串口通信-实例9：串口双机通信

序：在嵌入式产品里，串口常用于程序调试、程序烧录和模块通信接口。本例首先介绍单片机串口的结构和原理，然后通过一个双机通信实例说明串口通信的应用编程。

一、实例目的

通过本实例，我们应：

1. 了解串口与并口通信的区别。

2. 掌握51单片机的串口结构与原理。

3. 掌握51单片机的串口编程。

二、串口与并口通信

在数字世界里，信息由0和1编码组成。一串数据对于不同模块，意义也不同。犹如点头在大多数国家表示YES，摇头表示NO，但在某些国家如保加利亚、斯里兰卡等正好相反。也就是说，在数字世界里，信息表示的意义，是由解码器解释的。一般来说，编码器与解码器都是专用的，是基于应用的。

那么，信息的传递，是如何实现的呢？通俗地说，信息是由0和1组成的一串数据（二进制流，每位（0或1）称为 比特（bit））。传递信息就是按照顺序向对端发送逐位比特或多位比特。逐位发送称为串行通信，多位同时发送称为并行通信，见图1。对于串行通信，发送比特流顺序有先发最高位（MSB First）和先发最低位（LSB First）。在电气上（物理层），一般用低电平表示0，高电平表示1。

图1 并行通信与串行通信

串口传输数据的基本单位为帧（Frame），一帧包括帧头、有效数据、校验位、帧尾等。有效数据称为有效载荷（Payload），帧头、校验位、帧尾等称为开销（overhead）。

51串口的帧有8位、10位和11位三种，见图2，先传最低位（MSB First）。

图2 51单片机的帧结构

三、51单片机串口结构

51单片机有一个全双工的串行接口，简称串口。图3给出了51单片机的串口内部结构图。

图3 51单片机串口内部结构框图

串口引脚有TXD（串行数据发送管脚）和RXD（串行数据接收管脚）。串口主要由发送缓冲SBUF、接收缓冲SBUF、移位寄存器、波特率发生器组成。相关模块的功能说明如下：

发送缓冲SBUF：把字节数据写到SBUF，串口自动逐位将数据通过TXD管脚输出，发送完毕后置TI中断标志位为1。如果串口中断允许，则触发串口中断处理函数。

接收缓冲SBUF：串口接收到一帧数据后，将8位有效载荷存到SBUF，并置RI中断标志位为1。如果串口中断允许，则触发串口中断处理函数。

移位寄存器：在波特率节拍控制下，采样RXD引脚上的电平，将接收到的0/1存到SBUF。

波特率发生器：串口数据发送和数据接收均在时钟的控制下进行，每秒发送的比特数称为波特率（baud rate），单位为bps。常见的波特率有2400bps,4800bps,9600bps,115200bps。波特率越高，数据传输速率越快。

注意：串口是异步通信，收发双方独立使用自己的时钟，要求双方波特率必须设置一致。一般来说，波特率相差不能超过2%，否则无法正确发送/收到数据，导致出现乱码。

RI/TI：接收/发送中断标志位。

RI用于指示是否接收到数据，1表示接收到一帧数据，如果串口中断是使能的，则触发串口中断。当接收到数据时，必须及时清零RI，否则无法接收到下一帧数据（自动丢弃）。

TI用于指示一帧数据是否发送完成，1表示一帧数据已经发送完毕，如果串口中断是使能的，则触发串口中断。

RI和TI均需软件清零。采用串口中断编程时，RI和TI用于判断是接收数据还是发送数据引起的串口中断。

三、51单片机串口编程接口

串口相关的寄存器包括：

SBUF——串行口数据缓冲器（99H）

共两个：一个发送寄存器SBUF，一个接收SBUF，二者共用一个地址99H。

写数据到SBUF，访问的是发送寄存器SBUF；读SBUF，访问的是接收SBUF。

SCON——串行口控制寄存器（98H）。

PCON——电源控制寄存器（87H）。PCON.SMOD是波特率倍增控制位。

IE ——中断控制寄存器。ES是串口中断允许控制位。

下面主要介绍SCON寄存器。

图4 SCON寄存器定义

SCON字节地址为98H，支持按位寻址。

SM0和SM1用于选择串口的工作方式。

对于串口双机通信，一般采用模式1或模式3。

例：设串行口工作在方式1，允许接收，则C51语句为：

SCON = 0x50;

