一、计算机串行通信基础

若干个数据处理设备（计算机主机，外部设备）之间的信息交换称为数据通信。计算机与外设之间的数据通信有两种不同的方式：并行通信和串行通信。

并行通信是指数据的各位同时传送，每一位数据都需要一条传输线，如图4.9（a）所示。对于单片机，一次传送一个字节数据，因而需要8根数据线。这种通信方式只适合于短距离的数据传输。它的特点是传输速度快，但传输线多。

串行通信是指数据的各位分时传送，只需要一根数据线。对于一个字节数据，至少要分8次传送，如图4.9（b）所示。

图4.9　并行通信和串行通信示意图

可见，串行通信比并行通信的数据传输速度要低。随着现代通信技术的发展，串行通信也能达到很高的速度，完全能满足一般数据通信对传输速度的要求。串行通信可大大节省传输线路，而且能进行远距离的数据传输。

1.异步通信和同步通信

串行通信根据传送方式的不同又分为异步通信和同步通信。

（1）异步通信。

异步传输的特点是数据以字符为单位传送，在每一个字符数据的传送过程中都要加进一些识别信息位和校验位，构成一帧字符信息，或称为字符格式。在发送信息时，信息位的同步时钟（即发送一个信息位的定时信号）并不发送到线路上去，在数据的发送端和接收端各自有独立的时钟源。

异步通信的一帧数据格式由四部分组成：起始位、数据位、奇偶校验位和停止位，如图4.10所示。

图4.10　异步通信帧格式

起始位：按照串行通信协议的规定，在通信双方不进行数据传输时，线路呈逻辑“1”。在发送端需要发送字符时，首先发送一个起始位，即将线路置成逻辑“0”，起始位长度占1位。

数据位：数据位紧跟在起始位之后，用户根据情况可取5位、6位、7位或8位，低位在前高位在后。

奇偶校验位：在数据位之后，便是一个奇偶校验位。它是根据通信双方采用何种校验方式（奇校验或偶校验）的约定而加入的。目前专用于串行通信的IC芯片大多采用这种校验方式。在传输过程中，CPU可以根据此标志进行纠错处理。

停止位：它用来表示一个字符数据的结束，用逻辑“1”表示。停止位长度可以是1位、1.5位或2位。

停止位之后紧接着可以是下一个字符的起始位，也可以是若干个空闲位（逻辑“1”）。它意味着线路处于等待状态。

（2）同步通信。

同步通信是一种连续串行传送数据的通信方式，一次通信只传输一帧信息。这里的信息帧和异步通信的字符帧不同，通常有若干个数据字符，如图4.11所示。图4.11（a）为单同步字符帧结构，图4.11（b）为双同步字符帧结构，但它们均由同步字符、数据字符和校验字符CRC（循环冗余校验）三部分组成。

与异步通信不同的是，同步方式需要提供单独的时钟信号，且要求接收器时钟和发送器时钟严格保持同步。为此在硬件电路上采取了一些复杂的措施来加以保证。

图4.11　同步通信的字符帧格式

2.波特率

串行通信的数据传输速率是用波特率来表示的。波特率定义为每秒钟传送二进制数码的位数。在异步通信中，波特率为每秒传送的字符数与每个字符位数的乘积。假如每秒传送120个字符，而每个字符按上述规定包含10位（起始位、校验位、停止位各1位，数据位7位），则波特率为：

120字符／秒×10位／字符＝1200位／秒（bps）

波特率越高，数据传输的速度越快，一般异步通信的波特率在50～9600位／秒之间。

有两点需要注意：

（1）波特率并不等于有效数据位的传输速率。例如：对于10位帧格式的数据传输，其中只有7位是有效数据位，3位是识别信息位，所以有效数据位的传输速率是：

120字符／秒×7位／字符＝840位／秒（bps）

（2）波特率也不等同于时钟频率。通常采用高于波特率若干位的时钟频率（16或64倍）对1位数据进行检测，以防止传输线路上可能出现短时间的脉冲干扰，从而保证对数据信号的正确接收。

3.串行通信制式

在串行通信中，按通信双方数据传输的方向，可分为单工（Simplex）、半双工（Half Duplex）和全双工（Full Duplex）三种制式。如图4.12所示。

单工是指两个通信设备中一个只能作发送、一个只能作接收，数据传送是单方向的，如图4.12（a）所示。

半双工是指两个通信设备中都有一个发送器和一个接收器，相互可以发送和接收数据，但不能同时在两个方向上传送，即每次只能有一个发送器和一个接收器工作，如图4.12（b）所示。

