串行接口及串行通信技术课件.ppt
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1、第第9 9章章 串行接口及串行通信技术串行接口及串行通信技术 第第6章章 串行接口及串行通信技术串行接口及串行通信技术 6.1 串行通信基础知识串行通信基础知识 6.2 AT89C51的串行接口的串行接口 6.3 AT89C51串行接口的应用与编程串行接口的应用与编程 习题与思考题习题与思考题 第1页,共78页。第第9 9章章 串行接口及串行通信技术串行接口及串行通信技术 6.1 串行通信基础知识串行通信基础知识 一、一、串行通信基本概念串行通信基本概念1.并行通信和串行通信 1)并行通信并行通信 并行通信是指构成信息的二进制字符的各位数据采用多条数据线同时传送的通信方法,如图6.1所示。特点
2、:传输控制简单、速度快。但距离长时传输线多,成本高。2)串行通信串行通信 串行通信是指构成信息的二进制字符的各位数据一位一位顺序地传送的通信方式,如图6.2所示。特点:传输控制复杂、速度慢,但传输线少,成本低。第2页,共78页。第第9 9章章 串行接口及串行通信技术串行接口及串行通信技术 WRRDWRRDCSD0P2.7P0.0P0.7D7微型计算机(89C51)外设(8255)图6.1 并行通信示意图 第3页,共78页。第第9 9章章 串行接口及串行通信技术串行接口及串行通信技术 微型计算机(89C51)外设TXDRXDRXDTXD发送 图6.2 串行通信示意图 第4页,共78页。第第9 9
3、章章 串行接口及串行通信技术串行接口及串行通信技术 2.异步通信和同步通信 串行通信串行通信又分为两种基本通信方式,即异步通信和同步通信。1)异步通信 在异步通信中,被传送的信息通常是一个字符代码或一个字节数据,它们都以规定的相同传送格式(字符帧格式)一帧一帧地发送或接收。字符帧格式由四部分组成:起始位,数据位,奇字符帧格式由四部分组成:起始位,数据位,奇偶校验位和停止位偶校验位和停止位,如图6.3所示。下面介绍各部分的功能。第5页,共78页。第第9 9章章 串行接口及串行通信技术串行接口及串行通信技术 D7 0/1D0D1D2D3D4D5D6D7 0/1D0D1111108位数据奇偶校验停止
4、位空闲位8位数据第n1字符帧起始位奇偶校验停止位起始位10第n字符帧第n1字符帧图6.3 异步通信帧格式第6页,共78页。第第9 9章章 串行接口及串行通信技术串行接口及串行通信技术 (1)起始位:在没有数据传送时,通信线上处于逻辑“1”状态,当信号变为0时表示起始位。(2)数据位:在起始位之后,发送端发出(接收端接收)的是数据位,数据的位数没有严格限制,如5位、6位、7位或8位等。由低位到高位逐位传送。(3)奇偶校验位:数据位发送完(接收完)之后,可发送奇偶校验位,它只占帧格式的一位,用于传送数据的有限差错检测或表示数据的一种性质,是发送和接收双方预先约定好的一种检验(检错)方式。第7页,共
5、78页。第第9 9章章 串行接口及串行通信技术串行接口及串行通信技术 (4)停止位:字符帧格式的最后部分为停止位,逻辑“1”电平有效,位数可以是1位、1/2位或2位。表示一个字符帧信息的结束,也为发送下一个字符帧信息做好准备。异步通信的特点:不要收发双方时钟严格一致,易异步通信的特点:不要收发双方时钟严格一致,易于实现,但每个字符要附加于实现,但每个字符要附加23位的起止位,各帧之间位的起止位,各帧之间还有间隔,因此传输效率不高。还有间隔,因此传输效率不高。第8页,共78页。第第9 9章章 串行接口及串行通信技术串行接口及串行通信技术 2)同步通信 同步通信是一种连续串行传送连续串行传送数据的
6、通信方式,一次通信只传输一帧信息一帧信息。这里的信息帧和异步通信的字信息帧和异步通信的字符帧不同,通常有若干个数据字符符帧不同,通常有若干个数据字符,如图6.4所示。其格格式由同步字符、数据字符和校验字符式由同步字符、数据字符和校验字符CRC三部分组成。三部分组成。在同步通信中,同步字符可以采用统一的标准格式,也可以由用户约定。同步通信时要建立发送方时钟对接收方时钟的直接同步通信时要建立发送方时钟对接收方时钟的直接控制,使数据传送完全同步。其特点是传输速率高,但控制,使数据传送完全同步。其特点是传输速率高,但硬件复杂。硬件复杂。第9页,共78页。第第9 9章章 串行接口及串行通信技术串行接口及
