8051单片机串行通信接口简介

8051系列单片机内部集成的串行通信接口全称为“通用异步收发器”（UART），它既可作异步传输使用，也可作同步移位寄存器使用，还可用于数据的组网通信。串行口在接收和发送数据时，均可以向CPU申请中断，以保证能对接收和发送的信息及时处理。

9.2.1 UART的结构

8051系列单片机通用异步收发器的内部结构如图9-7所示。UART与单片机内部8位数据总线相连，SBUF是收发缓冲器，由接收缓冲器和发送缓冲器两部分构成，二者具有同一地址（99H）。8051系列单片机的串行数据通信的启动方法很简单，只要将数据写入发送缓冲器就能启动数据的发送，而在接收数据时，只要读取保存在接收缓冲器中的内容即可。单片机会按照读或写的方式不同，自动分配要访问的目标寄存器是发送还是接收。

图9-7 8051系列单片机通用异步收发器的内部结构

UART工作时，定时器T1用于产生通信需要的时钟，控制寄存器用于对串行口的工作状态进行相应的监控和设置。当数据写入发送SBUF后，数据在发送控制器的工作状态进行相应的监控和设置。当数据写入发送SBUF后，数据在发送控制器的控制下，按位从TXD引脚移出；外部数据在接收控制器的控制下，从RXD引脚移入移位寄存器并对串行数据进行恢复，恢复后的数据保存至接收SBUF中供软件读取。

当接收SBUF中的数据没有被软件读取时，移位寄存器还可以暂时接收并保存下一个新数据，从而避免发生数据溢出，这种结构也是串行口特有的接收双缓冲结构。发送器则没有类似的数据缓冲结构，因为在发送数据时单片机是主动的，不存在数据过载的问题。

波特率是指串行通信每秒钟传送数据的位数，波特率的单位是b/s（Bit Per Second，位/秒）。例如：异步串行通信的数据传送速度是每秒钟120个字符，每个字符包含有十位的二进制数，则传输的波特率可以用以下方法来计算：

波特率＝120字符/秒×10位/字符＝1200位/秒＝1200 b/s

9.2.2 UART的控制寄存器

1.串行口控制寄存器（Serial Control Register，SCON）

串行口控制寄存器SCON，可位寻址。

（1）bit7、bit 6（SM0、SM1）：串行口工作方式控制位，具体设置见表9-1。

表9-1 串行口工作方式

注：fosc为系统晶振频率。

（2）bit5（SM2）：多机通信控制位，主要是用于方式2和方式3，该位决定了是否用收到的不同特征的数据位来激活自己的中断系统。

① 0：无论串行口收到的一帧数据的第9位是0还是1，都认为这个数据有用，置位RI并将其放进SBUF，并向CPU申请中断。

② 1：串行口到的一帧数据的第9位如果是1，则认为这个数据有用，将其放进SBUF，置位RI并向CPU申请中断；如果收到数据的第9位是0，则认为这个数据无用将其丢弃。

注意：a.当SM2为1时，是否接收某个数据可由外部数据自身的特征来控制，这就让单片机对外部数据具有了选择性。

b.在方式0时，SM2位必须为0。

c.在方式1时，如果SM2位为1时，只有当接收到有效的停止位时，才会置位RI并申请中断。

（3）bit4（REN）：串行口接收允许位。

① 0：禁止接收。

② 1：允许接收。

（4）bit3（TB8）：在多机通信中（方式2或方式3），TB8作为一个存储位，保存着将要发送的一帧数据的第9位，通常用作区别地址帧或数据帧的标志。TB8＝0，表示发送的是数据；TB8＝1，表示发送的是地址。在双机通信中，第9位常用作奇偶校验位。

（5）bit2（RB8）：在多机通信中（方式2或方式3），RB8作为一个存储位，保存着已经接收到的一帧数据的第9位，用作地址帧或数据帧的判断。在双机通信中，用于对接收到的数据进行奇偶校验。

