第五章 单片机串行通信技术
在实际工作中，计算机的CPU与外部设备之间常常要进行信息交换；一台计算机与外界的信息交换称为数据通信。
数据通信方式有两种，即并行数据通信和串行数据通信。并行数据通信中，数据的各位同时传送，其优点是传递速度快；缺点是数据有多少位，就需要多少根传送线；串行通信中，数据字节一位一位串行地顺序传送，通过串行接口实现。它的优点是只需一对传送线（利用电话线就可作为传送线），这样就大大降低了传送成本，特别适用于远距离通信；其缺点是传送速度较低。在应用时，可根据数据通信的距离决定采用哪种通信方式，例如，在PC机与外部设备（如打印机等）通信时，如果距离小于30m可采用并行数据通信方式；当距离大于30m时，则要采用串行数据通信方式。8051单片机具有并行和串行二种基本数据通信方式。图5-1（a）所示为8051单片机与外设间8位数据并行通信的连接方法。图5-1（b）所示为串行数据通信方式的连接方法。本章主要介绍单片机串行通信技术。
P1.0D0D1D2D3D4D5D6D7GNDP1.1P1.2P1.3P1.4P1.5微机或外部设备RxDTxD803180518751TxDRxD80518751微机或外部设备8031P1.6P1.7GNDGNDGND(a)(b) 图5-1 两种通信方式的示意图 （a）并行通信 （b）串行方式 第一节 串行通信基础
一、串行通信分类
按照串行数据的时钟控制方式，串行通信分为异步通信和同步通信两类。 1． 异步通信
在异步通信中，数据是以字符为单位组成字符帧传送的。发送端和接收端由各自独立的时钟来控制数据的发送和接收，这两个时钟彼此独立，互不同步。每一字符帧的数据格式如图5-2所示。
在帧格式中，一个字符由四个部分组成：起始位、数据位、奇偶校验位和停止位。 （1）起始位：位于字符帧开头，仅占一位，为逻辑低电平“0”，用来通知接收设备，发送端开始发送数据。线路上在不传送字符时应保持为“1”。接收端不断检测线路的状态 ，若连续为“1”以后又测到一个“0”，就知道发来一个新字符，应马上准备接收。
（2）数据位：数据位（D0~D7）紧接在起始位后面，通常为5～8位，依据数据位由低到高的顺序依次传送。
（3）奇偶校验位：奇偶校验位只占一位，紧接在数据位后面，用来表征串行通信中采用奇校验还是偶校验，也可用这一位（I/O）来确定这一帧中的字符所代表信息的性质（地址/数据等）。
（4）停止位：位于字符帧的最后，表征字符的结束，它一定是高电位（逻辑“1”）。停止位可以是1位、1.5位、或2位。接收端收到停止位后，知道上一字符已传送完毕，同时也为接收下一字符作好准备（只要再收到“0”就是新的字符的起始位）。若停止位以后不是紧接着传送下一个字符，则让线路上保持为“1”。图5-2（a）表示一个字符紧接一个字符传送的情况，上一个字符的停止位和下一个字符的起始位是紧相邻的；图5-2（b）则是两个字符间有空闲位的情况，空闲位为“1”，线路处于等待状态。存在空闲位正是异步通信的特征之一。
第n-1字符帧...0/11第n字符帧0D0D1D2D3D4D5D6D70/11第n+1字符帧0D0D1...起始位8位数据（a）奇偶停校验止位空闲位...110第n字符帧D0D1D2D3D4D5D6D70/18位数据11空闲位11第n+1字符帧0D0D1...起始位（b）奇偶停校验止位 图5-2 异步通信一帧数据格式 （a）无空闲位字符帧 （b）有空闲位字符帧
2．同步通信
同步通信时，字符与字符之间没有间隙，也不用起始位和停止位，仅在数据块开始时用同步字符SYNC来指示（常约定1~2个），然后是连续的数据块。同步字符的插入可以是单同步字符方式或双同步字符方式，如图5-3所示；同步字符可以由用户约定，也可以采用ASCII码中规定的SYN代码，即16H。通信时先发送同步字符，接收方检测到同步字符后，即准备接收数据。
在同步传输时，要求用时钟来实现发送端与接收端之间的同步。为了保证接收无误，发送方除了传送数据外，还要把时钟信号同时传送。
同步字 数据字数据字数据字?? 数据字CRC1 CRC2 符1 符1 符2 符3 符n （a） 同步字符1 同步字符2 数据字符1 数据字符2 ?? 数据字 符n CRC1 CRC2 （b）
图5-3 同步传送的数据格式
（a）单同步字符帧格式 （b）双同步字符帧格式
同步通信方式适合2400bps以上速率的数据传输，由于不必加起始位和停止位，传送效率较高，但实现起来比较复杂。