7、串行通信技术 同步字符数据字符1数据字符2数据字符n-1数据字符n校验字符校验字符图6.4 同步通信数据传送格式 第10页,共78页。第第9 9章章 串行接口及串行通信技术串行接口及串行通信技术 3.串行通信的制式制式 1)单工(Half duplex)制式 在单工方式下,通信线的A端只有发送器,B端只有接收器,信息数据只能单方向传送,即只能由A端传送到B端而不能反传。如图6.5所示。第11页,共78页。第第9 9章章 串行接口及串行通信技术串行接口及串行通信技术 发送器A端接收器B端图6.5 单工方式第12页,共78页。第第9 9章章 串行接口及串行通信技术串行接口及串行通信技术 2)半双工
8、(Half duplex)制式 半双工方式中,通信线路两端的设备都有一个发送器和一个接收器,如图6.6所示。数据可双方向传送但不能同时传送,即A端送B端收或B端送A端收,A、B两端的发送/接收只能通过半双工通信协议切换交替工作。第13页,共78页。第第9 9章章 串行接口及串行通信技术串行接口及串行通信技术 发送接收A端发送接收B端图6.6 半双工方式第14页,共78页。第第9 9章章 串行接口及串行通信技术串行接口及串行通信技术 3)全双工)全双工(Full duplex)制式 在全双工方式下,通信线路A、B两端都有发送器和接收器,A、B之间有两个独立通信的回路,两端数据不是交替发送和接收,
9、而是同时发送和接收。因此通信效率比前两种要高。该方式下所需的传输线至少要有三条,一条用于发送,一条用于接收,一条用于公用信号地,如图6.7所示。第15页,共78页。第第9 9章章 串行接口及串行通信技术串行接口及串行通信技术 A端B端发送接收发送接收图6.7 全双工方式第16页,共78页。第第9 9章章 串行接口及串行通信技术串行接口及串行通信技术 4.信号的信号的调制与解调调制与解调 计算机的通信要求传送的是数字信号。在远程数据通信时,通常要借用现存的公用电话网。但是电话网是为300-3 400 Hz的音频模拟信号设计的,对二进制数据的传输是不合适的。为此在发送时需要对二进制数据进行调制调制
10、生成模拟信号,使之适合在电话网上传输。在接收时,需要进行解调解调以将模拟信号还原成数字信号。1)调制器 把数字信号转换成模拟信号,然后送到通信线路上去。2)解调器 把从通信线路上收到的模拟信号转换成数字信号。由于通信是双向的,调制器和解调器合并在一个装置中,这就是调制解调器调制解调器MODEM,如图6.8所示。由图可见,调制器和解调器是进行数据通信所需的设备,因此把它叫做数据通信设备(数据通信设备(DCE)。)。通信线路是电话线,也可以是专用线。第17页,共78页。第第9 9章章 串行接口及串行通信技术串行接口及串行通信技术 图6.8 调制解调通信图 第18页,共78页。第第9 9章章 串行接
11、口及串行通信技术串行接口及串行通信技术 5.串行通信数据的校验 在通信过程中往往要对数据传送的正确与否进行校验。以保证准确无误的传输数据。常用的校验方法有奇偶校验及代码和校验常用的校验方法有奇偶校验及代码和校验。1)奇偶校验奇偶校验 奇偶校验的特点是按字符校验,即在数据发送时,在每一个字符的最高位之后都附加一个奇偶校验位“1”或“0”,使被传送字符(包括奇偶校验位)中含“1”的位数都为偶数(偶校验)或都为奇数(奇校验)。例:当约定为奇校验奇校验时,数据中数据中“1”的个数与校验位的个数与校验位“1”的个数之和应为奇的个数之和应为奇数;数;当约定为偶校验偶校验时,数据中数据中“1”的个数与校验位
12、的个数与校验位“1”的个数之和应为偶的个数之和应为偶数。数。接收方与发送方的校验装置和方式应一致。接收字符时,对“1”的个数进行校验,若二者不一致,则说明传输数据过程中出现了差错。第19页,共78页。第第9 9章章 串行接口及串行通信技术串行接口及串行通信技术 2)代码和校验 所谓和校验是发送方将所发数据块求和(或各字节异或),产生一个字节的校验字符(校验和)附加到数据块末尾。接收方接收数据同时对数据块(除校验字节外)求和(或各字节异或),将所得的结果与发送方的“校验和”进行比较,相符则无差错,否则即认为传送过程中出现了差错。第20页,共78页。第第9 9章章 串行接口及串行通信技术串行接口及
