单片机内部有一个功能强大的全双工串行口

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单片机内部有一个功能强大的全双工串口，串口有四种工作模式供不同场合使用。波特率可由软件设置，由片内定时器/计数器生成。串口收发可以工作在查询模式或中断模式，使用起来非常灵活。

除了数据通信外，单片机的串口还可以用来驱动单片机应用系统中的键盘和显示器，这是其他微机系统无法比拟的。

串口的结构与控制

为了进行串行数据通信，单片机也需要相应的串行接口电路。但是，这个接口电路并不是一个单独的芯片，而是集成在单片机芯片内部，成为单片机芯片的一个组成部分。

80C51单片机内部的串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。控制单片机串口的控制寄存器有两个：特殊功能寄存器SCON和PCON，可以通过软件改变它们来控制串口的工作模式和波特率。

缓冲寄存器 SBUF

80C51单片机内部有一个全双工串行通讯口，即串行收发缓冲器SBUF。这两者是物理上独立的接收器和发送器，既可以接收数据，也可以发送数据。但是，接收缓冲区只能读不能写，而发送缓冲区只能写不能读。两个缓冲区共享相同的地址（99H）。

该通讯口可用于网络通讯、串行异步通讯，也可作为同步移位寄存器使用。如果在通讯口的输入输出引脚上加一个电平转换器，也可以很容易地形成标准的RS-232和RS-485接口。

逻辑上，只有一个SBUF，代表发送寄存器和接收寄存器，地址相同（99H）。物理上，有两个SBUF，一个是发送寄存器，另一个是接收寄存器。

串口控制寄存器SCON

该寄存器的字节地址为 98H，具有位寻址功能。

SCON 格式如下：

SM0(SCON.7), SM1(SCON.6)：控制串口的工作模式。

SM2(SCON.5)：允许模式2和模式3进行多机通讯的控制位。在模式2或模式3下，如果SM2=1，则接收到的第9位数据(RB8)@RI > 为 0 时不激活。模式 1 下，如果 SM2=1，RI 只有在接收到有效停止位时才会激活。如果没有接收到有效停止位，RI 将被清零。模式 0 下，SM2必须设置为 0。

REN(SCON.4)：启用串行接收控制位。REN=1 启用串行接收，REN=0 禁用串行接收。该标志由软件设置或清除。

TB8(SCON.3)：工作在模式2和模式3时，该位是要发送的数据的第9位。在某些通信协议中，第9位用于奇偶校验（加奇偶或补偶)；而在MCS-51多处理器通信中，该位是区分地址帧或数据帧的标志，必要时由软件置位或复位。

RB8(SCON.2)：工作在模式2和模式3时，该位是已经接收到的数据的第9位，是奇偶校验位。是MCS-51多处理器通信标志位的区别地址帧/数据帧 模式1，若SM2=0，RB8存储接收数据的停止位；模式0，RB8不使用，必要时可软件置1或清0。

TI(SCON.1)：发送中断标志位。在模式0下，当发送第8位数据时由硬件置位；在其他模式下，当停止位开始发送时由硬件置位。当TI设置=1时，申请中断，CPU响应中断后，软件将TI清零，然后发送下一帧数据。

RI(SCON.0)：接收中断标志位。在模式0，接收到第8位数据时由硬件自动置位；在模式1，SM2=1，只有接收到有效的停止位, 只有这样才能设置 RI 其他模式下 RI 在接收到停止位中间由硬件设置 设置时申请中断 CPU 响应中断后取数据并清除 RI标志，必须由软件清除。

SCON 中的所有位在复位时被清除。

特殊功能寄存器 PCON

它的字节地址为87H，没有位寻址功能。PCON的格式如下：

其中只有D7位与串口有关。

SMOD：波特率选择位。

串口的工作原理

串口有四种工作模式，由串口控制寄存器SCON中的SM0、SM1的状态定义。代码和功能如表 2-3 所示。在这四种工作模式中，只有模式1、2、3 用于串行通信。Mode 0 主要用于扩展并行输入/输出端口。

表2-3 串口工作模式

表中：fosc为晶振频率，UART为通用异步接收器和发生器。

方式 0

模式0状态下，串口为同步移位寄存器的输入/输出模式，波特率固定，数据从RxD(P3.0)端输入，进行同步移位，脉冲由TxD（P3.1)端输出。模式0主要用于扩展并行输入输出端口（如串行LED数码管显示系统等） .)。

