MCS-51单片机有一个全双工（具有同时收发数据的功能）的异步串行通信接口，具备两个功能：一个是可作为同步移位寄存器使用，进行串行口与并行口转换；另一个是用来实现单片机与单片机或单片机与PC之间的异步串行通信。

4.3.4.1　串行通信方式简介

在单片机内，目前使用的串行通信接口的种类很多，如UART、I2C、SPI、USB等。不同型号的单片机使用的串行通信接口不同，如AT89系列单片机内使用的是UART；C8051F系列单片机内有的使用UART和SPI、有的使用UART和USB等。所以，可以根据自己的需要选择相应的单片机；在有些场合如果单片机没有需要的串行通信接口，则可以通过单片机的I/O口进行模拟。

在MCS-51和AT89系列单片机中使用的是全双工UART（异步串行通信接口）。UART有两种工作状态：同步串行通信状态和异步串行通信状态。同步串行通信虽然传输速率较高，但由于其硬件电路复杂，且无论是在发送状态还是在接收状态都要同时使用两条信号线，所以在单片机上进行同步通信只能使用单工方式或半双工方式，很不方便。单片机上的串行口在同步方式下除了可以用于通信外，还可以用于I/O口的扩展。当与74LS164联合使用时，可以扩展成并行输出口；当与74LS165联合使用时，可以扩展成并行输入口等。而异步通信技术则相对同步通信较简单，虽然传输速率不高（这里指单片机的串行口），但应用十分广泛，并且方便与其他通信标准进行衔接。

4.3.4.2　51单片机的串行通信

（1）串口接口的数据传输方式。

1）异步传输方式。

数据异步传输方式就是指通信双方事先约好需要传输数据的格式、传输的速度。通过一条线路实现从一方到达另一方的数据传送；如果需要数据的双向传输，可以再增加一条通信线路。

数据传输格式：异步传输时，数据是以字符为单位进行数据传送的。每个字符由4部分组成：起始位、数据位、奇偶校验位和停止位。如图4-20所示。

图4-20　数据异步传输格式

起始位为“0”，占用1位，用来表示一个字符数据的开始；其后是数据位，可以是5位、6位、7位或8位，传输时待发送数据的低位在前，高位在后；接下来是奇偶校验位（即可编程位，单个单片机通信时，它为奇偶标志位；进行多机通信时，它为地址/数据标志位）；最后是停止位，用逻辑“1”表示一个字符信息的结束，可以是1位、1位半或两位。

数据异步传输的特点：数据在线路上的传送不连续，传送时字符间隔不固定。各个字符可以是连续传送，也可以是间断传送，这完全取决于通信协议或双方的约定。间断传送时，在停止位后，线路上自动保持为“1”，表示通信总线“空闲”。

在使用数据异步传输时，数据传输的效率并不是很高。当采用1位起始位、8位数据位、1位奇偶位和1位停止位时，有效数据值占到了一次1个字符的73%。如果数据位减少，则传输的效率更低。但这种方式也有其优点：硬件电路简单，方便实现各种通信标准的变换。

2）同步传输方式。

同步传输方式是指通信双方同时使用两条通信线。其中一条用于产生时钟，并且要求发送和接收的双方必须保持完全同步（一般情况下，时钟信号由发送端提供），另一条用于传送数据。如果需要同时双向数据传输，则需要再添加两条通信线，但是MCS-51系列单片机不支持同时的双向数据同步传输，所以只能进行分时复用。

数据格式：同步传输时，数据是以数据块的形式进行传输的。每个数据块包括同步字符、数据和校验字符，如图4-21所示。

数据传输时，由于不像异步传输那样附加了起始位和停止位，所以数据的传输效率较高；一旦发现接收到的数据出错，所有的数据都需要重新传输，效率也会相应地降低，而且当大量数据进行一次性传输时，错误的概率较高。

图4-21　数据同步传输格式

在近距离的数据通信时，同步传输方式可以使用两条通信线。在远距离通信时，可以通过调制解调从数据流中提取同步信号，用锁相的技术使接收方得到与发送方相同的时钟信号。另外，时钟信号线与数据线分离可以实现高速率、大容量的数据通信。

综上所述，数据异步传输方式较为简单，应用广泛；同步传输方式速率高，但硬件电路复杂，所以较少使用。

（2）串行接口寄存器。

单片机的串行接口主要受串行接口控制寄存器SCON的控制，另外也和电源控制寄存器PCON有关。

1）串口控制寄存器SCON。

SCON寄存器的8个状态位规定了MCS-51串行通信的方式和功能，其方式和功能由寄存器SCON来进行设置，可选择通信模式、允许接收、检查状态位。SCON的结构如表4-18所列。SCON各个位的定义和功能如表4-19所示。

表4-18　SCON寄存器结构

波特率发生器的时钟来源有两种：一是来自系统的时钟分频（波特率不可变），二是由定时器T1提供（波特率可变）。

2）电源控制寄存器PCON。

对PCON来说只有最高位SMOD对串口通信产生影响，那就是如果SMOD=0，波特率为原值；SMOD=1，波特率提高一倍。该寄存器不能进行位寻址，所以只能进行整字节操作。

PCON的结构见表4-20。

（3）串行口的工作方式。

UART有一个接收数据缓冲区，当上一个字节还没被处理时，下一个数据仍然可以被缓冲区接收进来；但如果接收完这个字节而上个字节还没处理，则上个字节被覆盖。因此，软件必须在此之前处理数据。当连续发送字节时也是如此。

