1、单片机的串行通信接口技术探讨解析单片机的串行通信接口技术探讨李建设(安徽工贸职业技术学院安徽 淮南 232001摘要 :M CS 51单片机内部有一个全双工的串行通信口 , 即串行接收和发送缓冲器 (SBU F , 这两个在物理上是独 立的接收发送器 , 既可以接收数据也可以发送数据 。但接收缓冲器只能读出不能写入 , 。 本文以 M CS 51单片机为核心 , 利用通用可编程的异步接收 发送器 UA R T , 亦可实现串 行异步通信 , 还可以构成同步移位寄存器使用 , R S 232接口 , 与 PC 机 、 M CS51单片机 、 。 , 增强设备应用的灵活性 。关键词 :M CS 5
2、1; 串行通信 ; A SYN C ; ; 中图分类号 :T P 36811:B :1004373X (2005 1806103Si Ch ip Ser i a l Comm un ica tion TechnologyL I J ian she(A nhui Institute of Engineering and T rade , H uainan , 232001, Ch ina Abs tra c t :M CS 51has an en tirely doub le w o rk serial in terface that includes serial receiver and t
3、ran s m it buffer 1T hey are aloneR eceiver T ran s m itter in physical 1T hey m ay receive and tran s m it data 1R eceiving buffer can on ly reading , bu t no t w rit 2ting 1T ran s m itting buffer can on ly w ritting , bu t no t reading 1T h is paper in troduces a theo ry of comm un icati on in UA
4、 R T based on M CS51, UA R T is no t on ly netw o rk comm un icati on and serial asynch ronou s comm un icati on , bu t also synch ronou s sh ift regist 1Ifadding electric tran sfo rm er in the O u t In of the serial in terface , UA R T is easy to have level R S 232, and PC , m u lti p le m icrocon
5、tro ller and netw o rk of compu ter comm un icate 1It can be em bbed in the in spective mob ile system easily and i m p rove the flex ib ility of equ i p 2m en t 1Ke yw o rds :M CS51; serial comm un icati on ; A SYN C ; en tirely doub le w o rk serial in terface ; E link ; netw o rk收稿日期 :20050713 M
6、CS 51单片机系列是 Intel 公司推出的产品 , 是当 前工业测控系统中理想的机种 , 单片机有一个全双工串行 口。全双工的串行通信只需要一根输出线和一根输入线。 数据的输出又称发送数据 (TXD , 数据的输入又称接收数 据 (RXD 。 串行通信中主要有 2个技术问题 , 一个是数据 传送 , 另一个是数据转换。数据传送主要解决传送中的标 准、格式及工作方式等问题。数据转换是指数据的串并行 转换。 具体说 , 在发送端 , 要把并行数据转换为串行数据 ; 而在接收端 , 则要把接收到的串行数据转换为并行数据。 利用此串行口使其具有多机通信控制功能 , 再加上网络传 输器 Elink
7、, 可方便地接入互联网络 , 实现网络通信 , 测控系统的数据资源共享。 1串行通信所谓“ 串行通信” 是指外设和计算机间使用一根数据 信号线 , 数据在一根数据信号线上按位进行传输 , 每一位 数据都占据一个固定的时间长度。 这种通信方式使用的数 据线少 , 在远距离通信中可以节约通信成本 , 当然 , 其传 输速度比并行传输慢。相比之下 , 由于高速率的要求 , 处于计算机内部的 CPU 与串口之间的通信仍然采用并行的 通信方式 , 所以串行口的本质就是实现 CPU 与外围数据 设备的数据格式转换 (或者称为串并转换器 , 即当数据从 外围设备输入计算机时 , 数据格式由位 (bit 转化
