详解单片机中的串行口

单片机内部有一个功能强大的全双工串行口，该串行口有四种工作方式，以供不同场合使用。波特率可由软件设置，由片内的定时器/计数器产生。串行口接收、发送均可工作在查询方式或中断方式，使用十分灵活。

单片机的串行口除了用于数据通信之外，还可以用来驱动单片机应用系统中的键盘和显示器，这是其他微机系统所不能比拟的。

串行口的结构与控制

为了进行串行数据通信，单片机同样也需要相应的串行接口电路。不过这个接口电路不是单独的芯片，而是集成在单片机芯片的内部，成为单片机芯片的一个组成部分。

80C51单片机内部的串行口，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。控制单片机串行口的控制寄存器共有两个：特殊功能寄存器 SCON 和 PCON，可以用软件改变两者的内容来控制串行口的工作方式和波特率。

80C51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SBUF，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，而发送缓冲器则只能写入不能读出，两个缓冲器共用同一个地址(99H)。

这个通信口既可用于网络通信，也可实现串行异步通信，还可以当成同步移位寄存器使用。如果在通信口的输入输出引脚上加上电平转换器，还可方便地构成标准的RS-232和RS-485接口。

在逻辑上，SBUF只有一个，既表示发送寄存器，又表示接收寄存器，具有同一个地址(99H)。在物理上，SBUF有两个，一个是发送寄存器，另一个是接收寄存器。

串行口控制寄存器SCON

该寄存器的字节地址为98H，有位寻址功能。

SCON格式如下：

SM0(SCON.7)、SM1(SCON.6)：控制串行口的工作方式。

SM2(SCON.5)：允许方式2和方式3进行多机通信控制位。在方式2或方式3中，如SM2=1，则接收到的第9位数据(RB8)为0时不激活RI。在方式1时，如SM2=1，则只有收到有效停止位时才会激活RI。若没有接收到有效停止位，则RI清0。在方式0中，SM2必须置为0。

REN(SCON.4)：允许串行接收控制位。REN=1允许串行接收，REN=0则禁止串行接收。该标志由软件来置1或清0。

TB8(SCON.3)：是工作在方式2和方式3时，该位是要发送的第9位数据。在一些通信协议中该第9位用于奇偶校验(补奇或补偶);而在MCS-51多处理机通信中，这一位是区别地址帧还是数据帧的标志，需要时由软件置位或复位。

RB8(SCON.2)：是工作在方式2和方式3时，该位是已接收到的第9位数据，它是奇偶校验位。在MCS-51多处理机通信中是区别地址帧/数据帧的标志。在模式1中，若SM2=0，RB8存放的是已接收数据的停止位。在模式0中，RB8未用，需要时由软件来置1或清0。

TI(SCON.1)：发送中断标志位。在模式0中，发送完第8位数据时由硬件置位;在其他模式中发送停止位开始时刻由硬件置位。置位时TI=1，申请中断，CPU响应中断后，由软件来清除TI再发送下一帧数据。

RI(SCON.0)：接收中断标志位。在模式0中，接收完第8位数据时由硬件自动置位;在模式 1 中，SM2=1，只有接收到有效的停止位，才能对 RI 置位。在其他模式中，在接收停止位的半中间由硬件对RI置位。置位时申请中断，CPU响应中断后取走数据，清除RI标志，必须由软件清零。

SCON的所有位复位时被清零。

特殊功能寄存器PCON

其字节地址为87H，没有位寻址功能。PCON的格式如下：

其中与串行接口有关的只有D7位。

SMOD：波特率选择位。

串行口的工作方式

串行口有四种工作方式，它们是由串行口控制寄存器 SCON 的 SM0、SM1的状态来定义的，编码及功能如表2-3所示。在这四种工作方式中，串行通信只使用方式1、2、3。方式0主要用于扩展并行输入/输出口。