13、串行通信技术 6.传输速率与传输距离传输速率与传输距离 1)波特率波特率 波特率(也叫比特率比特率),即数据传输的速率。它表示每秒钟传送二进制它表示每秒钟传送二进制代码的位数。其单位是代码的位数。其单位是b/s。在串行通信中,发送设备和接收设备之间除了采用相同的字符帧格式(异步通信)或相同的同步字符(同步通信)来协调同步工作外,两者两者之间发送数据的速度和接收数据的速度也必须相同之间发送数据的速度和接收数据的速度也必须相同,这样才能保证被传送数据的成功传送。波特率是串行通信的重要指标,对数据的成功传送至关重要。第21页,共78页。第第9 9章章 串行接口及串行通信技术串行接口及串行通信技术 举
14、例:设数据的传送率是240字符/s,而每个字符格式包含10 bit(1个起始位、1个停止位、8个数据位),这时传送的波特率是:10b240=2400 b/s 标准波特率标准波特率为:110bps、300bps、600bps、1200bps、2400bps、9600kbps,19.2kbps、56kbps等。第22页,共78页。第第9 9章章 串行接口及串行通信技术串行接口及串行通信技术 2)传输距离与传输速率的关系 传输距离与波特率及传输线的电气特性有关。通通常传输距离随波特率的增加而减小。常传输距离随波特率的增加而减小。当传输线使用每0.3 m(约1英尺)有50 pF电容的非平衡屏蔽双绞线时
15、,传输距离是随波特率增加而减小。当波特率超过1 000 bit/s时,最大传输距离迅速下降,如9600 bit/s时最大距离下降到只有76 m(约250英尺)。第23页,共78页。第第9 9章章 串行接口及串行通信技术串行接口及串行通信技术 二、串行通信的标准接口二、串行通信的标准接口 RS-232C通信接口是一种标准的串行接口,它定义了数据终端设备通信接口是一种标准的串行接口,它定义了数据终端设备(DTE)与数据通信设备()与数据通信设备(DCE)之间的物理接口标准。)之间的物理接口标准。普遍用于计算机之间及计算机与外设之间的串行通信。由于它符合EIA(电子工业协会)规格要求,在国际上得到了
16、广泛的应用。RS-232C接口具有如下特点:信号线少特点:信号线少,在某些场合,完成双工通信只需使用几根线就即可;有多种可供选择的信息传输速率有多种可供选择的信息传输速率:110、150、300、600、1 200、2 400、4 800、9 600和19 200 bps。RS-232C接口特性包括电气特性、机械特性、功能特性和过程特性四个方面内容。第24页,共78页。第第9 9章章 串行接口及串行通信技术串行接口及串行通信技术 1.机械特性 RS-232C接口规定使用规定使用25针连接器针连接器,称为DB-25插头或插座。如图6.9所示。RS-232C接口对标准的对标准的25针接口定义了针接
17、口定义了22条可以条可以与外界连接的信号线与外界连接的信号线,并对它们的功能作了具体的规并对它们的功能作了具体的规定。定。实际用户并不一定用到RS-232C标准的全部信号线,常常使用常常使用9针非标准连接器替代针非标准连接器替代25针连接器,称针连接器,称为为DB-9。第25页,共78页。第第9 9章章 串行接口及串行通信技术串行接口及串行通信技术 DTE:数据终端设备(如个入计算机)DCE:数据电路通信设备(如调制解调器)12345678910111213141516171819202122232425方向 名称 第2路发送数据 发送时钟 第2路接收数据 接收时钟未用 第2路请求发送 数据终
18、端就绪 数据信号检测 振铃指示 数据信号速率选择 发送时钟未用未用保护地 N.A发送数据 到DCE接收数据 到DCE请求发送 到DCE允许发送 到DTE数据置位就绪 到DTE信号地 N.A载波检测 到DTE留作调试用第2路载波检测 到DTE第2路允许发送 到DTE名称 方向到DCE到DTE到DTE到DTE到DCE到DCE到DTE到DTE到DCE到DCE图6.9 RS-232C引脚图第26页,共78页。第第9 9章章 串行接口及串行通信技术串行接口及串行通信技术 2.功能特性 RS-232C接口的主要信号线定义如表6-1。第27页,共78页。第第9 9章章 串行接口及串行通信技术串行接口及串行通
19、信技术 3.电气特性 RS-232C的每一个引脚的信号性质和电平均由标准规定,采用负逻辑电负逻辑电平平,如:1)规定规定DC(-3-15 V)为逻辑)为逻辑1,DC(+3+15 V)为逻辑为逻辑0。(简称简称EIA电平电平)2)其逻辑电平与通常的)其逻辑电平与通常的TTL和和MOS电平(用电平(用0V0.8V表示表示0,2V+5V表示表示“1”)不兼容不兼容。因此为了实现TTL或MOS电路的连接,要外加电路(如MAX232)实现电平转换。由于RS-232C发送端和接收端之间的信号采用多芯信号线,而多芯信号线的总负载电容不能超过2 500 pF,所以RS-232C的信号传输距离仅信号传输距离仅为