8、为字节 数据 ; 反之 , 当计算机发送下行数据到外围设备时 , 串口 又将字节数据转化为位数据。 串行端口的本质功能是作为CPU 和串行设备间的编码转换器。当数据从 CPU 经过串行端口发送出去时 , 字节数据转换为串行的位。在接收数 据时 , 串行的位被转换为字节数据。根据信息的传送方向 , 串行通信可以进一步分为单 工、 半双工和全双工 3种。 信息只能单向传送称为单工 ; 信 息能双向传送但不能同时双向传送称为半双工 ; 信息能够 同时双向传送则称为全双工。串行通信又分为异步通信 和同步通信 2种方式。在单片机中 , 主要使用异步通信方 式。本文主要讨论异步通信应用。 111异步通信
9、A SYN C图 1是一种异步串行通信 (A SYN ch ronous Comm unicati on 协议格式 , 他用一帧来表示一个字符 , 一帧包含如下内容 :一个起始位 , 表示一个字符的开始 , 用若干位表示 字符本身 , 用停止位表示字符的结束 , 图中每一位的宽度 由数据传输速度决定 , 传输速度由波特率度量 , 当无数据传送时 , 则处于逻辑 1态 , 当要传送数据时 , 发送第一位为 起始位 (0状态 , 而后跟数据位。 位数有 5, 6, 7, 8, M CS51仅有 8位 , I BMPC 可以为任意一种 , 奇偶位识别传输有无错误。 M CS 51此位是奇偶位 (地址
10、 数据通信标 志位。奇偶之后是 1, 115或 2个停止位 , M CS 51仅有 1位停止位。 图 1异步串行通信协议格式112同步通信 SYN C (SYN ch ronou s Comm un icati on 占用了时间 , , 步通信 , 2示格式。 图 2数据块同步通信格式同步传送的速度高于异步 , 可达 56kb s 。 他要求由时 钟来实现发送端与接收端之间的同步 , 硬件结构复杂。应 用于计算机之间的通信和计算机到 CR T 之间的通信。 113串口信号线串口信号线的一个完整的 R S 232C 接口有 22根线 , 采 用标准的 25芯插头座 (或者 9芯插头座 。 25芯
11、和 9芯的主 要信号线相同 。以下的介绍是以 25芯的 R S 232C 为例 。(1 主要信号线定义1脚 :保护地 ; 2脚 :发送数据 TXD ; 3脚 :接收数据 RXD ; 4脚 :请求发送 R T S ; 5脚 :清除发送 CT S ; 6脚 :数据设备就绪 D SR ; 20脚 :数据终端就绪 D TR ; 8脚 :数 据载波检测 DCD ; 7脚 :信号地。(2 电气特性数据传输速率最大可到 20kb s , 最大距离仅 15m 。 (3 接口的典型应用大多数计算机应用系统与智能单元之间只需使用 35根信号线即可工作 。这时 , 除了 TXD , RXD 以外 , 还需使 用 R
12、 T S , CT S , DCD , D TR , D SR 等信号线 。 以上接法 , 在 设计程序时 , 直接进行数据的接收和发送就可以了 , 不需要 对信号线的状态进行判断或设置如果应用的场合需要使用 握手信号等 , 需要对相应的信号线的状态进行监测或设置 。 2 M CS 51串行接口串行通信仅与在物理上的 2个数据缓冲器 SBU F 打交 道 :发送器和接收器 。 2个特殊功能寄存器 :SCON , PCON 。M CS 51片内有一个全双工串行接口 通用的可 编程的异步接收 发送器 U SA R T (U niversal Synch ronous A synch ronous
13、R eceiver T rans m itter , 由接收器和发送器 2部分组成。发送器能接收与寄存由 CPU 并行输出的数据 , 通过移位寄存器变为串行 , 并添上一个起始位 、奇偶校 验位和规定的停止位 , 由一条数据线发送出去 。 接收器是把收 到的数据 , 去掉起始位 、停止位 , 检查有无奇偶错误 、帧错 误 。 然后把接收的字符经过移位寄存器变为并行后 , 送至接收 数据寄存器 、以便由 CPU 用输入指令取字符 。(1 串行口控制寄存器 SCON 包含串行口的方式选能如图3图 3串行口控制寄存器串行口工作方式如表 1所示。表 1串行口工作方式 S M 0S M 1方式功能 波特
14、率000移位寄存器 Fo sc 120118位 UA R T 可变1029位 UA R T Fo sc 64Fo sc 32R IS I :接收中断标志 , 由硬件置位 , 软件清 0。 T I :发送中断标志 , 由硬件置位 , 软件清 0。 RB 8:接收数据位 8, 方式 2或 3中第 9位数据可能是奇偶位或是地址 数据校验位。TB 8:发送数据位 8, 方式 2或 3中第 9位数据 , 在单机通信中是奇偶位 , 多机通信中是地址帧 数据帧。R EN :接收允许位 , 由软件置位允许 , 清 0禁止接收。 S M 2:方式 2, 3中多机通信控制位。 (2 PCO 为特殊功能寄存器最 高
15、位是串行接口波特率系数控制位 S M OD , 当S M OD 为 1时 , 使波特率加位 , PCO 其位为掉电方式控制 , 如图 4所示。图 4 PCO 通信格式(3 波特率计算由 PCON 和定时 计数器 T 1决定 , 方式 1, 3波特率 设计为 :波特率 =2S MOD32(定时 计数器的溢出率 3 M CS 51与 IB MPC XT 通信R S 232C 使用 -3-25V 表示数字“ 1” , 使用 325V 表示数字“ 0”, R S 232C 在空闲时处于逻辑“ 1” 状态 , 在 开始传送时 , 首先产生一起始位 , 起始位为一个宽度的逻辑 “ 0” , 紧随其后为所要