（6）bit1（TI）：发送中断标志位。

在方式0时，当串行口发送一帧数据的第8位结束时，硬件置位TI位，并向CPU申请中断。

在方式1～3时，当串行口刚开始发送一帧数据的停止位时，硬件置位TI位，并向CPU申请中断。TI位置位后，必须用软件清零。

（7）bit0（RI）：接收中断标志位。

在方式0时，当串行口接收到一帧数据的第8位结束时，硬件置位RI位，并向CPU申请中断。

在方式1～3时，当串行口接收到一帧数据的停止位中间时，硬件置位RI位，并向CPU申请中断。RI位置位后，必须用软件清零。

2.中断允许寄存器（Interrupt Enable Register，IE）

中断允许寄存器IE在项目7中已经介绍，本项目重点介绍对串行口有影响的位ES。

（1）bit7：5（略）。

（2）bit4（ES）：串行口中断允许位。

① 0：禁止串行口中断。

② 1：允许串行口中断。

（3）bit3：0（略）。

3.电源管理寄存器（Power Control Eegister，PCON）

PCON寄存器用于对电源和单片机的波特率控制，不可位寻址，本项目重点介绍对串行口有影响的位SMOD。

（1）bit7（SMOD）：串行口波特率倍增位。

① 0：串行口波特率不变，系统复位时默认为SMOD＝0。

② 1：串行口波特率加倍。

（2）bit6：0（略）。

9.2.3 串行口的工作方式

按照设置的不同，串行口可以工作在以下4种方式下：

1.方式0（8位移位寄存器I/O方式）

当SM0、SM1位为“00”时，串行口工作在方式0下，串行口为同步移位寄存器输入/输出模式，常用于外接移位寄存器，用以扩展并行I/O口，这种方式不适用于单片机之间的通信。在方式0状态下，串行口发送的一帧数据为8位，不设起始位和停止位，先发送和接收的是最低位，波特率是固定的，具体可用下式来表示：

方式0的波特率＝fosc/12

1）方式0的发送

在方式0的发送过程中，当数据写入发送缓冲器（SBUF）时，单片机内部产生一个写SBUF的正脉冲，该脉冲触发串行口把SBUF中的8位数据以fosc/12的固定波特率从RXD（P3.0）引脚串行输出，低位在前、高位在后。TXD（P3.1）引脚输出同步移位脉冲，当单片机发送完8位数据后，置位发送中断标志位TI，方式0的发送时序如图9-8所示。

图9-8 方式0的发送时序

2）方式0的接收

在方式0接收时，REN为串行口允许接收控制位。在方式0状态下，当REN＝1时单片机开始接收数据，引脚RXD（P3.0）为数据输入端，TXD（P3.1）为同步移位脉冲输出端，接收器以fosc/12的固定波特率采样RXD引脚的数据，当接收完8位数据后，置位接收中断标志位RI，并向CPU申请中断，方式0的接收时序如图9-9所示。

图9-9 方式0的接收时序

需要特别注意的是，方式0的数据传输不同于串口的同步通信方式，其用途是经常配合串入并出或者并入串出移位器件一起使用，用于扩展I/O口，具体电路如图9-10所示。方式0是串行口的默认工作模式，当单片机复位后，SCON寄存器被清零，串行口工作在方式0的默认模式下。另外，当TI/RI位硬件置位后，需要用软件清零这两个标志位。

图9-10 串行口扩展I/O口电路

2.方式1（波特率可变的10位异步通信方式）

当SM0、SM1位为“01”时，串行口工作在方式1状态下。方式1用于数据的串行发送和接收。TXD和RXD引脚分别用来发送和接收数据。在方式1下，一帧数据由10位组成，即1个起始位、8个数据位和1个停止位，数据的低位在前、高位在后。方式1的数据帧格式如图9-11所示。

图9-11 方式1的数据帧格式

工作在方式1时，串行口被配置成波特率可变的8位异步串行通信接口，其波特率可以由下式计算：

方式1的波特率＝（2SMOD/32）×定时器T1的溢出率

1）方式1的发送

在方式1下发送数据时，数据位由TXD端输出，当数据写入发送缓冲器（SBUF）时，单片机内部产生一个写SBUF正脉冲，此脉冲触发串行口以设定的波特率开始发送数据，数据的低位在前、高位在后。当单片机发送完8位数据并在发送停止位前，置位发送中断标志位TI。方式1发送时序如图9-12所示。

