第7章串行通信.ppt

7 单片机的串行通信及仿真,2,教学目的,了解串行通信的用途理解串行通信的结构和工作原理熟悉串行通信的工作方式掌握单片机的双机通信和多机通信了解RS232和RS485协议,3,本章内容,串行通信的基本用途串行接口结构和工作原理串行口的工作方式双机通信和多机通信RS232和RS485通信协议仿真实例,7.1 串行通信概述,数据通信方式数据通信传输方式串行数据通信形式,5,计算机串行通信基础,随着多微机系统的广泛应用和计算机网络技术的普及，计算机的通信功能愈来愈显得重要。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。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。,7.1 串行通信概述,6,计算机通信,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。可以分为两大类：并行通信与串行通信。,7.1 串行通信概述,7,单工数据传输仅能沿一个方向，不能实现反向传输。半双工数据传输可以沿两个方向，但需要分时进行。全双工全双工是指数据可以同时进行双向传输。,单工 半双工 全双工,串行通信的传输方向,7.1 串行通信概述,8,并行通信,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。具有控制简单、传输速度快的特点；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。,7.1 串行通信概述,9,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地传送。串行通信的特点：传输线少，长距离传送时成本低，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。,7.1 串行通信概述,10,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,7.1 串行通信概述,11,异步通信是以字符（构成的帧）为单位进行传输，字符与字符之间的间隙（时间间隔）是任意的，但每个字符中的各位是以固定的时间传送的，即字符之间是异步的（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是同步的（各位之间的距离均为“位间隔”的整数倍）。,异步通信,7.1 串行通信概述,12,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23位用于起止位，各帧之间还有间隔，因此传输效率不高。,异步通信的特点,7.1 串行通信概述,13,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 自同步,同步通信,7.1 串行通信概述,14,比特率是每秒钟传输二进制代码的位数，单位是：位秒（bps）。如每秒钟传送240个字符，而每个字符格式包含10位(1个起始位、1个停止位、8个数据位)，这时的比特率为：10位240个/秒=2400 bps 波特率表示每秒钟调制信号变化的次数，单位是：波特（Baud）。,传输速率,7.1 串行通信概述,7.2 串行接口结构与工作原理,串行接口结构串行通信过程串行数据通信形式,16,7.2.1 AT89C52串行口的结构,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；接收器是双缓冲结构；发送缓冲器，因为发送时CPU是主动的，不会产生重叠错误。,7.2 串行接口结构与工作原理,17,接收数据过程,在进行通信时，当CPU允许接收时，即SCON的REN位设置1时，外界数据通过引脚RXD（P3.0）串行输入，数据的最低位首先进入移位寄存器，一帧接收完毕后再并行送入接收数据缓冲寄存器SBUF中，同时将接收控制位即中断标志位RI置位，向CPU发出中断请求。CPU响应中断后读取输入的数据，同时用软件将RI位清除，准备开始下一帧的输入过程，直至所有数据接收完。,7.2 串行接口结构与工作原理,18,发送数据过程,CPU要发送数据时，将数据并行写入发送数据缓冲寄存器SBUF中，同时启动数据由TXD（P3.1）引脚串行发送，当一帧数据发送完，即发送缓冲器空时，由硬件自动将发送中断标志位TI置位，向CPU发出中断请求。CPU响应中断后用软件将TI位清零，同时又将下一帧数据写入SBUF中，重复上述过程直到所有数据发送完毕。,7.2 串行接口结构与工作原理,7.3 串行接口的控制寄存器与工作方式,串行接口的控制寄存器串行接口的工作方式波特率的确定,20,SCON 是一个特殊功能寄存器，用以设定串行口的工作方式、接收/发送控制以及设置状态标志：SM0和SM1为工作方式选择位，可选择四种工作方式：,1串行口控制寄存器SCON,7.3 串行接口的控制寄存器与工作方式,21,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来控制是否激活RI（RB80时不激活RI，收到的信息丢弃；RB81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和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，若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。,7.3 串行接口的控制寄存器与工作方式,22,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和方式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，若SM2=0，则RB8是接收到的停止位。,7.3 串行接口的控制寄存器与工作方式,23,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。,7.3 串行接口的控制寄存器与工作方式,24,PCON中只有一位SMOD与串行口工作有关：SMOD（PCON.7）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。,2功率控制寄存器PCON,7.3 串行接口的控制寄存器与工作方式,25,一、方式0 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fosc/12。1、方式0输出,串行口的工作方式,7.3 串行接口的控制寄存器与工作方式,26,方式0接收和发送电路,方式0输入,7.3 串行接口的控制寄存器与工作方式,27,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图所示。其中1位起始位，8位数据位，1位停止位。,方式1输出,7.3 串行接口的控制寄存器与工作方式,28,方式1输入,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，将接收到的9位数据的前8位数据装入接收SBUF，第9位（停止位）进入RB8，并置RI=1，向CPU请求中断。,7.3 串行接口的控制寄存器与工作方式,29,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时起始位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T1的溢出率决定。,方式2和方式3,7.3 串行接口的控制寄存器与工作方式,30,方式2和方式3输出,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。