(1)模式 0 发送

当有数据写入串口发送缓冲器SBUF 时，串口会以fosc/12 的波特率从RxD 引脚（从低到高）输出8 位数据。当发送 8 位数据时，将发送中断标志 TI 置 1。TxD 引脚输出一个同步脉冲，波形如图 2-22 所示。

(2)模式 0 接收

在 REN=1 和 RI=0 的条件下，将开始一个接收过程。此时RxD为串行输入端，TxD为同步脉冲输出端。串口接收的波特率为 fosc/12，其时序如图 2-23 所示。接收到一帧数据（8位）后，控制信号复位，中断标志RI置1，处于中断申请状态。再次接收时，RI 必须用软件清零。

▲图 2-22 串口“mode 0”发送时序

▲图 2-23 串口“mode 0”接收时序

模式0下，SCON中的TB8、RB8位无用，多机通信控制位SM2必须为0。模式0下发送或接收8位数据时，中断标志TI或RI由硬件设置为 1 并发送中断标志 TI 或 RI，并向 CPU 应用中断。CPU 响应 TI 或 RI 中断后，必须由用户程序清除标志 TI 或 RI。

方式1

当串口工作在模式1时，SCON中SM0、SM1的两位分别为0、1，则串口被控制为8位可变波特率异步通信接口。发送的每帧信息为 10 位：1 个起始位、8 个数据位（先低位，然后是高位）和 1 个停止位。

(1)方法一发送

串口发送模式1时，数据从TxD端输出，CPU执行指令将数据写入发送数据缓冲区SBUF。数据字节写入 SBUF 后，串口发送器开始发送。发送完一帧信息的数据位后，发送中断标志置1串口转换器被识别为其他设备，其时序如图2-24所示。

▲图2-24 串口“模式1”发送时序

(2)模式 1 接收

当 REN=1 时，允许接收器接收，数据从 RxD 端输入。接收器以选定波特率的 16 倍采样 RxD 终端的电平。当检测到 RxD 端从 1 变为 0 时，接收器开始接收并重置内部 16 频率计数器以实现同步。

在起始位，如果接收到的值不为0，则起始位无效，接收电路复位，当再次接收到从1到0的跳变时，重新启动接收器。如果接收到的值为0，则起始位有效，接收方开始接收剩余的帧（一帧信息为10位）。模式1接收，如果同时满足以下两个条件：RI=0、SM2=0，接收到的停止位=1，则接收到的数据有效，加载SBUF，停止位进入 PB8、 接收中断标志 RI 设置为 1。接收控制器再次采样 RxD 的负跳变，以便接收下一帧数据。

如果不能同时满足这两个条件，信息就会丢失。中断标志 RI 必须由用户软件清零。正常情况下，串口工作在模式 1 时，SM2 设置为 0。模式 1 的接收时序如图 2-25 所示。

▲图2-25 串口“模式1”接收时序

方式2

当SM0、SM1的两位分别为1、0时，串口工作在模式2，串口定义为9位异步通信接口。可编程位（TB8)@>发送时根据需要设置为0或1，接收时将可编程位发送到SCON中的RB8。

(1)方法2发送

模式2发送时，数据从TxD端输出，发送的一帧信息由11位组成：1个起始位，8个数据位（低位在前，高位在后），1个可编程位（第9位）数据位）和1个停止位，附加的第9位数据是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，也可作为数据奇偶校验位。

CPU 执行一条写 SBUF 的指令后，立即启动发送器发送。发送一帧信息后，TI 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（或轮询程序）清零。

▲图 2-26 串口“模式 2”发送顺序

(2)模式 2 接收

当SM0、SM1的两位分别为1、0，REN=1时，允许串口接收模式2的数据。数据从RxD端输入，接收11位信息：1 个起始位、8 个数据位、1 个可编程位（第 9 个数据）和 1 个停止位。当接收端在 RxD 端对从 1 到 0 的跳变进行采样，判断起始位有效时，开始接收一帧信息。接收端接收到第9位数据后，若RI=0且SM2=0或接收到的第9位数据为1，则将接收到的数据发送到SBUF，将第9位数据发送到RB8，设置RI =1，其时序如图 2-27 所示。如果不能同时满足这两个条件，接收到的信息就会丢失。

