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。

缓冲寄存器SBUF

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。

基于LPC系列单片机的串口扩展器设计

摘 要 ： 介绍了一种基于单片机P89LPC931的SPI总线扩展异步串行接口UART的装置，讲述了P89LPC931单片机的开发使用，重点详细阐明了扩展芯片GM8142的开发使用。用户可以根据不同的应用环境灵活配置参数。本装置成本低，可靠性高，稳定性强。

0 引言

随着单片机技术的不断发展，特别是网络技术在测控领域的广泛应用，由单片机构成的多机网络测控系统已成为单片机技术发展的一个方向。单片机的应用已不仅仅局限于传统意义上的自动监测或控制，而是形成了向以网络为核心的分布式多点系统发展的趋势。但是，大多数单片机都只有一个串行接口，在多数情况下限制了这些单片机的进一步应用。要实现单片机在应用系统中的有效通信，就必须对单片机进行串口扩展。

本文介绍的串口扩展器以单片机P89LPC931[1]为核心，使用SPI总线和芯片GM8142进行串口扩展，由1路SPI总线扩展出4路串口，具有可靠性高、抗干扰性能强、成本低等优点，用户可灵活配置参数，非常适合在电力、化工、冶金等工业控制现场中使用。

1 系统硬件设计

本系统功能是通过UART接口接收来自外部（例如PC，定义为上位机）的数据，通过指定的扩展串口将数据发送出去，或者从扩展串口读取数据，通过UART发送到上位机。系统的整体设计如图1所示。电源电路为整个系统供电，其中也包括RS232/RS485的电平转换电路。复位电路完成单片机的外部复位，P89LPC931既可以使用外部高电平复位，也可以内部复位。串口电路完成单片机程序的ISP下载，与外界（如PC）交互，接收外界数据并通过扩展的串口发送，或者接收扩展串口的数据发送到外界设备。人机交互包括按键输入和LCD显示输出，完成对系统参数的配置信息的输入，显示转发的数据或配置参数。

单片机P89LPC931的电路原理如图2所示。P89LPC931使用3.3 V电源供电，电阻R3与电容C7构成复位电路。当单片机向芯片GM8142发出复位的低电平信号时，LED点亮。单片机的引脚分配包括LCD部分、ICP在电路编程部分、KEY按键输入部分、SPI接口部分和UART接口部分。

芯片GM8142[2]的电路原理如图3所示。GM8142使用的晶振频率为3.686 4 MHz。RX和TX分别是扩展串口的接收和发送引脚，输出的IRQ作为单片机P89LPC931的外部中断输入。

2 系统软件设计

2.1 通信规约的设计

串口扩展器的地址初始化为0x00。串口扩展器可以采用RS485或者RS232的接口标准与上位机进行通信。通信采用异步通信方式。通信参数包括波特率、校验位和帧长度，它们既可以通过按键与LCD的人机交互接口设定，也可以通过通信方式由上位机设定。

系统与上位机的通信报文[3]定义如下：（1）设定串口工作参数的报文A1，返回确认设定串口工作参数的报文R1和系统不允许远程设定参数的报文R2；（2）设定SPI功能寄存器参数的报文A3，确认设定SPI功能寄存器的报文R3和不允许远程设定的报文R4；（3）读取SPI功能寄存器参数的报文A5和返回SPI功能寄存器参数的报文R5；（4）发送数据到指定扩展串口的报文A6和确认已发送数据到指定扩展串口的报文R6；（5）查询从扩展串口上送数据的报文A7和返回的报文R7、R8；（6）缓冲区满，主动上送数据的报文R9；（7）重新启动设备的报文A10和确认已重启的报文R10；（8）回答接收无效的报文R11。

2.2 通信模块设计

上位机通过UART接口与串口扩展器通信，在P89LPC931的内存中申请一个FIFO，用于接收上位机发送来的数据，进行相关的处理后，以相应的报文进行回答。每个扩展串口在P89LPC931的内存中也申请一个接收FIFO，用于保存从扩展串口发送来的数据。设置接收FIFO满标志位，当接收FIFO满时，主动上送报文到上位机。具体的程序流程如图4所示。

