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”，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。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。......
2023-11-17
单片机串行通信接口及物理标准解析
【摘要】：单片机的串行口是和外部设备进行通信的重要通道，下面将对串行通信接口的物理和电气标准、多机及远程通信的方法做进一步介绍。图9-23 MAX485双机通信原理图9-24 MAX485多机通信原理9.3.2 串行接口的物理标准RS-232C物理标准规定接口通向外部的连接器是一种型号为DB25的25芯插针插座。
单片机的串行口是和外部设备进行通信的重要通道，下面将对串行通信接口的物理和电气标准、多机及远程通信的方法做进一步介绍。
9.3.1 串行接口的电气标准
8051系列单片机的串行口输入/输出均使用TTL电平方式，当单片机与外部进行芯片间的数据交换时，TTL方式完全能够胜任，但在与PC进行通信时，TTL方式因抗干扰性差、电平损耗大等原因而有些力不从心，这时可以选择RS-232C通信方式，以实现近距离的数据通信。如果是在工厂、煤矿等远距离、强干扰的复杂环境下，RS-232C通信方式也捉襟见肘，只有RS-422A、RS-485通信方式才能满足通信的要求。
1.TTL电平通信接口
如果两个单片机的通信距离在1 m以内，就可以将它们的串行接口直接相连，实现芯片间的通信。在TTL电平通信方式下，单片机使用＋3～＋5 V来表示逻辑“1”，使用0 V来表示逻辑“0”。发送器的TXD引脚连接至接收器的RXD引脚，接收器的TXD引脚则连接至发送器的RXD引脚。两个8051单片机间的TTL电平通信连接方式如图9-18所示。
图9-18 芯片间的TTL通信接口
2.RS-232C通信接口
RS-232C接口（EIA RS-232C）是常用的一种串行通信接口标准，最早在1970年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、调制解调器厂家以及计算机终端制造商共同制定完成，并用于串行通信的接口电气标准，它的全称是数据终端设备（DTE）和数据通信设备（DCE）之间串行二进制数据交换接口技术标准。
RS-232C是一种在低速率串行通信中增加通信距离的单端标准，采用不平衡传输方式，收发端的数据信号都是相对于地的，使用正负电压来表示逻辑状态，即使用－5～－15 V表示逻辑“1”，＋5～＋15 V表示逻辑“0”。由于RS-232C电平接口使用两根信号线构成共地的传输形式，其共模抑制能力较差，容易产生共模干扰，再加上双绞线上的分布电容，其传送距离最大约为15 m，最高传输速率20 kb/s。
由于RS-232C电平与TTL电平不兼容，在单片机使用RS-232C标准进行通信时，必须进行电平和逻辑关系的转换，目前较为常用的电平转换器件是美信公司推出的MAX232，其引脚排列和典型电路如图9-19和图9-20所示。MAX232内部包含有两组驱动/接收器件，支持从EIA-232电平至5 V的TTL/CMOS电平的双向转换。
图9-19 MAX232的引脚排列
图9-20 RS-232C电平转换电路
注意：在使用MAX232设计电路时，需要将MAX232引脚OUT端连接至单片机的RXD端，MAX232的IN端连接至单片机的TXD端，才能保证两者之间的正常通信。
3.RS-422A通信接口
由于RS-232C标准存在许多不足之处，EIA又制定出了RS-422A标准。应当说RS-232C既是一种电气标准，又是一种特理接口功能标准，既规定了通信的电平，又规定了连接器件的样式，而RS-422A仅是一种电气标准，它并不涉及硬件接口的标准。
RS-422A标准采用平衡驱动和差分接收的通信方法，信号在一对双绞线上以相反极性传输，一条线上为高电平时，另一条线上为低电平，发送驱动器两条线之间的正电平为＋2～＋6 V，负电平为－2～－6 V。这种传输方式可以使信号在每根双绞线上产生的磁场相互抵消，从而将电磁干扰减至最小，RS-422A也因此具有很强的抗共模干扰能力。