8)0@>

▲图2-27 串口“模式2”接收时序

方式3

当 SM0、SM1 的两位为 11 时，串口工作在模式 3，模式 3 为 9 位可变波特率异步通信模式。时序与接收时序相同。

波特率计算和串口初始化

波特率计算

在串行通信中，发送方和接收方的波特率必须一致。串口的4种工作模式可以通过软件设置，每种模式的波特率都可以确定。

(1)方式0的波特率是固定的，为单片晶振频率fosc的1/12，即BR=fosc/12。

如果fosc=6MHz，波特率/s；如果 fosc=12MHz，波特率为 1Mbit/s。

（2)方式2的波特率也是固定的，有两种，一种是1/32晶振频率，一种是1/64晶振频率，即fosc/32和fosc /64 。例如表示为：

8)4@>

式中，SMOD为特殊功能寄存器PCON串口波特率系数的控制位，SMOD=1表示波特率加倍。请注意，PCON 不能使用位寻址，只能对其进行字节操作。

例如12M晶振系统，如果SMOD=0，波特率=188)5@>5kbit/s；SMOD=1，波特率/s。

（3)模式1和模式3的波特率是可变的，其波特率由定时器1的计数溢出决定（对于80C52，也可以使用定时器2的计数溢出），公式为：

8)7@>

Timer 1的溢出率计算公式为：

8)8@>

各种方式的波特率计算如表2-4所示。

8)9@>

表 2-4 波特率计算公式

表中，如果SMOD=0，则K=1；如果 SMOD=1，则 K=2。

通常在使用单片机的串口时，所选择的晶振频率fosc是比较固定的（一般为6MHz、12MHz或11.）。单片机与单片机通信时，选择的波特率是相对固定的。

在实际使用中，定时器T1的初始值往往是根据已知的波特率和时钟频率来计算的。为方便使用，常用波特率与初始值 X 的关系如表 2-5 所示。

表2-5 常用通信方式及其波特率

有三点需要注意。

（1)表2-5只是一些特定系统的串口通信的典型数据。对于其他一些未列出的波特率，应该通过上面的公式计算得到。可以调整相关参数得到所需的波特率。

（2)当使用的时钟振荡频率为12MHz或6MHz时，表中的初始值X与对应的波特率存在一定的误差。例如FDH对应的理论值为10416波特（时钟振荡频率为6MHz时），与9600波特相差816波特，可以通过调整时钟振荡频率fosc来消除误差。例如，如果采用的时钟振荡频率为11.，在一个需要串行通讯的系统为了保证串行通讯的准确性，一般采用11.的晶振。

(3)如果串行通信使用很低的波特率，可以将定时器T1设置为模式1计时。但是当T1溢出时，需要在中断服务程序中重新加载初始值。中断响应时间而指令的执行时间也会导致波特率出现一定的误差，可以通过改变初始值来适当调整。

串行通信的检出

异步通信过程中可能会出现帧格式错误、超时错误等传输错误。在开发带串口的单片机时，在通信过程中要考虑数据的错误校验，因为错误校验是保证通信准确无误的关键。常用的错误校验方法有奇偶校验（80C51系列单片机编程采用这种方法）、和校验和循环冗余校验。

(1)奇偶校验

发送数据时，数据位后面的一位数据为校验位（1或0)。设置为奇校验时，数据中1的个数与校验位个数1之和应为奇数；设置为偶校验时，数据中 1 的个数与奇偶校验位中 1 的个数之和应为偶数。接收时，接收方应具有与发送方相同的错误检查设置，当接收到一个字符时，检查1的个数，如果两者不一致，则说明数据传输有错误。

奇偶校验是按字符校验的，会影响数据传输速度。这一特性使其一般只用于异步串行通信。

(2)总和校验

所谓和校验，是指发送方对发送的数据块求和（字节数的总和），生成一个字节的校验字符（）并附加到数据块的末尾。接收端在接收到数据时，也会先对数据块进行求和串口转换器被识别为其他设备，将得到的结果与发送端的校验和进行比较。如果它们匹配，则没有错误。否则，会发生错误。这种和检查的缺点是它不能检测字节顺序错误。

(3)循环冗余检查

该检查对数据块执行一次。例如，访问磁盘信息、ROM或RAM存储的完整性等。这种方法广泛用于串行通信方法中。

串口初始化

在使用单片机的串口之前，应该对其进行编程和初始化，主要是设置定时器1、串口控制和产生波特率的中断控制。具体步骤如下。

（1)确定定时器 1 的工作方式 – 对 TMOD 寄存器进行编程。

(2) 计算定时器 1 的初始值 – 加载 TH1, TL1。

（3)启动定时器 1 – 编程 TCON 中的 TR1 位。

（4)确定串口的控制——编程SCON。

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文章来源:http://www.toutiao.com/a6678824596021445128/

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