二、波特率
波特率，即数据传送速率，表示每秒钟传送二进制代码的位数，它的单位是位/秒（b/s），常用bps表示。波特率是异步通信的重要指标，表征数据传输的速度，波特率越高，数据传输速度越快, 在数据传送方式确定后，以多大的速率发送/接收数据，是实现串行通信必须解决的问题。
假设数据传送的速率是120字符/s，每个字符格式包含10个代码位（1个起始位、1个停止位、8个数据位），则通信波特率为：
120字符/s×10位/字符＝1200b/s＝1200波特 每一位的传输时间为波特率的倒数：
Td＝1/1200＝0.833ms
三、串行通信的制式
在串行通信中按照数据传送方向，串行通信可分为单工、半双工和全双工三种制式。 1．单工制式
在单工制式中，只允许数据向一个方向传送，通信的一端为发送器，另一端为接收器。 2．半双工制式
在半双工制式中，系统每个通信设备都由一个发送器和一个接收器组成，允许数据向两个方向中的任一方向传送，但每次只能有一个设备发送，即在同一时刻，只能进行一个方向传送，不能双向同时传输。
3．全双工制式
在全双工制式中，数据传送方式是双向配置，允许同时双向传送数据。 在实际应用中，异步通信通常采用半双工制式，这种用法简单、实用。
第二节 串行通信总线标准
在进行串行通信接口设计时，必须根据需要确定选择标准接口、传输介质及电平转换等问题。和并行传送一样，现在已经颁布了很多种串行标准总线，如RS-232C，RS-422、RS-485和20mA电流环等。采用标准接口后,能够方便地把单片机和外设、测量仪器等有机地连接起来,从而构成一个测控系统。
一、RS-232C总线标准与应用
RS-232C是使用得最早、最多的一种异步串行通信总线标准。它由美国电子工业协会 (Electronic Industries Association)于1962年公布，1969年最后一次修订而成。其中RS是
Recommended Sandard的缩写，232是该标准的标识，C表示此标准已修改了三次。
RS-232C主要用来定义计算机系统的一些数据终端设备(DTE)和数据通信设备(DCE) 之间接口的电气特性，目前已广泛用于计算机与终端或外设之间的近端连接,适合于短距离或带调制解调器的通信场合。
(一) RS-232C的电气特性
RS-232C标准早于TTL电路的产生，与TTL、MOS逻辑电平规定不同。该标准采用负逻辑：低电平表示逻辑1，电平值为－3V～－l5V；高电平表示逻辑0，电平值为+3V一+l5V。因此，RS-232C不能直接与TTL电路连接，使用时必须加上适当的电平转换电路，否则将使TTL电路烧毁。
（二）RS-232C引脚功能
RS-232C标准总线有25条信号线，引脚名称见表5-1。
RS-232C信号分为两类，一类是DTE与DCE交换的信息：TxD和RxD；另一类是为了正确无误地传输上述信息而设计的联络信号。下面介绍这两类信号。
1．数据发送与接收线
发送数据TxD：通过TxD线，终端将串行数据由发送端(DTE)向接收端(DCE)发送。按串行数据格式，先低位后高位的顺序发出。
接收数据RxD：通过RxD线，终端接收从发送端DTE (或调制解调器)输出的数据。 2．联络信号
这类信号共有6个：
请求传送信号RTS：用来表示DTE请求DCE发送数据，即当终端要发送数据时，该信号RTS=1。
清除发送信号CTS： 用来表示DCE准备好接收DTE发来的数据，是对请求发送信号RTS的响应信号。
数据准备就绪信号DSR： 这是DCE向DTE发出的联络信号。DSR将指出本地DCE的工作状态。当DSR=l时，表示DCE没有处于测试通话状态，这时DCE可以与远程DCE建立通道。
数据终端就绪信号DTR： 这是DTE向DCE发送的联络信号。DTR=l时，表示DTE处于就绪状态，本地DCE和远程DCE之间建立通信通道；而DTR=0时，将迫使DCE终止通信工作。
数据载波检测信号DCD：这是DCE向DTE发出的状态信息。当DCD=1时，表示本地DCE接收到远程DCE发送。
振铃指示信号RI：这是DCE向DTE发出的状态信息。RI=1时，表示本地DCE接收到远程DCE的振铃信号。
表5-1 RS232各引脚信号说明
插针 1* 2* 信号名 GND TXD 保护地 发送数据 功能说明 信号方向 对DTE × 出 对DCE 入 出