RS-422A接口电路原理如图9-21所示。当TTL电平的逻辑“1”从A点输入时，在B点会输出经取反后为0 V的低电平，而在C点输出的是＋5 V的高电平，这种B低C高的线路电压状态，在差分接收器中会被还原成TTL电平的“1”。反之，当从A点输入逻辑“0”时，B点为＋5 V，C点为0 V，这种线路电压状态会被还原成TTL电平的“0”。
图9-21 RS-422A电路原理
RS-422A是四线接口，发送和接收均为单独通道，在相同传输线上最多允许接10个节点，即一个主设备，其余为从设备，从设备之间不能通信，所以RS-422A是一种支持“点对多”的双向通信协议。在实际应用中，RS-422A需要接终端电阻，其阻值约等于传输电缆的特性阻抗，在短距离传输时终端电阻也可以省略。RS-422A的最大传输速率可达10 Mb/s，在100 kb/s的速率下最大传输距离能达到1 200 m。
4.RS-485通信接口
RS-485是由RS-422A演变而来，区别在于RS-422A为全双工四线制，采用两对差分信号线传输数据，而RS-485为半双工二线制，采用一对差分信号线传输数据。在RS-485标准中，实现了多点、双向通信，增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，在一对通信线路上最多可以使用32台发送器和32台接收器。
RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此发送电路须由使能信号加以控制，使能信号可以控制发送驱动器与传输线间的切断与连接，当“使能”端关闭时，发送驱动器处于高阻状态。由于RS-485满足所有RS-422的规范，可以用在基于RS-422A标准的网络应用中。与RS-422A一样，RS-485最大传输距离约为1 200 m，最大传输速率为10 Mb/s，其接口的电路原理如图9-22所示。
(www.chuimin.cn)
图9-22 RS-485的电路原理
在实际使用中，通常是使用专用的485转换器将TTL电平转换成RS-485电平，实现双机或多机通信。由MAX485构成的双机二线制通信和多机二线制通信电路原理如图9-23和图9-24所示。
图9-23 MAX485双机通信原理
图9-24 MAX485多机通信原理
9.3.2 串行接口的物理标准
RS-232C物理标准规定接口通向外部的连接器是一种型号为DB25的25芯插针插座。在实际应用中，RS-232C规定的25条引线中一般只使用3～9条线，所以RS-232C还规定了另一种小型的连接器DB9，它采用9芯插头插座，其引脚定义和连接器实物如图9-25和图9-26所示，引脚功能见表9-3。
图9-25 DB9连接器引脚定义
图9-26 DB9连接器
表9-3 DB9连接器引脚定义
注：通常情况下单片机与PC连接只需使用发送数据、接收数据和信号地三根线即可。
9.3.3 多机通信
使用串行接口组网构成总线型主从式结构，可以实现多机通信，如图9-27所示。图中仅有一个主机，其余均是从机，从机要服从主机的调度和支配。使用8051系列单片机实现多机通信时，串行口可以工作在方式2或方式3，发送和接收一帧数据是11位，其中包括1个起始位、8个数据位、1个程控位和1个停止位。程控位用于区分地址帧或数据帧，当程控位为“1”时，该帧为地址帧；为“0”时，该帧为数据帧。为了延长通信距离，在实际的多机组网通信中，常采用RS-485标准总线进行数据传输。
图9-27 多机通信原理
编程向导：多机通信的设置。
（1）将所有从机的SM2位置位，使其处于只接收地址帧的状态。
（2）主机发送一个地址帧，其中包含8位地址信息，并且程控位为“1”，表示发送的是地址。
（3）每一个从机收到地址帧后，各自将收到的地址与其本机的地址相比较。
（4）地址相符的从机将SM2位清零，将本机置于接收所有数据的状态，而其他从机则保持SM2位不变，仍处于接收地址的状态。
（5）主机发送数据信息（程控位为0），只有SM2位清零的从机能接收到该数据帧，其他单片机因为SM2位为“1”不能接收数据帧。
（6）主机要与其他从机通信时，可以再次发送地址帧，先前与主机通信的单片机会将自身的SM2位再次置位，并对随后发来的数据帧不响应。
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