一、原理簡介
51 單片機內(nèi)部有一個全雙工串行接口。什么叫全雙工串口呢?一般來說，只能接受或只能發(fā)送的稱為單工串行;既可接收又可發(fā)送，但不能同時進行的稱為半雙工;能同時接收和發(fā)送的串行口稱為全雙工串行口。串行通信是指數(shù)據(jù)一位一位地按順序傳送的通信方式，其突出優(yōu)點是只需一根傳輸線，可大大降低硬件成本，適合遠距離通信。其缺點是傳輸速度較低。
與之前一樣，首先我們來了解單片機串口相關(guān)的寄存器。
SBUF 寄存器：它是兩個在物理上獨立的接收、發(fā)送緩沖器，可同時發(fā)送、接收數(shù)據(jù)，可通過指令對SBUF 的讀寫來區(qū)別是對接收緩沖器的操作還是對發(fā)送緩沖器的操作。從而控制外部兩條獨立的收發(fā)信號線RXD(P3.0)、TXD(P3.1)，同時發(fā)送、接收數(shù)據(jù)，實現(xiàn)全雙工。
串行口控制寄存器SCON(見表1) 。
表1 SCON寄存器
表中各位(從左至右為從高位到低位)含義如下。
SM0 和SM1 ：串行口工作方式控制位，其定義如表2 所示。
表2 串行口工作方式控制位
其中，fOSC 為單片機的時鐘頻率;波特率指串行口每秒鐘發(fā)送(或接收)的位數(shù)。
SM2 ：多機通信控制位。 該僅用于方式2 和方式3 的多機通信。其中發(fā)送機SM2 = 1(需要程序控制設(shè)置)。接收機的串行口工作于方式2 或3，SM2=1 時，只有當接收到第9 位數(shù)據(jù)(RB8)為1 時，才把接收到的前8 位數(shù)據(jù)送入SBUF，且置位RI 發(fā)出中斷申請引發(fā)串行接收中斷，否則會將接受到的數(shù)據(jù)放棄。當SM2=0 時，就不管第位數(shù)據(jù)是0 還是1，都將數(shù)據(jù)送入SBUF，并置位RI 發(fā)出中斷申請。工作于方式0 時，SM2 必須為0。
REN ：串行接收允許位：REN =0 時，禁止接收;REN =1 時，允許接收。
TB8 ：在方式2、3 中，TB8 是發(fā)送機要發(fā)送的第9 位數(shù)據(jù)。在多機通信中它代表傳輸?shù)牡刂坊驍?shù)據(jù)，TB8=0 為數(shù)據(jù)，TB8=1 時為地址。
RB8 ：在方式2、3 中，RB8 是接收機接收到的第9 位數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)正好來自發(fā)送機的TB8，從而識別接收到的數(shù)據(jù)特征。
TI ：串行口發(fā)送中斷請求標志。當CPU 發(fā)送完一串行數(shù)據(jù)后，此時SBUF 寄存器為空，硬件使TI 置1，請求中斷。CPU 響應(yīng)中斷后，由軟件對TI 清零。
RI ：串行口接收中斷請求標志。當串行口接收完一幀串行數(shù)據(jù)時，此時SBUF 寄存器為滿，硬件使RI 置1，請求中斷。CPU 響應(yīng)中斷后，用軟件對RI 清零。
電源控制寄存器PCON(見表3) 。
表3 PCON寄存器
表中各位(從左至右為從高位到低位)含義如下。
SMOD ：波特率加倍位。SMOD=1，當串行口工作于方式1、2、3 時，波特率加倍。SMOD=0，波特率不變。
GF1、GF0 ：通用標志位。
PD(PCON.1) ：掉電方式位。當PD=1 時，進入掉電方式。
IDL(PCON.0) ：待機方式位。當IDL=1 時，進入待機方式。
另外與串行口相關(guān)的寄存器有前面文章敘述的定時器相關(guān)寄存器和中斷寄存器。定時器寄存器用來設(shè)定波特率。中斷允許寄存器IE 中的ES 位也用來作為串行I/O 中斷允許位。當ES = 1，允許 串行I/O 中斷;當ES = 0，禁止串行I/O 中斷。中斷優(yōu)先級寄存器IP的PS 位則用作串行I/O 中斷優(yōu)先級控制位。當PS=1，設(shè)定為高優(yōu)先級;當PS =0，設(shè)定為低優(yōu)先級。
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波特率計算：在了解了串行口相關(guān)的寄存器之后，我們可得出其通信波特率的一些結(jié)論：
① 方式0 和方式2 的波特率是固定的。
在方式0 中， 波特率為時鐘頻率的1/12， 即fOSC/12，固定不變。
在方式2 中，波特率取決于PCON 中的SMOD 值，即波特率為：
當SMOD=0 時，波特率為fosc/64 ;當SMOD=1 時，波特率為fosc/32。
② 方式1 和方式3 的波特率可變，由定時器1 的溢出率決定。
當定時器T1 用作波特率發(fā)生器時，通常選用定時初值自動重裝的工作方式2( 注意：不要把定時器的工作方式與串行口的工作方式搞混淆了)。其計數(shù)結(jié)構(gòu)為8 位，假定計數(shù)初值為Count，單片機的機器周期為T，則定時時間為(256 ?Count)×T 。從而在1s內(nèi)發(fā)生溢出的次數(shù)(即溢出率)可由公式(1)所示：
從而波特率的計算公式由公式(2)所示：
在實際應(yīng)用時，通常是先確定波特率，后根據(jù)波特率求T1 定時初值，因此式(2)又可寫為：
二、電路詳解
下面就對圖1 所示電路進行詳細說明。
圖1 串行通信實驗電路圖