20、几十米,传输速率小于为几十米,传输速率小于20kbps。第28页,共78页。第第9 9章章 串行接口及串行通信技术串行接口及串行通信技术 4.过程特性 过程特性规定了信号之间的时序关系,以便正确地规定了信号之间的时序关系,以便正确地接收和发送数据接收和发送数据。如果通信双方均具备RS-232C接口,则二者可以直接连接,不必考虑电平转换问题。但是对于单片机与计算机通过对于单片机与计算机通过RS-232C的连接,必须考的连接,必须考虑电平转换问题,虑电平转换问题,因为MCS-51系列单片机串行口不是标准RS-232C接口。远程RS-232C通信需要调制解调器,如图6.10所示。近程通信RS-232
21、C(通信距离15 m内)可以不使用调制解调器,其连接方法可有以下几种,如图6.11所示。第29页,共78页。第第9 9章章 串行接口及串行通信技术串行接口及串行通信技术 图6.10 远程RS-232C通信连接图6.11 近程RS-232C通信连接第30页,共78页。第第9 9章章 串行接口及串行通信技术串行接口及串行通信技术 5.RS-232C电平与TTL电平转换驱动电路 单片机与计算机通过RS-232C的连接,必须考虑电平转换问题。早期常用的电平转换芯片为MC1488、MC1489。近年来多采用片内带有自升压电路的芯片。近年来多采用片内带有自升压电路的芯片。如如MAXM232,它仅需,它仅需
22、+5V电源,电源,内置电子升压泵将+5V转换成-10V+10V。该芯片内含2个发送器,2个接收器,且与TTL/CMOS电平兼容,使用非常方便。第31页,共78页。第第9 9章章 串行接口及串行通信技术串行接口及串行通信技术 6.采用RS-232C接口存在的问题问题 1)传输距离短、速率低)传输距离短、速率低 RS-232C标准受电容允许值的约束,传输距离一般不超过15米。最高传输速率为20bps。2)有电平偏移)有电平偏移 RS-232C接口收发双方共地的情况下,当通信距离较远时,两端的地电位差别较大,信号地上会有较大的地电流并产生压降,一方输出的逻辑电平到达对方时,其逻辑电平可能偏移较大,严
23、重时会发生逻辑错误。第32页,共78页。第第9 9章章 串行接口及串行通信技术串行接口及串行通信技术 3)抗干扰能力差 RS-232C采用单端输入输出,传输过程中的干扰和噪声会混在正常的信号中。为了提高信噪比,RS-232C标准不得不采用较大的电压摆幅。针对RS-232C总线标准存在的问题,EIA协会制定了新的串行通信标准新的串行通信标准RS-422A和和RS-485。它们是平衡型电压数字接口电路的电气标准,这些标准改善了串行通信的传输特性。第33页,共78页。第第9 9章章 串行接口及串行通信技术串行接口及串行通信技术 6.2 AT89C51的串行接口的串行接口 一、串行接口的结构及功能 A
24、T89C51串行口的结构框图如图6.12所示,主要由发送器、接收器和串行控制寄存器组成。第34页,共78页。第第9 9章章 串行接口及串行通信技术串行接口及串行通信技术 门电路发送控制器1接收控制器输入移位寄存器发送SBUF(99H)接收SBUF(99H)同步时钟串行口控制寄存器(98H)内部总线串行口中断TIRITXD(P3.1)RXD(P3.0)图6.12 AT89C51串行口结构框图 第35页,共78页。第第9 9章章 串行接口及串行通信技术串行接口及串行通信技术 图中有两个物理上独立的接收、发送缓冲器两个物理上独立的接收、发送缓冲器 SBUF,它们占用,它们占用同一地址同一地址99H,
25、可同时发送、接收数据。发送缓冲器只能写入,发送缓冲器只能写入,不能读出;接收缓冲器只能读出接收缓冲器只能读出,不能写入。接收器主要由接收缓冲寄存器SBUF,接收移位寄存器和接收控制器组成。接收器是双缓冲结构接收器是双缓冲结构,在前一个字节被从接收缓冲器读出之前,第二个字节即开始被接收(串行输入至移位寄存器),但是在第二个字节接收完毕而前一个字节CPU未读取时,会丢失前一个字节的内容。发送器主要由发送缓冲寄存器SBUF和发送控制器组成。对于发送缓冲器,因为发送时CPU是主动的,不会产生重叠错误。第36页,共78页。第第9 9章章 串行接口及串行通信技术串行接口及串行通信技术 二、串行口控制寄存器
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