SM2用于多机通信。SM2=1，从机处于多机模式。

REN为串口接收允许控制位，1有效。

TB8为11帧里发送的第9位数据，如奇偶校验位、多机通信地址/数据指示位等，RB9为11帧里接收到第9位数据。

RI/TI分别为接收中断标志和发送中断标志。

PCON——电源控制寄存器（87H）。PCON.SMOD是波特率倍增控制位。

四、51单片机串口应用编程

串行口的初始化编程：

设置串行口的工作方式（ SCON ：SM0、SM1 ）。

2. 对于工作方式2或3，应根据需要在TB8中写入待发送的第9位数据（地址为1，数据为0)。

若选定的工作方式不是方式0，还需设定接收/发送的波特率。设定SMOD状态，以控制波特率是否加倍。

4. 若选定工作方式1或3，则应对定时器T1进行初始化以设定其溢出率。

（5）串行通信编程有两种方式：查询方式和中断方式，这两种方式中发送和接收数据后都用注意清TI和RI。一般来说，使用查询方式发生数据，使用中断方式接收串口数据。

下面以双机通信为例，介绍单片机的串口应用编程。设双机通信电路图如下所示。主机P1.0接一个独立按键K0，从机P1.0接一个红色LED。要求基于串口通信，实现通过主机K0控制从机的LED的亮灭。假设晶振频率为12MHz，波特率设置为4800bps。

图5 双机通信仿真电路图

编程思路：主机用一个标志位flag存储LED的状态，当按键K0闭合，更新flag状态，并将更新的flag发送到从机。从机根据主机发来的flag控制灯。flag为1时，控制LED亮，flag为0时，控制LED灭。初始化时，flag为0。

图6 主机流程图

图6 从机流程图

利用51波特率初值计算小工具，计算T1的初值。根据已知，晶振频率为12MHz，取T1为方式2（8位初值自动重装定时器），波特率倍增，则T1初值为0xF3。

图7 T1初值计算（fosc=12MHz, 波特率=4800bps）

注意：在使用串口的应用中，单片机晶振通常选择11.0592MHz，使常见波特率对应的T1初值没有误差。

编程步骤：

运行Keil，新建两个工程，MasterMCU和SlaveMCU，分别对应主机和从机程序。

编写相应程序。MasterMCU.c为主机程序，SlaveMCU.c为从机程序,代码如下。

//MasterMCU.c

#include

sbit key0 = P1^0; //K0接口为P1.0

bit flag = 0; //从机LED使能标志位，初始化为0

/****************************

*函数:delayMS

*功能：ms级延时函数@12MHz主频

*参数：ms:unsinged int，延时时间，单位:ms

*返回值：无

*****************************/

void delayMS(unsigned int ms)

{

unsigned int i,j;

for(i=0;i

for(j=0;j

}

void main() //主程序

{

//初始化UART

SCON = 0x40; //设置串口为工作方式1，8位/帧，REN=0，不接收

PCON = 0x80; //PCON.SMOD=1,波特率倍增

TCON = 0x20; //设置T1为方式2 定时器

TH1 = 0xF3; //T1初值，串口波特率4800bps@12MHz

TL1 = 0xF3;

TR1 = 1; //启动定时器T1

while(1)

{

//按键判断

if(key0 ==0) //按键闭合

{

delayMS(10); //软件去抖动

if(key0==0) //确认按键闭合

{

flag = ~flag; //LED使能位取反

while(key0==0); //等待按键松开

SBUF = flag; //通过串口发送flag到从机

while(TI==0); //等待发送完成

TI = 0; //发送完成，软件清理TI

}

}

}

}

//SlaveMCU.c

#include

sbit led_red = P1^0; //LED接口为P1.0

bit flag = 0; //LED使能标志位，初始化为0

void main() //主程序

{

//初始化UART

SCON = 0x50; //设置串口为工作方式1，8位/帧，REN=1，允许接收

TCON = 0x20; //设置T1为方式2 定时器

PCON = 0x80; //PCON.SMOD=1,波特率倍增

EA = 1; //总中断使能

ES = 1; //串口中断使能

TH1 = 0xF3; //T1初值，串口波特率4800bps@12MHz

TL1 = 0xF3;

TR1 = 1; //启动定时器T1

led_red = 1; //初始化LED灭

while(1); //主循环

}

//串口中断处理函数

//中断号为4

void ISR_Serial() interrupt 4

{

if(RI==1) //由接收引起串口中断，取数

{

led_red = 1;

flag = SBUF; //取flag

led_red = ~flag; // flag为1时，输出0，点亮LED；flag为0时，输出1，熄灭LED

RI = 0; //软件清零

}

}

分别生成主机和从机的.hex程序。

4.在proteus ISIS仿真电路图里，关联对应的.hex。

仿真验证，仿真结果如图8所示。

图8 串口编程

五、小结

本实例介绍了串口的结构与原理，通过一个简单实例介绍了串口的应用编程。在串口编程时，注意串口的初始化，特别是使用串口中断函数时，ES和EA别忘了置1。此外，不管采用软件查询法还是串口中断法，必须软件清零RI和TI。在下一个串口实例，我们将学习串口与PC通信编程。