山西國營大眾機械廠軍用加固外設(shè)研究所 張 巖

51單片機與上位PC機的串行通信技術(shù)

山西國營大眾機械廠軍用加固外設(shè)研究所 張 巖

近幾年來，單片機用它自身較高的性價比越來越多的在智能式儀表和工業(yè)過程控制中得到廣泛好評和應(yīng)用。但是因為單片機本身的資源有限，其中一些復(fù)雜過程和功能中很多的控制就很難滿足要求，必須將單片機的數(shù)據(jù)上傳到上一級計算機進行處理。所以實現(xiàn)上位機（PC機）和下位機（單片機）之間的數(shù)據(jù)傳輸具有極其重要的意義。

上位機；單片機；串口通信；MAX232

1 串行接口的概念

串行通信是通過同一信號線將數(shù)據(jù)按照一定的順序傳送的方式。因為他的通路可以只有一條，發(fā)送和接收信息不可以同時進行，所以只恩呢該采用分時間段采用線路的方法，例如：A在發(fā)送信息，而B只能接收信息。這種串行通信的工作方式稱為半雙工通信方式。如果工作中有兩條通路，發(fā)送和接收信息遍可以同時進行了。例如：A發(fā)送信息的同時，B也可以同時發(fā)送信息。這種工作方式便可以稱作雙工通信方式。除了以上兩種還有一種單工通信，他只可以單方向的傳送信息。這種工作方式在實際工作中極為少見。

2 串行通信的傳輸方向

單片機的串行通信的工作方式有三種，單工、半雙工、雙工配置。單工是指數(shù)據(jù)傳輸每次只恩呢該按照一個方向傳輸。半雙工是數(shù)據(jù)可以按兩個方向傳輸，但是需要分時間進行。全雙工時指可以同時雙向傳輸數(shù)據(jù)。是兩個單向配置，要求兩端都具備獨立完成和發(fā)送接收能力的通信設(shè)備。

圖1為串行通信的數(shù)據(jù)傳送方式。

圖1 串行通信傳送方式

3 單片機的串口

89C51單片機不僅具一個串行接口，同時還擁有4個8位并行接口。此串行接口屬于全雙工通信接口，它具有可以編程性。在使用過程中，該接口能夠同時發(fā)送和接收串行數(shù)據(jù)。它可以起到同步移位寄存器作用，同時也可以當(dāng)作異步接收和發(fā)送器來進行異步通信。其幀格式有8位、10位、或11位，并能設(shè)置各種波特率，給使用帶來了很大的靈活性。

89C51單片機系統(tǒng)通過串口可以實現(xiàn)點對點的單機通信和89C51與多個系統(tǒng)主機之間的多機通信。

3.1 單片機串行口的結(jié)構(gòu)

89C51的外部通信功能是通過RXD（P3.0，串行數(shù)據(jù)接收端）和TXD（P3.1，串行據(jù)發(fā)送端）口實現(xiàn)的。該單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。在該簡化示意圖中可以看出，89C51單片機中有兩個獨立的發(fā)送、接收緩沖寄存器——SBUF（Serial Data Buffer），99H地址可以被這兩個寄存器共同使用，接收和發(fā)送數(shù)據(jù)能同時進行。其中：接收緩沖器只能用于讀取數(shù)據(jù)，不能寫入數(shù)據(jù)；而發(fā)送寄存器只能用于寫入數(shù)據(jù)，不能讀取數(shù)據(jù)。

圖2 單片機串口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

CPU主動發(fā)送的特性可以保證串行數(shù)據(jù)接收與發(fā)送的同步性。用定時器T1作為89C51串行通信的波特率發(fā)生器，串行接受或發(fā)送的一位脈沖是由T1溢出率2分頻或不分頻后又經(jīng)16分頻所得，其移位的速率即是波特率。

從圖中可以看出：第一個字節(jié)的內(nèi)容在被接收緩沖寄存器SBUF讀出之前，第二個字節(jié)即開始被接收新的內(nèi)容（將串行數(shù)據(jù)輸入至移位寄存器）這就形成了接收器的雙緩沖結(jié)構(gòu)。然而，如果出現(xiàn)前一個字節(jié)尚未被讀取時第二個字節(jié)已經(jīng)接收完畢的狀況，則前一個字節(jié)的內(nèi)容會被丟棄。

寄存器即可以讀寫串行口的發(fā)送，又可以讀寫接收。緩沖寄存器SBUF裝載并由TXD引腳向外發(fā)送一幀數(shù)據(jù)的過程，即是發(fā)寫命令，當(dāng)發(fā)送結(jié)束后，這時會發(fā)送中斷標志位TI被置為1。