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最小系統(tǒng)部分(時鐘電路、復(fù)位電路等)第一講已經(jīng)講過，在此不再敘述。我們重點來了解下與計算機通信的RS-232 接口電路。可以看到，在電路圖中，有TXD 和RXD 兩個接收和發(fā)送指示狀態(tài)燈，此外用了一個叫MAX3232 的芯片，那它是用來實現(xiàn)什么的呢?首先我們要知道計算機上的串口是具有RS-232 標準的串行接口，而RS-232 的標準中定義了其電氣特性：高電平“1”信號電壓的范圍為-15V~-3V，低電平“0”
信號電壓的范圍為+3V~+15V。可能有些讀者會問，它為什么要以這樣的電氣特性呢?這是因為高低電平用相反的電壓表示，至少有6V 的壓差，非常好的提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。由于單片機的管腳電平為TTL，單片機與RS-232 標準的串行口進行通信時，首先要解決的便是電平轉(zhuǎn)換的問題。一般來說，可以選擇一些專業(yè)的集成電路芯片，如圖中的MAX3232。MAX3232 芯片內(nèi)部集成了電壓倍增電路，單電源供電即可完成電平轉(zhuǎn)換，而且工作電壓寬，3V~5.5V 間均能正常工作。其典型應(yīng)用如圖中所示，其外圍所接的電容對傳輸速率有影響，在試驗套件中采用的是0.1μF。
值得一提的是MAX3232 芯片擁有兩對電平轉(zhuǎn)換線路，圖中只用了一路，因此浪費了另一路，在一些場合可以將兩路并聯(lián)以獲得較強的驅(qū)動抗干擾能力。此外，我們有必要了解圖中與計算機相連的DB-9 型RS-232的引腳結(jié)構(gòu)(見圖2)。
圖2 DB-9連接器接口圖
其各管腳定義如下(見表4)。
表4 DB-9型接口管腳定義
三、程序設(shè)計
本講設(shè)計實例程序如下：
#include "AT89X52.h" (1)
void Init_Com(void) ( 2)
{
TMOD = 0x20; ( 3)
PCON = 0x00; ( 4)
SCON = 0x50; ( 5)
TH1 = 0xE8; ( 6)
TL1 = 0xE8; ( 7)
TR1 = 1; ( 8)
}
void main(void) ( 9)
{
unsigned char dat; ( 10)
Init_Com(); ( 11)
while(1) ( 12)
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程序詳細說明：
(1)頭文件包含。
(2)聲明串口初始化程序。
(3)設(shè)置定時器1 工作在模式2，自動裝載初值(詳見第二講)。
(4)SMOD 位清0，波特率不加倍。
(5)串行口工作在方式1，并允許接收。
(6)定時器1 高8 位賦初值。波特率為1200b/s(7)定時器1 低8 位賦初值。
(8)啟動定時器。
(9)主函數(shù)。
(10)定義一個字符型變量。
(11)初始化串口。
(12)死循環(huán)。
(13)如果接收到數(shù)據(jù)。
(14)將接收到的數(shù)據(jù)賦給之前定義的變量。
(15)將接收到的值輸出到P0 口。
(16)對接收標志位清0，準備再次接收。
(17)將接收到的數(shù)據(jù)又發(fā)送出去。
(18)查詢是否發(fā)送完畢。
(19)對發(fā)送標志位清0。
四、調(diào)試要點與實驗現(xiàn)象
接好硬件，通過冷啟動方式將程序所生成的。hex文件下載到單片機運行后，打開串口調(diào)試助手軟件，設(shè)置好波特率1200，復(fù)位單片機，然后在通過串口調(diào)試助手往單片機發(fā)送數(shù)據(jù)(見圖3)，可以觀察到在接收窗口有發(fā)送的數(shù)據(jù)顯示，此外電路板上的串行通信指示燈也會閃爍，P0 口所接到LED 燈會閃爍所接收到的數(shù)據(jù)。
圖3 串口軟件調(diào)試界面
另外串口調(diào)試助手軟件使用時應(yīng)注意的是，如果單片機開發(fā)板采用串口下載而且和串口調(diào)試助手是使用同一串口，則在打開串口軟件的同時不能給單片機下載程序，如需要下載，請首先點擊“關(guān)閉串口”，做發(fā)送實驗的時候，注意如果選中16 進制發(fā)送的就是數(shù)字或者字母的16 進制數(shù)值，比如發(fā)送“0”，實際接收的就應(yīng)該是0x00，如果不選中，默認發(fā)送的是ASCII 碼值，此時發(fā)送“0”，實際接收的就應(yīng)該是0x30，這點可以通過觀察板子P0 口上的對應(yīng)的LED 指示出來。
五、總結(jié)
本講介紹了單片機串口通信的原理并給出了實例，通過該講，讀者可以了解和掌握51 單片機串口通信的原理與應(yīng)用流程，利用串口通信，單片機可以與計算機相連，也可以單片機互聯(lián)或者多個單片機相互通信組網(wǎng)等，在實際的工程應(yīng)用中非常廣泛。從學(xué)習的角度來說，熟練的利用串口將單片機系統(tǒng)中的相關(guān)信息顯示在計算機上可以很直觀方便的進行調(diào)試和開發(fā)
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