图4.12　串行通信制式

全双工是指两个通信设备可以同时发送和接收数据，数据传送可以同时在两个方向进行，如图4.12（c）所示。尽管许多串行通信接口电路具有全双工功能，但在实际应用中，大多数情况只工作于半双工方式，这种用法比较简单、实用。

二、MCS－51单片机的串行口

串行接口电路的种类和型号很多，能够完成异步通信的硬件电路称为UART，即通用异步接收器／发送器；能够完成同步通信的硬件电路称为USRT；既能够完成异步又能同步通信的硬件电路称为USART。

从本质上说，所有的串行接口电路都是以并行数据形式与CPU接口，以串行数据形式与外部逻辑接口。它们的基本功能都是从外部逻辑接收串行数据，转换成并行数据后传送给CPU，或从CPU接收并行数据，转换成串行数据后输出到外部逻辑。

1.串行口的结构

MCS－51单片机内置一个全双工的串行口，既具有通用异步接收和发送器UART的全部功能，也具有同步移位寄存器的功能。串行口基本结构如图4.13所示。主要由两个独立的串行数据缓冲寄存器SBUF（一个发送缓冲寄存器，一个接收缓冲寄存器），串行口控制寄存器、输入移位寄存器及若干控制门电路组成。

图4.13　串行口结构框图

2.串行口控制寄存器SCON

串行口工作方式的设定、接收与发送控制的设置都是通过对串行口控制寄存器SCON的编程确定的。SCON是一个特殊功能寄存器，其地址为98H，可位寻址，其各位的作用定义如下：

SM0、SM1：串行口工作方式选择位，工作方式选择，如表4.3所示。其中fosc是振荡器的频率。

表4.3　工作方式选择

SM2：多机通信控制位。在方式0下，SM2应为0。在方式1下，如果SM2＝0，则只有收到有效的停止位时才会激活RI。在方式2和方式3下，如置SM2＝1，则只有在收到的第9位数据为1时，RI被激活（RI＝1，申请中断，要求CPU取走数据）。

REN：允许接收控制位。由软件置位或清零。REN＝1，允许接收；REN＝0，禁止接收。

TB8：在方式2和方式3下，存放要发送的第9位数据，常用作奇偶校验位。在多机通信中，可作为区别地址帧或数据帧的标识位，若为地址帧，TB8＝1；若为数据帧，TB8＝0。

RB8：在方式2和方式3下，存放接收到的第9位数据；在方式1下，如SM2＝0，则该位为接收到的停止位；方式0不用此位。

TI：发送中断标志。在方式0下，发送完第8位数据位时，由硬件置位；在其他方式下，当开始发送停止位时，由硬件将TI置位，即是向CPU申请中断，CPU可以发送下一帧数据。在任何方式下，TI必须由软件清零。

RI：接收中断标志。在方式0下，接收完第8位数据位时，由硬件置位；在其他方式下，当接收到停止位时RI置位，即申请中断，要求CPU取走数据。它必须由软件清零。

3.串行口的工作方式

（1）方式0。

此时串行口工作于同步移位寄存器方式，串行口相当于一个并入串出或串入并出的移位寄存器。数据从RXD输入或输出（低位在先，高位在后），TXD输出同步移位时钟，其传输波特率是固定的，为fosc／12。发送过程从数据写入SBUF开始，当8位数据传送完毕后，TI被置1。接收时，必须先使REN＝1、RI＝0，当8位数据接收完后，RI会置1，此时接收数据存于SBUF中。若要再次发送和接收数据，必须用软件将TI、RI清零。

这种方式常用于单片机外围接口电路的扩展。

（2）方式1。

此时串行口工作于异步通信方式，帧数据格式为10位（8位数据，起始位、停止位各1位）。其传输波特率是可变的，对于80C51串行口的波特率由工作在方式2下的定时器T1的溢出率决定。此时常设置定时器T1工作在方式2下，且禁止中断。

其中，SMOD为电源及波特率控制寄存器PCON（87H）中的最高位。SMOD＝1时，表示波特率加倍；SMOD＝0时，表示波特率不加倍。X为定时器T1的初值。

当串行口以方式1发送时，进行写入SBUF操作，就可将数据位逐一由TXD端送出。当发送一帧数据后，将TI置1。

当串行口以方式1接收时，需控制SMOD中的REN为1，此时对RXD引脚进行采样，当采样到起始位有效时，开始接收数据。当一帧数据接收完毕，且RI＝0、SM2＝0或接收到RB8＝1时，接收数据有效，RI置1，此时可进行读SBUF操作。

