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单片机的串口引脚 详解单片机中的串行口

小编 2024-11-24 产品选型 23 0

详解单片机中的串行口

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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。

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单片机的引脚介绍

前面我们大概了解了单片机是什么,那么接下来我们看看单片机实际到底长什么样。

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单片机尺寸有大有小,下面以单片机ATMEGA328P-AU为例子,实物的大小也就差不多一个食指的指甲盖。

我们可以看到单片机周围排布这金属的针脚,这些针脚叫引脚,下图是ATMEGA328P-AU单片机不同引脚的具体功能,引脚大致可以分为4类:电源、时钟、控制和I/O引脚。

首先就是红色标记的电源正极(VCC)和黑色标记的电源负极(GND),这些引脚是用来给单片机提供电源的。需要把电流引导对应的引脚才能让单片机工作。单片机一般需要5V或者3.3V左右的电压。

接下来是时钟引脚(淡黄色):XTAL1(PB6)、XTAL2(PB7)-晶体震荡电路反向输入端和输出端,晶振的作用是为单片机提供一个基本震荡源,相当于人体的心跳。如果没有晶振,就算有电源,单片机也是无法启动的。

然后是控制引脚(黄色):RESET(PC6)-复位信号输入端,用于重启单片机,单片机也会和电脑一样出现死机的情况,这时就需要使用这个引脚来重启单片机,当然也可以直接断电,这个要看情况,有时候取出电源也是一件麻烦的事情。

最后是I/O引脚(淡黄色)也是引脚数量最多的:输入输出口,里面的端口可细分为数字端口、模拟端口、PWM口和串口。用于连接模块,比如传感器,电机,LED等等。所以I/O引脚就相当于我们的眼耳鼻用于获取信息,也可以变成四肢和嘴巴用于输出信息,这个具体要看我们如何设置。

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