,7.3 串行接口的控制寄存器与工作方式,31,方式2和方式3输入,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RI=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。,7.3 串行接口的控制寄存器与工作方式,32,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T1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，各种方式的波特率计算公式也不相同。方式0的波特率=fosc/12方式2的波特率=（2SMOD/64）fosc 方式1的波特率=（2SMOD/32）（T1溢出率）方式3的波特率=（2SMOD/32）（T1溢出率）,波特率的计算,7.3 串行接口的控制寄存器与工作方式,33,当T1作为波特率发生器时，最典型的用法是使T1工作在自动再装入的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。T1 溢出率=fosc/12256（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表所示。,7.3 串行接口的控制寄存器与工作方式,34,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，要进行中断设置（编程IE、IP寄存器）。,7.3 串行接口的控制寄存器与工作方式,35,定时/计数器T2产生波特率,通过设置T2CON寄存器中的TCLK和RCLK位即可。当TCLK1时，T2被选择用于发送波特率发生器，当RCLK=1时，T2被选择用于接收波特率发生器，当TCLK和RCLK同时都置1时，T2作为发送/接收波特率发生器。,7.3 串行接口的控制寄存器与工作方式,7.4 串行接口的实例与仿真,多机通信单片机与PC机的通信双机通信,37,单片机串行口应用举例,在计算机组成的测控系统中，经常要利用串行通信方式进行数据传输。89C52单片机的串行口为计算机间的通信提供了极为便利的条件。利用单片机的串行口还可以方便地扩展键盘和显示器，对于简单的应用非常便利。这里仅介绍单片机串行口在通信方面的应用。,7.4 串行接口的实例与仿真,38,串行通信接口标准,RS-232C是EIA（美国电子工业协会）1969年修订RS-232C标准。RS-232C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。1、机械特性RS-232C接口规定使用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的定义。（阳头）,7.4 串行接口的实例与仿真,39,功能特性,7.4 串行接口的实例与仿真,40,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（约1英尺）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1000 bps 时，最大传输距离迅速下降，如9600 bps 时最大距离下降到只有76m（约250英尺）。,传输距离与传输速度之间的关系,7.4 串行接口的实例与仿真,41,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。,远程通信连接,过程特性,7.4 串行接口的实例与仿真,42,近程通信连接,7.4 串行接口的实例与仿真,43,利用调制器（Modulator）把数字信号转换成模拟信号，然后送到通信线路上去，再由解调器（Demodulator）把从通信线路上收到的模拟信号转换成数字信号。由于通信是双向的，调制器和解调器合并在一个装置中，这就是调制解调器MODEM。,信号的调制与解调,7.4 串行接口的实例与仿真,44,RS-232C电平与TTL电平转换驱动电路,7.4 串行接口的实例与仿真,45,1、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（线路条件好时也不超过几十米）。最高传送速率为20Kbps。2、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。,采用RS-232C接口存在的问题,7.4 串行接口的实例与仿真,46,抗干扰能力差 RS-232C在电平转换时采用单端输入输出，在传输过程中当干扰和噪声混在正常的信号中。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。,7.4 串行接口的实例与仿真,47,单片机与PC机串行通信,7.4 串行接口的实例与仿真,48,串口调试助手,7.4 串行接口的实例与仿真,49,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，另一条线就为逻辑“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以上电位差。若传输过程中混入了干扰和噪声，由于差分放大器的作用，可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（90Kbps）时，传输距离可达1200米。,RS-422A接口,7.4 串行接口的实例与仿真,50,点对点的通信硬件连接,双机通信,7.4 串行接口的实例与仿真,51,双机通信的仿真,7.4 串行接口的实例与仿真,52,1、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。89C52单片机的串行口方式2和方式3适于这种主从式的通信结构。当然采用不同的通信标准时，还需进行相应的电平转换，有时还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。,多机通信,7.4 串行接口的实例与仿真,53,通信协议,通信过程可以按照以下步骤进行：1.所有从机的SM2置1，以接收地址帧。2.主机发地址帧，其中包含8位从机地地址，置TB8=1装入第九位，选中所要通信地从机。3.所有从机收到地址帧后，将收到地址与本机地址比较,相符的从机，使SM2置0（以接收随后的数据帧），;不符的从机，保持SM2=1，对主机随后发来的数据帧不予理睬，直至发送新的地址帧。,7.4 串行接口的实例与仿真,54,4主机收到被选中地从机回送的地址信号后，对该从机发送控制命令（此时置TB8=0）,说明主机要求从机发送还是接收。5从机收到主机控制命令后，向主机发送一个状态信息，表明是否已经准备就绪。主机收到从机的状态信息，若从机准备就绪，主机便与从机进行数据传送。,7.4 串行接口的实例与仿真,55,多机通信仿真,7.4 串行接口的实例与仿真,7.5 RS-485总线实例与仿真,RS-485通信协议RS-485通信实例仿真,57,RS-485是RS-422A的变型：RS-422A用于全双工，而RS-485则用于半双工。RS-485是一种多发送器标准，在通信线路上最多可以使用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。由于发送方需要两根传输线，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。,RS485简介,7.5 RS-485总线实例与仿真,58,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（包括上位机）的识别是通过设置不同的站地址来实现的。,7.5 RS-485总线实例与仿真,59,RS-485通信仿真,7.5 RS-485总线实例与仿真,60,本章小结,本章详细讲述了串行通信的基本概念和内部结构，重点介绍了单片机串行口的工作方式及应用场合。接着讲述了单片机的双机通信和多机通信，以及如何通过232总线和485总线和PC机之间进行通信。,