表2-3 串行口工作方式

表中：fosc为晶振频率，UART为通用异步接收和发生器。

方式0

在方式 0 状态下，串行口为同步移位寄存器输入/输出方式，其波特率是固定不变的，数据由RxD(P3.0)端输入，同步移位脉冲由TxD(P3.1)端输出。方式0主要用于扩展并行输入输出口(如串行LED数码管显示系统等)。

(1)方式0发送

当一个数据写入串行口发送缓冲器SBUF时，串行口即将8位数据以fosc/12的波特率从RxD引脚输出(从低位到高位)，发送完8位数据时，将发送中断标志TI置1。TxD引脚输出同步脉冲，波形如图2-22所示。

(2)方式0接收

在满足REN=1和RI=0的条件下，就会启动一次接收过程，此时RxD为串行输入端，TxD为同步脉冲输出端。串行接收的波特率为fosc/12，其时序如图2-23所示。当接收完一帧数据(8位)后，控制信号复位，中断标志 RI 被置 1，呈中断申请状态。当再次接收时，必须通过软件将RI清零。

▲图2-22 串行口“方式0”发送时序

▲图2-23 串行口“方式0”接收时序

在方式0中，SCON中的TB8、RB8位没用，多机通信控制位SM2位必须为0。在方式0下发送或接收完8位数据时，由硬件置1并发送中断标志TI或RI，向CPU申请中断，CPU响应TI或RI中断后，标志TI或RI必须由用户程序清0。

方式1

串行口以方式1工作时，SCON中的SM0、SM1两位分别为0、1，则串行口被控制为波特率可变的8位异步通信接口。发送的每帧信息为10位：1位起始位，8位数据位(先低位后高位)和1位停止位。

(1)方式1发送

串行口以方式1发送时，数据由TxD端输出，CPU执行一条数据写入发送数据缓冲器SBUF的指令，数据字节写入SBUF后，就启动串行口发送器发送。发送完一帧信息的数据位后，发送中断标志置1，其时序如图2-24所示。

▲图2-24 串行口“方式1”发送时序

(2)方式1接收

当REN=1时，允许接收器接收，数据从RxD端输入。接收器以所选波特率的16倍速率采样RxD端的电平，当检测到RxD端从1到0的跳变时，启动接收器接收，并复位内部的16分频计数器，以便实现同步。

在起始位，如果接收到的值不为0，则起始位无效，复位接收电路，当再次接收到一个由1到0的跳变时，重新启动接收器。如果接收值为0，则起始位有效，接收器开始接收本帧的其余信息(一帧信息为10位)。在方式1接收中，若同时满足以下两个条件：RI=0、SM2=0和接收到的停止位=1时，则接收数据有效，实现装载SBUF、停止位进入PB8、接收中断标志RI置1。接收控制器再次采样RxD的负跳变，以便接收下一帧数据。

若这两个条件不能同时满足，信息将丢失。中断标志RI必须由用户的软件清零，通常情况下，串行口以方式1工作时，SM2置为0。方式1的接收时序如图2-25所示。

▲图2-25 串行口“方式1”接收时序

方式2

当SM0、SMl两位分别为1、0时，串行口工作在方式2，此时串行口被定义为9位异步通信接口。发送时可编程位(TB8)根据需要设置为0或1，接收时，可编程位被送入SCON中的RB8。

(1)方式2发送

在方式2发送时，数据由TxD端输出，发送一帧信息由11位组成：1位起始位、8位数据位(低位在先、高位在后)、1位可编程位(第9位数据位)和1位停止位，附加的第9位数据为 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，也可作为数据的奇偶校验位。

CPU在执行一条写SBUF的指令后，便立即启动发送器发送，送完一帧信息后，TI被置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(或查询程序)清0。