若要再次发送和接收数据，必须用软件将TI、RI清零。

（3）方式2和方式3。

此时串行口工作于异步通信方式，帧数据格式为11位（起始位1位、8位数据位、1位可编程数据位、1位停止位）。

方式2与方式3的差别仅在于，方式2的波特率为fosc／32（SMOD＝1）或fosc／64（SMOD＝0），而方式3与方式1一样，波特率是可变的，也是由定时器T1的溢出率决定。

发送时，由软件设置TB8后构成第9位数据进行发送，TB8可作为多机通信中的地址／数据信息的标志位，也可作为奇偶校验位。方式2、3的发送过程与方式1的发送过程类似。

方式2、3的接收过程与方式1的接收过程类似，当接收到第9位数据后，将这一位送入RB8中。

表4.4列出了用定时器T1产生各种常用波特率的方法。

表4.4　定时器1产生的常用波特率

表4.5给出了串行口四种工作方式的特性小结。

表4.5串行口工作方式一览表

三、串行通信的程序设计

1.串行口的初始化编程

串行口的初始化编程主要是对串行口控制寄存器SCON、电源控制寄存器PCON中的SMOD位的设定及对串行口波特率发生器T1的初始化。如果涉及中断系统，则还需要对中断允许控制寄存器IE及中断优先级控制寄存器IP进行设定。

常用初始化内容如下，可根据需要增减其中各项。

SCON＝工作方式控制字；／／设定串行口工作方式

PCON＝0X80；／／波特率加倍时设定

TMOD＝0X20；波特率可变时，用于设定T1工作方式

TH1＝定时初值；(www.daowen.com)

TL1＝定时初值；

ET1＝0；／／禁止定时器T1中断

TR1＝1；／／启动T1，产生波特率

EA＝1；／／若使用中断方式，开CPU中断

ES＝1；／／开串行口中断

PS＝1；／／设定串行口为高优先级中断

例4－1　按项目4任务要求，若fosc＝12MHz，波特率为4800bps，设SMOD＝1，则定时／计数器T1的计数初值为多少？若允许串行口中断，进行初始化编程。

分析：要设定波特率为4800bps，首先应计算定时初值：

初始化程序如下：

2.发送和接收程序设计

通信过程包含两部分：发送和接收，因此通信软件也包括发送程序和接收程序。它们分别位于发送机和接收机中。发送和接收程序的设计一般采用两种设计方法：查询和中断。

异步串行通信是以帧为基本传送单位的。在每次发送或接收完一帧数据后，将由硬件使SCON中的TI或RI置1。

查询方式就是根据TI或RI的状态是否有效，来判断一次数据发送或接收是否完成，在发送程序中，首先将数据发送出去，然后查询是否发送完毕，再决定发下一帧数据，即“先发后查”。在接收程序中，首先判断是否接收到一帧数据，然后保存这一帧数据，再次查询是否接收到下一帧数据，即“先查后收”。

例4－2　在串行计数器中，甲乙机发送接收按键的计数值数采用查询方式，要求：编制程序并进行Proteus仿真。

（1）甲机串行口查询式发送程序。

（2）乙机串行口查询式接收程序。

甲乙机采用查询时方式发送接收计数值后，仿真运行效果如图4.14所示。

图4.14　串行计数器查询时数据传送仿真效果

采用中断方法编程，则将TI、RI作为中断申请标志。如果设置系统允许串行口中断，则每当TI或RI产生一次中断申请，就表示一帧数据发送或接收结束。CPU响应一次中断申请，执行一次中断服务程序，在中断服务程序中完成数据的发送或接收，其中，发送程序中必须有一次发送数据的操作，目的是为了启动第一次中断，之后的所有数据的发送均在中断服务程序中完成。而接收程序中，所有的数据接收操作均在中断服务程序中完成。

例如：在串行计数器中，甲乙机发送接收按键的计数值数采用了中断方式，中断服务程序如下：

（1）甲机串行口发送中断服务程序。

四、串行通信总线标准及其接口

在单片机应用系统中，在采用异步通信设计通信接口时，必须根据需要选择标准接口，采用了标准接口，能够方便地把单片机和外设连接起来。异步通信接口主要有RS－232C接口，RS－449、RS－422和RS－485接口。下面详细介绍RS－232C标准接口。

1.RS－232C接口

RS－232C是使用最早、应用最多的一种异步串行通信总线标准。它是电子工业协会（EIA）1962年公布，1969年最后修订而成的。RS－232C主要用来定义计算机系统的一些数据终端设备（DTE）和数据电路终接设备（DCE）之间的电气性能。