2.3 按键输入参数

串口扩展器的接口参数主要是UART接口的参数和扩展UART接口的参数，包括波特率、校验位和帧长度，这些参数既可以通过按键与LCD配合的方式（即人机交互接口）设定，也可以通过上位机以报文的方式设定。在系统中设定是否允许远程修改参数的值，当不允许远程修改时，则远程通过报文修改系统参数的方式无效，这时只允许通过人机交互接口设定系统参数。

设置5个按键，如表1所示。按键按下，则单片机P89LPC931相关的引脚输入为低电平。这5个按键的状态也作为与门74LS08的输入，74LS08的输出作为P89LPC931的外部中断1的输入。通过按键与LCD配合设定系统参数的程序流程[4]如图5所示。

2.4 GM8142的开发[3]

使用GM8142进行扩展串口通信之前，首先进行初始化。SPI的初始化需设置工作方式和时钟频率。GM8142的初始化需要设置工作模式、子串口的波特率和数据帧长等，通过向配置寄存器中写入相应的控制字实现。GM8142一次SPI传输要求在一个片选周期内传输16 bit数据，所以使用P89LPC931这样的8位单片机要保证在CS拉低后连续启动2个8 bit的数据传输，然后再将CS拉高。这样对GM8142来讲，同样实现了一次16 bit的传输。GM8142收发数据的程序流程如图6所示。

向GM8142中写入数据的函数为SendTo814X，启动一次SPI传输，发送16 bit数据，返回16 bit数据。

unsigned int SendTo814X（unsigned char chigh，unsigned char clow）

{

unsigned char cTempHigh，cTempLow；

unsigned int RevData；

SPI_CS=0；

SPDAT=chigh；

while（（SPSTAT&0x80）==0）；

cTempHigh=SPDAT；

SPDAT=clow；

while（（SPSTAT&0x80）==0）；

cTempLow=SPDAT；

SPI_CS=1；

RevData=cTempHigh；

RevData=（RevData<<8）+cTempLow；

return RevData；

}

函数SendDataToCom实现向指定的扩展串口发送单字节的数据。

unsigned int SendDataToCom（unsigned char n，unsigned char ct）

{

unsigned char ch=0x80；

unsigned int RevData；

ch=ch|（n<<3）；

RevData=SendTo814X（ch，c）；

函数ReadRFIFOData实现读取接收FIFO的数据。

unsigned int ReadRFIFOData（void）

RevData=SendTo814X（0x00，0x00）；

3 功能测试与总结

（1）测试人机交互接口，通过按键与LCD配合，能够正常设定参数。

（2）PC作为上位机利用串口助手这个工具，通过RS232接口发送指定的报文到串口扩展器，从扩展串口发出的数据，也通过串口助手显示出来。编辑不同的报文，从PC发送到串口扩展器，均返回相应的报文数据。

（3）PC利用串口助手向扩展串口发送数据，扩展的串口接收到数据后，组成相应的报文，在上位机查询时，以相应的报文回答。

（4）控制其他参数不变，修改某一个参数，例如波特率，重新测试，均返回相应的报文。

本装置以通用的单片机P89LPC931为核心，外扩GM8142扩展串口模块和人机交互模块，可应用于工业控制领域要求多串口的场合。经过详细测试，该串口扩展器可以实现数据的成功转发，转发数据精确可靠，具有很强的实用价值。

参考文献

[1] 张毅刚.单片机原理及应用[M]．北京：高等教育出版社，2003．

[2] 成都国腾微电子．GM8141／2数据手册[Z]．2006．

[3] SARIKAYA B， KOUKOULIDIS V， ESWARA S， et al. Analysis and testing of application layer protocols with an application to FTAM[J]. IEEE Transactions on Communications， 1992， 40（1）：7-11.

[4] 王忠义，张有光，潘怀勇.基于MCS-51人机交互接口[J].电子测量技术，2004（3）：43-44.

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