接收位REN置為1的前提是，滿足串行口接收終端標志位RI被置為0，此時將會有數(shù)據(jù)以一幀的形式被移位寄存器接收，并將這一幀數(shù)據(jù)裝載到接收SBUF中，此時接收終端標志位將會把RI置為1。當(dāng)發(fā)送SBUF命令時，接收緩沖器（SBUF）將會取出信息，89C51會通過內(nèi)部總線將該數(shù)據(jù)發(fā)送至CPU。一般情況不用雙緩沖器結(jié)構(gòu)來保持最大傳送速率。

3.2 單片機串行通信的工作方式

根據(jù)實際需要，89C51串行口通常有4種不同的工作方式可以設(shè)置，其中幀格式有8位、10位和11位。這四種不同的工作方式為：

3.2.1 工作方式0

方式0時，同步移位寄存器的輸入與輸出均是通過串行口來實現(xiàn)的，方便并行輸入或輸出口的擴展。外接部件的同步數(shù)據(jù)信號是由RXD(P3.0)引腳來進行輸入或輸出，并通過TXD(P3.1)引腳輸出同步移位脈沖。工作時無起始位，奇偶校驗位既停止位，接收和發(fā)送均占用8位數(shù)據(jù)位，通常情況下為低位排在前面，高位排在后面。一般用于擴展I/O口，該方式的波特率為固定值fosc/12。

3.2.2 工作方式1

方式1是波特率可調(diào)的10位數(shù)據(jù)的異步通信方式。引腳TXD是用來發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的接收引腳是RXD，其中1位起始位，1位停止位，8位數(shù)據(jù)位。在接收時，停止位進入SCON的RB8，該方式的傳送波特率可以調(diào)節(jié)。

當(dāng)REN被設(shè)置成1，允許接收數(shù)據(jù)，RXD引腳脈沖會被接收器進行采樣。RXD的電平會發(fā)生跳變，當(dāng)RXD電平為負時起始位有效。此時移位寄存器開始裝載數(shù)據(jù)，剩余的幀信息將按順序被接受。由于數(shù)據(jù)是從最右一位一位開始移入，控制電路最后移位的條件是，最先接收的數(shù)據(jù)位移至寄存器的最里邊時，即左邊。當(dāng)RI被置為0，且接收到的停止位為1時，這時一幀數(shù)據(jù)會被SBUF接受寄存器完全裝載，第9位停止位由進入RB8，RI的值變?yōu)?，同時向CPU發(fā)送中斷命令信號。

3.2.3 工作方式2和方式3

方式2和方式3的功能相同，區(qū)別在于方式3的波特率可調(diào)。方式2串口工作方式波特率是固定的11位數(shù)據(jù)的異步通信方式。同樣引腳TXD是用來發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的接收引腳是RXD。11位數(shù)據(jù)中有1位起始位，1位停止位，9位數(shù)據(jù)位。方式2有其特定的波特率，其頻率通常被固定在晶振的1/32或1/64。方式3的波特率可根據(jù)定時器的溢出率來調(diào)整。

（1）方式2和方式3輸入

在接收數(shù)據(jù)時，輸入移位寄存器從右邊開始逐個讀取數(shù)據(jù)，控制電路最后移位的條件是，最左邊的數(shù)據(jù)變?yōu)槠鹗嘉坏?時。當(dāng)RI被置為0，且接收到的停止位為1時，接收緩沖器SBUF，RB8將存儲接收到的數(shù)據(jù)，隨后RI置為1，通過內(nèi)部總線將中斷信號發(fā)送至CPU。反之，如果完成該步驟，則會丟失信息，且RI依舊為0，繼續(xù)查找RXD端的負電平。

（2）方式2和方式3輸出

當(dāng)輸出開始時，TXD端會接收到來自起始位的0。接著，該引腳會接收到移位寄存器的輸出位（D0）。每接收到一個移位電平，就會使輸出移位寄存器內(nèi)的全部信息右移一位，并由TXD端輸出。

在第一次移位時，輸出移位寄存器的第9位上則會被裝載為停止位“1”，之后的所有移位，每次會在左邊添加一個0。因輸出與輸入正好相反，從左向右移，當(dāng)停止位被1輸出時，會檢測到左側(cè)的位都是0，電路發(fā)覺到這一狀態(tài)后，控制電路則最后一次移位，并將TI修改為1，向CPU發(fā)出中斷命令信號。

4 結(jié)論

單片機與上位機的串行通信在現(xiàn)場控制中有著很多的應(yīng)用，單片機作為數(shù)據(jù)采集端，將采集到的數(shù)據(jù)傳給上位機，由上位機進行處理。本系統(tǒng)利用了AT89C51和MAX232芯片，可以實現(xiàn)的功能如下：

（1）通過鍵盤輸入數(shù)據(jù)；

（2）在四位數(shù)碼管上顯示要求顯示的數(shù)據(jù)；

（3）單片機和上位機實現(xiàn)串行通信。

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[2]張振榮,晉明武,王毅平.MCS-51單片機原理及實用技術(shù)[M].北京:人民郵電出版社,2000,8.

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