▲图2-26 串行口“方式2”发送时序

(2)方式2接收

当 SM0、SMl两位分别为1、0，且 REN=1 时，允许串行口以方式 2 接收数据。数据由 RxD端输入，接收11位信息：1位起始位、8位数据位、1位可编程位(第9位数据)和1位停止位。当接收器采样到RxD端从1到0的跳变，并判断起始位有效后，便开始接收一帧信息。当接收器接收到第9位数据后，如果RI=0且SM2=0或接收到的第9位数据为1时，接收到的数据送入SBUF，第9位数据送入RB8，并置RI=1，其时序如图2-27所示。若不能同时满足这两个条件，接收的信息将丢失。

▲图2-27 串行口“方式2”接收时序

方式3

当SM0、SM1两位为11时，串行口工作在方式3，方式3为波特率可变的9位异步通信方式，除了波特率外，方式3和方式2的发送时序和接收时序相同。

波特率的计算与串行口初始化

波特率的计算

在串行通信中，收发双方的波特率必须保持一致。通过软件可设定串行口的4种工作方式，并确定每种方式的波特率。

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

如fosc=6MHz，则波特率500kbit/s;如fosc=12MHz，则波特率为1Mbit/s。

(2)方式 2 的波特率也是固定的，且有两种。一种是晶振频率的 1/32，另一种是晶振频率的1/64，即fosc/32和fosc/64。如用公式表示为：

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

如12M晶振系统中，若SMOD=0，则波特率=187.5kbit/s;SMOD=1，则波特率375kbit/s。

(3)方式1和方式3的波特率是可变的，其波特率由定时器1的计数溢出(对80C52来说，也可使用定时器2的计数溢出)决定，公式为：

式中定时器1溢出率计算公式为：

各种方式波特率的计算如表2-4所示。

表2-4 波特率的计算公式

表中，若SMOD=0，则K=1;若SMOD=1，则K=2。

通常使用单片机的串行口时，选用的晶振频率 fosc比较固定(一般为 6MHz ， 12MHz 或11.0592MHz)。单片机和微机通信时，选用的波特率也相对固定。

实际使用中，经常根据已知波特率和时钟频率来计算定时器T1的初值。为方便使用，将常用的波特率和初值X间的关系列成表2-5。

表2-5 常用通信方式及其波特率

其中有以下三点需要注意。

(1)表2-5中仅为一些特定系统串口通信时的典型数据，对于其他一些未列出的波特率，应通过前述公式进行计算获取。并可进行相关参数调整，以获得需求的波特率。

(2)在使用的时钟振荡频率为12MHz或6MHz时，表中初值X和相应的波特率之间有一定误差。例如，FDH的对应的理论值是10416波特(时钟振荡频率为6MHz时)，与9600波特相差816波特，消除误差可以通过调整时钟振荡频率 fosc来实现。例如，如果采用的时钟振荡频率为11.0592MHz，在要求串行通信的系统中，为保证串行通信准确，一般使用11.0592Hz的晶振。

(3)如果串行通信选用很低的波特率，可将定时器T1设置为方式1定时。但T1溢出时，需要在中断服务程序中重新装入初值。中断响应时间和执行指令时间也会使波特率产生一定的误差，可用改变初值的方法进行适当调整。

串行通信的校验

异步通信时可能会出现帧格式错、超时错等传输错误。在具有串行口的单片机的开发中，应考虑在通信过程中对数据差错进行校验，因为差错校验是保证准确无误通信的关键。常用差错校验方法有奇偶校验(80C51系列单片机编程采用此法)、和校验及循环冗余码校验等。

(1)奇偶校验

在发送数据时，数据位尾随的一位数据为奇偶校验位(1或0)。当设置为奇校验时，数据中1的个数与校验位1的个数之和应为奇数;当设置为偶校验时，数据中1的个数与校验位中1的个数之和应为偶数。接收时，接收方应具有与发送方一致的差错检验设置，当接收一个字符时，对 1的个数进行校验，若二者不一致，则说明数据传送出现了差错。