16、传送的数据 , 所要传送的数据由最低位 开始依此送出 , 并以一个结束位标志该字节传送结束 , 结束位 为一个宽度的逻辑“ 1” 状态 。 PC 机一般使用 8250或 16550作为串行通信的控制器 , 使用 9针或 25针的接插件将串行口 的信号送出 。该插座的信号定义如表 2所示 。表 2信号定义 DB25DB9信号名称 方向含义 23TXD 输出 数据发送端 32RXD 输入 数据接收端47R T S 输出 请求发送 (计算机要求发送数据 58CT S 输入 清除发送 (M OD E M 准备接收数据 66D SR 输入数据设备准备就绪75SG -信号地 81DCD 输入 数据载波检测
17、204D TR 输出 数据终端准备就绪 (计算机 229R I输入响铃指示, 简单的通信仅需 TXD , RXD 及 于通信软件。 比如 , DO 所提供的 B I O S 通信驱 动程序 , 那么 , 这些握手信号则需要做如下处理 , 因为B I O S 的通信驱动使用了这些信号。如果使用自己编写的串行驱动程序则可以完全不使用这些握手信号。M CS51的 UA R TX 给出的是 T TL 电平或 I BMPC XT 的 UA R T (8250 是 R S 232电平 , 故需将 T TL 电平进行转换。分别由发送器 1488和接收器 1489来实现 , 如图 5所示 , 给出接线图主机采
18、用 I BMPC XT , 实现查询、监测下级机的工作状态 , 接收下级机的数据或向下级 发布命令 , 下位机采用 8051系统 , 可以直接安装到现场 , 完成控制或采集任务。也可以用 R S 485接口连接成半双 工或 全 双 工 两 种 通 信 方 式 , 半 双 工 通 信 的 芯 片 有SN 75176, SN 75276, SN 75LBC 184, M A X 485, M A X 1487, M A X 3082, M AX 1483等 ; 全双工通信的芯片有 SN 75179,SN 75180, M A X 488 M A X 491, M A X 1482等。 图 5 14
19、88和 1489接线实现图4多机通信利用串行口控制寄存器 SCON 中的 S M 2为多机通信 控制位 , M CS 51方式 2, 3可以接收和发送第 9位数据 。若 S M 2为 1, 则仅当接收器接收到的第 9位数据位为 1时 , 数据才装入缓冲器 SBU F , 并置“ 1” 中断标志 R I , 向 CPU 发中断 ; 如果接收到的第 9位数据位为 0, 则不产生中断标 志 R I , 信息将丢失 ; 而 S M 2为 0时则接收到一个数据字节 后 , 不管第 9位为 0还是 1, 都产生相应中断标志 RI , 接收 到数据才装入缓冲器 SBU F 。 利用此特性 , 可实现多机通信
20、 。如主机 、分机都采用 M CS 51可直接连接 , 如图 6所示 。图 6多机通信连接图00H , 01H , 02H , 从机 2, 3接收 , 且 1” S M , 先 , 接着传送数据。主机发 91, 数据信息第 9位为 0。 各从机接收 9位信息 RB 8为 1, 置 “ 1” 中断标志 R I , 各从机判断 主机送来的地址和本系统地址是否符合 , 如符合 , 则置 “ 0” S M 2, 准备接收主机的数据 ; 否则 S M 2保持 “ 1”状 态。接着主机传送数据 , 这时 , 只有地址符合的从机激活 中断标志 R I , 接收主机的数据 , 实现与主机通信。不符合 的从机因
21、 S M 2保持“ 1” , RB 8为“ 0” , 不激活中断标志 , 接收信息将丢失。从而主机和从机一对一通信。 5网络通信Elink 网络连接控制器开发系统是一种提供微型Internet 接入模块的解决方案 , 他可以将分布式串口设备或其他各种用户的智能控制系统接入到以太网或 Inter 2net , 利用模块内部 TCP IP 网络协议以及 10Base T 网 络接口 , 连接到以太网 , 方便地实现串口设备的联网。Elink 网络连接控制器具有体积小巧、低功耗、低成本 , 使用方便等优点。Elink 数据传输器使用的是 TCP IP 协议 , 内部协议有 TCP , UD P ,
22、IP , A R P , H T T P , I CM P , DHCP 协议 以及简单的应用层处理协议 , 上层软件可以使用 VB , V C 中的通用 Socket 函数 , 通过这套解决方案 , 串口设备可将 自身的运行状态和工作参数等信息以 TCP 或 UD P 数据 报的方式提供给监控者 , 亦可实现信息的实时传输。单片 机具备异步通信接口 , 可以借助网络数据传送器 E link接入互联网 , 实现网络通信。给 E link 可以发送 2种类型的数据 :设置数据和通过 Elink 发送到串口的数据。(1 设置包上层可以设置 E link 的密码、 板卡 IP 地址、 网关 IP地址
