9 串口通信原理及接口技术

学习笔记
作者: MingXiao

9.1 串口通信

UART，SPI都是全双工，I2C是半双工

并行通讯：多条线并行；特点是控制简单，速度快，但多根线长距离成本高且同时接收存在困难

串行通讯：单根线，长距离成本低，数据流控制复杂

同步通讯：两个时钟连接，每个周期采集数据

异步通讯：时钟周期尽量相近，相位可以不同，但是波特率是一致的

  • 异步通讯数据格式：一个字符帧 = 1b低电平起始位 + 5-8b数据位 + 1b校验位 + 1b停止位

UART是串行、全双工、异步通讯（在空闲时为高电平）

每一位持续的时间由波特率决定

SPI的主机、从机

主机提供时钟，选择要通讯的从机

只能有一个主机

UART连接方式

注意要对着连

波特率、比特率

波特率：信号电平在1s内的变化次数

比特率：每秒传递的二进制位数

二者的关系通过码元状态数目
\[ R = Nb \cdot \log_2{M} \]
其中\(R,Nb,M\)分别是比特率，波特率和码元状态数目

9.2 串口原理

接受和发送的物理上的BUFFER不是一个，但是地址是共享的99H

但是由于CPU可以区分发送和接收的状态，因此可以区分；发送时CPU是主动的

收发的触发

  • 发送：任何将SBUF作为目的寄存器的写指令
  • 接收：Mode=0时，RI=0, REN=1；其他模式下，REN=1，接收到起始位，就开始接收

SCON控制寄存器

  • SM0SM1的组合确定了4种工作方式，其中波特率由Timer产生，可变

  • SM2控制方式2/3下的多机通讯

  • REN是允许串行接收位，由软件置1，启动串行口接收数据；若软件置0，禁止接收

  • TB8：在方式2/3中使用，是发送数据的第8位（BUFFER仅8位），作为奇偶校验位，或在多机通讯中作为地址/数据帧校验位

  • RB8：方式2/3中如上，方式1中，若SM2=0，则RB8是接收到的停止位

  • TI/RI：中断标志位，在发送/接收第7位数据时，由硬件置1，发送中断；中断完成后不会自动置0，必须软件置0取消申请

    在中断前CPU会知道是接受还是发送

PCON控制寄存器

仅最高位的SMOD与串口工作有关，是波特率倍增位

  • 当工作在方式1/2/3时，波特率与之有关
  • SMOD=1，波特率翻倍，否则不变

9.3 串口工作方式

方式1

数据格式：1b起始位 + 8b数据位 + 1b停止位

  • 发送时序

  • 接收时序

当REN=1时，用16倍波特率进行RXD引脚采样

当检测到第一个低电平（起始位）时，将其移入输入移位寄存器（不是SBUF），从右呈队列左移，当起始位移动到MSB时，控制电路进行最后一次位移

当RI=0时，若SM2=2或接收到停止位=1时，将接收到的9b数据的前8b装入SBUF，停止位进入RB8，置RI=1，发送中断请求

在方式1，若SM2=1，则只有接收到停止位才置RI=1

方式2/3

数据格式如下

多了一个附加的第8位

方式2的波特率固定为内部晶振的1/64或1/32，方式3的波特率由T1的溢出率决定

波特率的计算与配置

  • 方式0，固定为晶振的1/12，即机器频率
  • 方式1，波特率 = \(2^{\mathsf{SMOD}}/32\cdot\)(T1溢出率)
  • 方式2，波特率 = \(2^{\mathsf{SMOD}}/64\cdot\)晶振频率
  • 方式3，波特率 = \(2^{\mathsf{SMOD}}/32\cdot\)(T1溢出率)

其中T1初值和波特率的关系查表如下，溢出率指定时器每秒钟的溢出次数

UART初始化

  1. 确定T1工作方式，编程TMOD
  2. 计算T1初值，装载TH1,TL1
  3. 启动T1
  4. 确定串口工作，编程SCON
  5. 若是中断方式，要进行中断设置，编程IE,IP寄存器

9.4 串口接口技术

8051 UART 通过 RS232 与 PC USB 连接，实际并没有使用USB，而是模拟RS232进行电平转换

UART除了收发线之外还有一个共地线

I2C通讯

特点是同步、半双工、串行通讯

判断题

  • 51的UART不支持多机通讯，错误
  • 单片机的UART和PC通讯，需要通过USB模拟一个RS232，通过UART-RS232-USB实现，正确
  • 51的UART通讯的收发共用一个中断例程，正确；但是可以用RI和TI判断
  • 51的UART接收中断指的是UART收到一帧后，通知CPU读取数据的中断，正确
  • 51的UART发送中断指的是UART发完一帧后，通知CPU可以写SBUF，正确


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