RS－232C串行接口总线适用于：设备之间的通信距离不大于15 m，传输速率最大为20 kb／s。

（1）RS－232C信息格式标准。

RS－232C采用串行格式，如图4.15所示。该标准规定：信息的开始为起始位，信息的结束为停止位；信息本身可以是5、6、7、8位再加一位奇偶校验位。如果两个信息之间无信息，则写“1”，表示空。

图4.15　RS－232C信息格式

（2）RS－232C电平转换器。

RS－232C规定了自己的电气标准，由于它是在TTL电路之前研制的，所以它的电平不是＋5 V和地，而是采用负逻辑，即逻辑“0”：＋5 V～＋15 V；逻辑“1”：－5 V～－15 V。因此，RS－232C不能和TTL电平直接相连，使用时必须进行电平转换，否则将使TTL电路烧坏，实际应用时必须注意。MAX232、MC1488、MC1489是常用的电平转换集成电路。其中MAX232芯片是低功耗、单电源、双RS－232C发送接收器，可实现TTL到EIA的双向电平转换。其内部结构和引脚排列如图4.16、4.17所示。电容配置参见表4.6。

图4.16　MAX232内部结构

图4.17　MAX232引脚图

表4.6　MAX232电容配置表

（3）RS－232C总线规定。

RS－232C标准总线共25根，采用标准的DB－25类型的连接器。一般情况下只需使用其中的9根信号线。所以就产生了一个简化的DB－9连接器，如图4.18所示，其各引脚的排列如图4.19所示，各引脚定义如表4.7所示。

图4.18　DB－9连接器

图4.19　DB－9连接器引脚图

表4.7　DB－9连接器各引脚定义

在最简单的全双工系统中，仅用发送数据、接收数据和信号地三根线即可。对于MCS－51单片机，利用其RXD（串行数据接收端）线、TXD（串行数据发送端）线和一根地线，就可以构成符合RS－232C接口标准的全双工通信口。

2.RS－422A和RS－485接口标准

RS－232C虽然应用广泛，但因为推出较早，在现代通信系统中存在以下缺点：传输距离短，传输速率低；通信距离较大时，有电平偏移；抗干扰能力差。鉴于此，EIA制定了新的接口标准RS－422A、RS－485等。

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－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。

五、单片机与PC机的通信

在PC机系统内部装有异步通信适配器，利用它可以实现异步串行通信。而MCS－51系列单片机本身有一个全双工的串行接口，只要配以电平转换的驱动电路、隔离电路就可组成一个简单可行的通信接口。PC机和单片机最简单的是三线式连接，但单片机输入、输出电平为TTL电平，而PC机配置的是RS－232标准串行接口，二者的电气规范不同，所以要加电平转换器。

例4－3　将PC机键盘输入字符发送给单片机，单片机接收PC机发来的字符后，在外接的LED数码管上显示接收字符的ASCII码，并将其回送PC机。要求设计并仿真。

通信双方约定：波特率4800b／s，数据8位，一个停止位，无奇偶校验位。

（1）接口设计。

采用MAX232的PC机和单片机串行口接口电路，与PC机连接采用DB－9标准插座。但仅使用RXD、TXD、GND三条线进行信号传输。如图4.20给出了采用MAX232芯片的PC机和单片机串行通信接口电路，与PC机相连采用9芯标准插座。

图4.20　PC机与单片机串行接口电路

（2）程序设计。

单片机通过中断方式接收PC机发送的数据并回送，选择串行工作方式1，定时器T1工作于方式2，SMOD＝1，fosc＝11.0592MHz，计算T1初值为0xf3。

程序如下：

（3）Proteus仿真。

①绘制电路。

PC机和单片机串行口接口电路以及所需的虚拟终端如图4.21所示。

图4.21　单片机与PC机的通信电路

②属性设置。

PC机的虚拟终端属性设置要完全相同，单片机的串行口虚拟终端属性设置要完全相同。单片机的波特率、数据位、停止位和校验位要与串行口模型设置的一样。但单片机虚拟终端与PC机虚拟终端在RX／TX Polarlty属性的设置是相反的，是因为MAX232具有信号反向后输出功能。

③仿真运行。

加载hex目标代码，进入Proteus调试环境，选择虚拟终端PCT的“Echo Typed Characters”项后，在其窗口中输入字符“A”后，可以看到单片机MCUR中显示“A”并在两位LED数码管显示出了“A”的ASCII码41，在MCUT和PCT终端窗口也显示了单片机回送的“A”。由此可看出屏幕上显示的字符与所键入的字符相同，说明二者之间的通信正常。运行结果如图4.22所示。

图4.22　仿真运行