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图9-12 方式1的发送时序

2）方式1的接收

在方式1下接收数据时（REN＝1、RI＝0），数据从RXD（P3.0）引脚输入，当单片机检测到起始位的负跳变时，就开始以约定的波特率接收数据。当接收完8位数据并在停止位到来时，置位接收中断标志位RI。方式1接收数据时序如图9-13所示。

图9-13 方式1的接收时序

3.方式2（固定波特率的11位异步接收/发送方式）

当SM0、SM1位为“10”时，串行口工作在方式2状态下，此时串行口被定义为9位异步串行通信接口，一帧数据由11位构成，即1个起始位、8个数据位、1个可编程控制位和1个停止位。方式2时的数据格式类似于方式1，所不同的是增加了一位可编程的数据位（TB8/RB8），这一位在双机通信时可用于“奇偶校验”，在多机通信时可用于地址/数据的标志位。方式2的数据帧格式如图9-14所示。

图9-14 方式2的数据帧格式

方式2常用于单片机间通信，其波特率是固定的，具体可用下式表示：

方式2的波特率＝fosc×2SMOD/64

1）方式2发送

发送数据前，先根据通信协议软件设置TB8位（用于奇偶校验或地址/数据帧的标志），该位会在发送时自动转移到待发送数据的程控位上去。设置好TB8位后，将待发送的8位数据写入SBUF，即可启动发送过程，发送完成后TI位会硬件置位。方式2数据发送时序如图9-15所示。

图9-15 方式2、方式3发送时序

2）方式2接收

串行口以方式2接收数据时（REN＝1、RI＝0），数据从RXD（P3.0）引脚输入，当单片机检测到起始位的负跳变时，就开始以约定的波特率接收数据。当数据的第9位接收完成，并且在停止位到来时，会根据SMOD寄存器中SM2位的状态对第9位进行判断。如果SM2位为0，无论单片机收到的第9位是0还是1，都认为这个数据有用，将前8位放入SBUF，将第9位数据送入RB8，并置位RI，如果允许还将向CPU申请中断。

如果SM2位为1，串行口收到的第9位如果是1，就认为这个数据有用，将其前8位放进SBUF，将第9位保存至RB8，并置位RI；第9位如果是0，就认为这个数据无用，将其丢弃。方式2接收数据的时序如图9-16所示。

图9-16 方式2、方式3接收时序

4.方式3（可变波特率的11位异步接收/发送方式）

当SM0、SM1位为“11”时，串行口工作在方式3状态下，方式3为波特率可变的9位异步通信方式，方式3和方式2唯一的区别就是方式3的波特率是可变的，由定时器T1的溢出率来决定，其发送和接收原理和工作时序可以参考方式2。方式3的波特率可由下式来计算：

方式3的波特率＝（2SMOD/32）×定时器T1的溢出率

9.2.4 数据的校验

数据在传输过程中，由于会受到可能的干扰而引起发送的信息和接收到的不一致，产生了错误，这种错误我们称其为“误码”。一旦数据在传输过程中产生了误码，就要想办法把它找出来，数据检错的方法有很多，常用的有以下两种：

1.奇偶校验

奇偶校验（Parity Check）是一种校验代码传输正确性的基本方法，根据被传输的一组二进制代码的数位中“1”的个数是奇数或偶数来进行校验。奇偶校验分为奇校验和偶校验两种方式，采用何种校验是事先约定好的。

奇偶校验是最简单的检错方法，即在传送字符的各数据位之外，再另外传送一位奇偶校验位，用校验位来调整这组代码中“1”的个数为奇数或偶数。在奇校验时，接收端会检验收到的一组代码中（包括校验位本身）“1”的个数是否为奇数，奇数则为传输正确，而在偶校验中，代码中“1”的个数应为偶数。

（1）奇校验：所有传送的数位（含数据位和校验位）中“1”的个数为奇数，例如：“8位数据位＋1位校验位”的数据为：101101010，这组数据中1的个数为奇数，可以通过奇校验。