奇偶校验是按字符校验，数据传输速度将受到影响。这种特点使得它一般只用于异步串行通信中。

(2)和校验

所谓和校验，是指发送方将所发送的数据块求和(字节数求和)，并产生一个字节的校验字符(校验和)附加到数据块末尾。接收方接收数据时也是先对数据块求和，将所得结果与发送方的校验和进行比较，相符则无差错，否则即出现了差错。这种和校验的缺点是无法检验出字节位序的错误。

(3)循环冗余码校验

这种校验是对一个数据块校验一次。例如对磁盘信息的访问、ROM或RAM存储区的完整性等的检验。这种方法广泛应用于串行通信方式。

串行口初始化

在使用单片机串行口之前，应对其进行编程初始化，主要是设置产生波特率的定时器1、串行口控制和中断控制，具体步骤如下。

(1)确定定时器l的工作方式——编程TMOD寄存器。

(2)计算定时器l的初值——装载THl、TLl。

(3)启动定时器1——编程TCON中的TRl位。

(4)确定串行口的控制——编程SCON。

单片机无线串行接口电路实验

单片机无线串行接口电路由MICRF102单片发射器芯片、MICRF007单片接收器芯片组成，工作在300~440 MHz ISM频段；具有ASK调制和解调能力，抗干扰能力强，适合工业控制应用；采用PLL频率合成技术，频率稳定性好；接收灵敏度高达 －96 dBm，最大发射功率达－2.5 dBm；数据速率可达2 Kb/s；低工作电压：4.75~5.5 V；功耗低，接收时电流3 mA，发射时电流7.75 mA，接收待机状态仅为0.5μA，发射待机状态仅为1.0μA；可用于单片机之间的串行数据无线传输，也可在单片机数据采集、遥测遥控等系统中应用。

2 电路组成及工作原理

2.1 无线发射电路

无线发射电路如图1所示，电路以MICRF102为核心。MICRF102是Micrel公司推出的一个单片UHF ASK发射器，采用SOP(M)-8封装，芯片内包含有：由基准振荡器、相位检波器、分频器、带通滤波器、压控振荡器构成的合成器，发射偏置控制，RF功率放大器，天线调谐控制和变容二极管等电路，是一个真正的"数据输入－无线输出"的单片无线发射器件。UHF合成器产生载频和正交信号输出。输入相位信号（I）用来驱动RF功率放大器。天线调谐正交信号（Q）用来比较天线信号相位。天线调谐控制部分检测天线通道中发射信号的相位和控制变容二极管的电容，以调谐天线，实现天线自动调谐。功率放大器输出受发射偏置控制单元控制。ASK/OOK调制，提供低功耗模式，数据传输速率为20 kb/s。

使用中应注意的问题是：（1）REFOSC（引脚4）是基准振荡端，连接晶振到地，或采用AC耦合方式输入峰-峰值为0.5 V的时钟脉冲。发射频率是基准振荡器频率的32倍：基准振荡频率×32=发射频率。如果使用外接时钟信号，须采用AC耦合方式，输入信号幅度峰-峰值为200~500 mV。（2）MICRF102使用差分输出去驱动天线负载。功率放大器输出级包含有一个变容二极管，它自动与天线的电感调谐，以保证谐振在发射频率上。典型的PCB导线天线的电感与回路的尺寸、天线导线的宽度、PCB铜泊的厚度和接地板的位置有关。设计时一般选择变容二极管的电容值为6.5 pF。天线电感L由公式L=1/(4π2f2C)计算。（3）功率放大器的输出功率与PC端（引脚1）上的电压有关。正常工作时，该引脚端上的电压被设置在0.2~0.4 V之间。PC端上的电压上升，输出功率加大；但是，如果PC端上的电压超过0.4 V，功率放大器被限流，输出功率不再增加。减少PC端的电压可降低电源功率消耗，同时也会减少RF输出功率。（4）STBY端（引脚5）是待机模式控制。接VDD为发射方式，接VSS为待机模式。（5）MICRF102芯片对电源纹波敏感，正确地电源旁路是必需的，一般使用4.7μF、 0.1μF、100 pF 3个电容并联在VDD和VSS之间。