8051支持10位和11位数据方式，11位数据方式用来进行多机通信，并支持高速8位移位寄存器方式。方式1和方式3中波特率可变。

1）UART方式0。

方式0时，UART作为一个8位的移位寄存器使用，波特率为Fosc/12。数据由RXD从低位开始收发，TXD用来发送同步移位脉冲。因此，方式0不支持全双工。这种方式可用来和某些具有8位串行口的EEPROM器件通信。

表4-19　SCON各个位的定义和功能说明

表4-20　PCON寄存器结构

当向SBUF写入字节时，开始发送数据。数据发送完毕时，TI位置位。置位REN时，将开始接收数据；接收完8位数据时，RI位将置位。方式0的输出时序图如图4-22所示。输入时序图如图4-23所示。

图4-22　UART方式0输出

图4-23　UART方式0输入

2）UART方式1。

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4-24所示。其中，1位起始位，8位数据位，1位停止位。方式1的输出时序如图4-25所示。输入时序如图4-26所示。

图4-24　传送一帧数据的格式

用软件置REN为1时，接收器选择波特率的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，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，接收到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。

图4-25　UART方式1输出

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图4-26　UART方式1输入

如果用定时器1来产生波特率，则应通过下式来计算装入TH1的初值：

TH1=256-（K×Fosc）/（384×BoudRate）

K=1（SMOD=0）；K=2（SMOD=1）

其中，Fosc为单片机的晶振频率，BandRate为波特率。重装值要小于256，非整数的重装值必须和下一个整数非常接近，这点需要开发者把握。

举例：如果使用9.216 MHz晶振，想产生9600的波特率。设K=1，分子为9216000，分母为3686400，相除结果为2.5，不是整数。设K=2，分子为18432000，分母为3686400，相除结果为5，可得TH1=251或0FBH。

3）UART方式2和方式3。

方式2或方式3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。传送一帧数据的格式如图4-27所示。

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的波特率由定时器的溢出率决定。

方式2、3的输出时序如图4-28所示。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，控制电路进行最后一次移位并置TI=1，向CPU请求中断。

图4-27　传送一帧数据的格式

图4-28　UART方式2、3输出

方式2、3的输入时序图如图4-29所示。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R1，继续搜索RXD引脚的负跳变。

图4-29　UART方式2、3输入

（4）波特率的计算。

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分为4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，由定时器的溢出率来决定。

串行口的4种工作方式对应3种波特率。由于输入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）·（定时器溢出率）

方式3的波特率=（2SMOD/32）·（定时器溢出率）

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/｛12×［256-（TH1）］｝

在单片机的应用中，常用的晶振频率为12 MHz和11.0592 MHz。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4-21所列。串行口工作之前应对串口通信进行初始化，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：

①确定T1的工作方式（编程TMOD寄存器）。

②计算T1的初值，装载TH1、TL1。

③启动T1（编程TCON中的TR1位）。

④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）。常用串口波特率与定时初值见表4-21。

表4-21　常用串口波特率与定时初值对应表

4.3.4.3　RS232标准及应用

目前RS232是PC与通信工业中应用最广泛的一种串行接口，其中EIA（Electronic Industry Association）代表美国电子工业协会，RS代表推荐标准，232是标识号。RS232定义为一种在低速率串行通信中增加通信距离的单端标准。一个完整的RS232接口有22根线，采用标准的25芯插头座（DB25）。除此之外，目前广泛应用的还有一种9芯的RS232接口（DB9）。它们的外观都是D形的，对接的两个接口又分为针式和孔式两种，如图4-30所示。DB9的引脚定义如表4-22所列。

RS232采取不平等传输方式，即单端通信，是指发送和接收双方的数据信号都是相对于信号地的。由于RS232电平采用负逻辑（即逻辑“1”：-3～-15 V，逻辑“0”：+3～+15 V），而单片机使用的CMOS电平（即逻辑“1”：3.5～5 V，逻辑“0”：0～0.8 V），所以在单片机与RS232进行连接通信之前，需要在单片机的串行接口上连接电平转换电路，将与TTL兼容的CMOS电平转换成RS232的标准电平，转换后的典型值为逻辑“1”：-10 V；逻辑“0”：+10 V。RS232是为点对点（即只用一对收发设备）通信而设计的，其驱动器负载为3～7 kΩ。

图4-30　DB25与DB9的孔式外形图

常用的RS232电平转换接口芯片为MAX232。MAX232芯片是MAXIM公司生产的、包含两路接收器和驱动器的IC芯片，内部有一个电源电压变换器，可以把+5V电源电压变换成RS232输出电平所需的+10 V电压。所以，采用此芯片接口的串行通信系统只需单一的+5V电源就可以了。其引脚图和外部连接电路图如图4-31所示。

表4-22　DB9引脚定义

图4-31　MAX232引脚及标准外部连接电路图

RS232串行通信信号引脚分为两类：一类为基本的数据传送信号引脚，另一类是用于MODEM控制的引脚信号。在无MODEM的电路中，可以采用最简单的连接方式，即只有使用3个引脚信号：TXD、RXD和GND。使用这种方式的引脚连接如图4-32所示。

图4-32　引脚连接

4.3.4.4　串口通信的应用

例4-4　串口波特率为9600，通过串口发送接收数据。需要串口调试助手来辅助调试。

代码如下：