（2）偶校验：所有传送的数位（含数据位和校验位）中“1”的个数为偶数，例如：“8位数据位＋1位校验位”的数据为：101101011，这组数据中1的个数为偶数，可以通过偶校验。

奇偶校验只能够检测出信息传输过程中的部分误码（1位误码能检出，2位及2位以上误码不能检出），同时它也不能对数据进行纠错，在发现错误后只能要求发送方重新发送。尽管如此，由于奇偶校验实现起来非常简单，仍然得到了广泛使用。

2.CRC

CRC是更高级的差错校验方式，全称为循环冗余校验（Cyclical Redundancy Check）。循环冗余校验的方法是在每个数据块（帧）中加入一个帧检查序列（FCS），该序列中包含了帧的详细信息，帧检查序列用于发送和接收装置比较帧的正确性，这种校验方式校验功能强大且具有自我纠错的能力，但对收发双方的数据运算能力有一定的要求。

9.2.5 波特率的设定

串行通信中收发双方在发送或接收数据时，波特率必须一致。在串行口的4种工作方式中，方式0和方式2的波特率是固定的，其波特率与使用的晶体振荡器有关。方式1和方式3则不同，其波特率是由定时器T1的溢出率来决定的。所谓定时器的溢出率，就是指定时器每秒钟溢出的次数。通过改变定时器的初值，就可以改变定时器的溢出率，从而改变串行口的波特率。

（1）方式0的波特率：串行口工作在方式0时，波特率固定为晶振频率fosc的1/12，且不受SMOD位的影响。例如：当晶振频率fosc＝12 MHz时，串行口的波特率为1 Mb/s。

（2）方式2的波特率：串行口工作在方式2时，波特率与晶振频率及SMOD的值有关，即

波特率＝fosc×2SMOD/64

晶振频率fosc＝12 MHz时，当SMOD位为0时，波特率为187.5 kb/s；而当SMOD为1时，波特率为375 kb/s。

（3）串行口工作在方式1或方式3时，使用定时器T1作为波特率发生器，这时波特率是由T1的溢出率和SMOD的值共同决定的，即

波特率＝（2SMOD/32）×定时器T1的溢出率

在串行口工作时，T1通常设置为8位初值自动重装定时器，TL1用于8位计数器，而TH1用于存放重装初值，当晶体振荡器的频率为12 MHz时，波特率的计算方法如下：

1）定时器1每计一个数所用的时间为

2）假定初值为X，定时器1溢出所用的时间为

3）定时器T1的溢出率为

4）方式1或方式3的波特率为

将上式代入，方式1或方式3的波特率可以表示为

不同时钟频率下的定时器1初值与波特率的对应关系可以参考表9-2。

表9-2 波特率与时钟频率和定时器1初值的对应关系

MCU小贴士：8051系列单片机为什么常用11.0592 MHz晶振？

涉及通信标准，串行口波特率都是1200的整数倍，为了使单片机串行口波特率尽量准确，8051系列单片机通常使用11.0592 MHz的晶振，目的是减少波特率的误差。

设定时器的初值为X，当单片机的晶振频率为11.0592 MHz且SMOD的值为0时，要使串行口产生9600 b/s的波特率，可以将以上数值代入波特率的计算公式中，这时定时器的初值可由下式来计算：

定时器T1的初值X为：253（FDH）。从上面的计算中，我们不难发现11 059 200正好是9600×32×12的整数倍，所以使用11.0592 MHz可以确保所计算出来的初值是整数，从而确保不会产生波特率的误差。

编程向导：串行通信的配置。

串行口的控制原理如图9-17所示。

图9-17 串行口的工作原理

串行通信的配置方法可以参考以下步骤：

（1）编程TMOD寄存器，将定时器T1设置成8位自动重装定时器。

（2）依据波特率的不同，计算定时器T1的初值，并分别装入TH1和TL1中。

（3）置位TCON寄存器的TR1位以启动定时器T1。

（4）编程SCON寄存器，设定串行口的工作方式。

（5）编程PCON寄存器，设定串行口是否工作在倍速状态。

（6）如使用中断，需要编程IE寄存器，开启总中断EA和串行口中断ES。

（7）中断响应后需软件清零相应的中断标志位TI和RI。