2.2 无线接收电路

无线接收电路如图2所示，电路以MICRF007为核心。MICRF007是Micrel公司推出的单片UHF ASK/OOK(导通-关断键控)超外差无线电接收芯片。MICRF007采用SOP(M)-8封装，芯片内电路可分为UHF下变换器、OOK解调器和基准控制三部分。UHF下变换器包含RF放大器、混频器、中频放大器、带通滤波器、峰值检波器、合成器、AGC控制电路；OOK解调器包含低通滤波器、比较器；基准控制电路包含基准振荡器和控制逻辑电路。仅需外接2个电容器CAGC和CTH，1个晶振以及电源去耦电容即可构成1个UHF ASK接收器，所有的RF和IF调谐都在芯片内自动完成，是一个真正"无线输入－数据输出"的单片器件。

MICRF007是标准的窄RF带宽的超外差接收器，窄带宽接收器对RF干扰信号不敏感。RF中心频率由完全集成的PLL/VCO频率合成器控制，与基准振荡器外接晶振有关。中频带通滤波器的带宽为430 kHz，基带解调器的低通滤波器带宽为2.1 kHz。接收数字ASK信号，接收器数据传输率为2 Kb/s。

使用中应注意的是：

（1）MICRF007是一个窄带宽接收器，要求发射电路必须使用SAW或晶振稳频。（2）如果接收器处于高噪声环境，在天线ANT端和VSS之间可以连接一个固定数值的带通网络，以提供接收选择性和输入过载保护。（3）基准振荡器可通过REFOSC端（引脚8）外接晶振或输入时钟信号。基准振荡器的频率fT是外接晶振频率的64.5倍。对于超外差接收器本机振荡频率fLO和发射频率fTX的差值必须等于中频的中心频率。因此，发射器的频率fTX（即接收器接收频率）、基准振荡器频率fT和本机振荡器频率fLO的关系为：fT =fLO/64.5，fLO =fTX±(1.064fTX/390)。（4）SHUT端（引脚6）控制接收器使能，当SHUT端电压VSHUT为高电平时，芯片进入低功耗待机模式，电流消耗仅为0.5μA；当VSHUT为低电平（下拉到地）时，芯片使能，为接收状态。（5）CTH端（引脚4）上的解调信号的直流值作为比较器的基准阀值。CAGC端（引脚7）外接电容C2可增加输入动态范围。（6）MICRF007芯片对电源纹波敏感，正确地电源旁路是必需的。一般使用4.7μF、0.1μF、100 pF 3个电容并联在VDD和VSS之间。

2.3 单片机串行接口电路

无线收发电路可以直接与常用的单片机如8051、68HC05、PIC16C5X等连接，实现单片机与单片机之间的串行数据无线传输，连接电路如图3所示。

实验表明： 所设计的单片机串行接口无线收发电路结构简单、工作可靠，可方便地在单片机与单片机之间，构成一个点对点、一点对多点的无线串行数据传输通道。

使用中应注意的问题是：

① 在发射模式下，通信速率最高为2 Kb/s；发送数据之前须将电路置于发射模式(MICRF102的第5脚STBY =1)；接收模式转换为发射模式的转换时间至少5 ms；可以发送任意长度的数据；发送结束后应将电路置于接收模式(MICRF007的第6脚SHUT =0)；发射模式转换为接收模式的转换时间至少5 ms。

② 在待机模式（MICRF102的STBY=0，MICRF007的SHUT =1）下，电路不发射/接收数据。设计串行通信程序应考虑：双方通信的协议，有效数据识别标志，数据的检错、纠错和校验。

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