23、、板卡的物理地址 (密码的设置是为了保证不被篡 改 。 可以使用专门的串口监控程序进行设置 , 也可以使用W indow s 9x N T2000提供的超级终端软件进行设置。 如 果您的网路上有 DHCP 服务器 , 可以让其自行设置。 发送 设置数据给 E link , Elink 对自身进行设置 , 并不把数据送到串口。(下转第 67页 认可的工业标准 。 与 EJB 兼容的应用程序服务器众多 ,包括BEA W ebL ogic T engah , I BMW ebSphere A dvanced Edi 2ti on , N overa j Business , O racle 8i ,
24、 O racle 应用程序服务器 , O rch idSoft V anda , Persistence Pow erT ier , P rogress A pp 2tivity 等 。(2 CORBA 产品层出不穷随着 CORBA 规范的推出和不断完善 , 世界上有许多 计算机供应商和科研人员在对 CORBA 规范进行深入细 致的研究和具体的实现。 当今基于 CORBA 规范的产品越 来越多 , 其中比较著名的有 :V isigenic 的 V isi B roker , D igi 2tal 的 O bjectB roker 以及一些开发源码的项目如 TAO 等。随着网络分布式技术的发展
25、, 基于 CORBA 的产品越来越 多地被应用 , CORBA 发环境中起到越来越重要的作用。 (3 DCOM 微软的 W indow s W indow s 操 作系统获得的最大财富 , 大大小小的公司、研究单位、个 人都热衷于开发 W indow s 操作系统之上的各种应用 , 这 有效地促进了 DCOM COM 的广泛应用。 W indow s 2000操作系统本身也是基于 DCOM 开发的成果。 5结语本文对基于 W eb 的通信设备集中监控系统的体系结构进行了介绍。基于 W eb 的网络管理技术作为网络管理 研究的一个热点 , 其应用越来越广泛。依据本文提出的体 系结构设计的某卫星通
26、信站集中监控系统已经实际应用 , 并取得了良好的效果 , 证明本文提出的体系结构具有良好 的伸缩性和实用性。应该注意的是 , 在软件中间件技术的 选择中 , 应根据实际情况 , 考虑异构性、可靠性、实时性 和成熟性等多个因素来选择 , 才能构建好适合本架构的良 好监控系统。1com 新的网络管:13com 1com 1cn so lu ti on s12IET F R FC 11571990, RRC 227122751Si m p le netw o rkm anagem en t p ro toco l EB OL 1h ttp : www 1ietf 1o rgrfc 13美 OM G
27、1CORBA 系统结构 、 原理与规范 M 1韦乐平 ,薛君敖 , 孟洛明 , 等译 1北京 :电子工业出版社 , 200014美 OM G 1CORBA Componen ts V ersi on 310EB OL 1200215En terp rise JavaBean sTM Specificati on , V ersi on 211EBOL 1h ttp : java 1sun 1com p roducts ejb 1作者简介 张维杰男 , 1974年出生 , 甘肃靖远人 , 硕士研究生 , 工程师 。 从事通信网络管理 、 软件工程的研究 。薛利男 , 1978年出生 , 江苏泗阳
28、人 , 工程师 。 从事卫星通信网络管理工作 。(上接第 63页 (2 发送数据包Elink 接收 UD P TCP 数据包 , 将 UD P TCP 中数 据部分取出 , 并通过串口送出 , 通信协议使用标准的R S 232, 422或 485通信协议。 在网络数据传输中 , 因为 R TL 8019A S 的内部 RAM 有限 , 最好不要一次发送超过 4500B 的数据 , 否则可能溢出 , 如果因为 E link 的处理速度不够快或者网卡芯片本身的原因产生溢出 , 则 Elink 抛弃存储区中的数据包。这样 , 单片机与 Elink 一起可以发送、 接收数据 , 通过网络接口 RJ 4
29、5和以太网进行通信。然后可以和网上的 计算机进行网络通信 , 实现互联网的信息传递。实现了单 片机和网络计算机的互相通信 , 如图 7所示。 6结语本文对单片机异步通信做了探讨 , 在目前的发展形势 下 , 因功耗越来越低 , 可靠性越来越高 , 随着 Internet 的 普及 ,单片机的应用领域将越来越广泛。图 7单片机与网络计算机互相通信示意图 参考文献1霍孟友 , 王爱群 1单片机原理与应用 M 1北京 :机械工业出版社 , 200012吴金戌 , 沈庆阳 , 郭庭吉 18051单片机实践与应用 M 1北京 :清华大学出版社 , 200213李朝青 1PC 机及单片机数据通信技术 M 1北京 :北京航空航天大学出版社 , 200014杨振江 1流行单片机实用子程序及应用实例 M 1西安 :西安电子科技大学出版社 , 20021
