
return 0;
}
void main()
{
serial_init();
while(1)
{
SM2=1; //接收地址帧
while(aa!=addr) //从机等待主机请求自己的地址
{
RI=0;
while(!RI);
aa=SBUF;
RI=0;
}
TI=0; //一旦被请求，从机返回自己的地址作为应答，等待接收数据
TB8=0;
SBUF=addr;
while(!TI);
TI=0;
SM2=0; //接收数据帧
aa=0xff; //从机接收数据，并将数据保存到数据缓冲区
while(aa==0xff)
{
aa=RECE_data(Buff);
}
if(aa==0xfe)
continue;
P1=Buff[1]; //查看接收到的数据
}
}
(3)从机2程序
#include<reg51.h>
#include<string.h>
#defineaddr 0x02//从机2的地址
#define _SUCC_ 0x0f//数据传送成功
#define _ERR_ 0xf0//数据传送失败
unsigned char aa=0xff;//主机与从机之间通信标志
unsigned char Buff[20];//数据缓冲区
//串口初始化函数
void serial_init()
{
TMOD=0x20; //定时器1工作于方式2
TH1=0xfd;
TL1=0xfd; //波特率为9600
PCON=0;
SCON=0xd0; //串口工作于方式3
TR1=1; //开启定时器
TI=0;
RI=0;
}
//接收数据函数
unsigned char RECE_data(unsigned char *Buff)
{
unsigned char i,temp;
unsigned char lenth;
unsigned char check;
RI=0; //接收数据长度
while(!RI);
if(RB8==1) //若接收到地址帧，则返回0xfe
return 0xfe;
lenth=SBUF;
RI=0;
check=lenth;
for(i=0;i<lenth;i++) //接收数据
{
while(!RI);
if(RB8==1) //若接收到地址帧，则返回0xfe
return0xfe;
Buff[i]=SBUF;
check=check^(Buff[i]);
RI=0;
}
while(!RI); //接收校验字节
if(RB8==1) //若接收到地址帧，则返回0xfe
return 0xfe;
temp=SBUF;
RI=0;
check=temp^check; //将从主机接收到的校验码与自己计算的校验码比对
if(check!=0) //校验码不一致，表明数据接收错误，向主机发送错误信号，函数返回0xff
{
TI=0;
TB8=0;
SBUF=_ERR_;
while(!TI);
TI=0;
return 0xff;
}
TI=0; //校验码一致，表明数据接收正确，向主机发送成功信号，函数返回0x00
TB8=0;
SBUF=_SUCC_;
while(!TI);
TI=0;
return 0;
}
void main()
{
serial_init();
while(1)
{
SM2=1; //接收地址帧
while(aa!=addr) //从机等待主机请求自己的地址
{
RI=0;
while(!RI);
aa=SBUF;
RI=0;
}
TI=0; //一旦被请求，从机返回自己地址作为应答，等待接收数据
TB8=0;
SBUF=addr;
while(!TI);
TI=0;
SM2=0; //接收数据帧
aa=0xff; //从机接收数据，并将数据保存到数据缓冲区
while(aa==0xff)
{
aa=RECE_data(Buff);
}
if(aa==0xfe)
continue;
P1=Buff[2]; //查看接收到的数据
}
}
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