郑毛祥

（武汉铁路职业技术学院 湖北 武汉 430205）

在单片机的串行异步通信中，实现波特率设置的方法有很多种，但是有些方法要么需要额外的硬件支持，要么实现算法过于复杂，占用单片机的大量资源，而且研究通信波特率高的情况比较多，但对如何适应波特率较低的情况研究较少，这就大大降低单片机通信应用范围。文中研究并实现了一种简单实用的方法，不需要额外的硬件支持，对单片机的波特率有效设置的方法，并且软件开销也非常小。

MCS-51串行通信接口可以作通用异步接收和发送器（UART）使用，也可以作同步移位寄存器用。在异步通信中，传送的数据以帧的形式一帧一帧传送的，数据可以是一个字符代码或一个字节数据。一帧数据由4个部分组成：起始位、数据位、奇偶校验位和停止位。异步通信起始位用“0”表示数据传送的开始，然后从数据低位到高位逐位传送数据，接下来是奇偶校验位（可以省略不用），最后为停止位，用“1”表示一帧数据结束。起始位信号只占用一位，用来通知接收设备一个待接收的数据开始到达，线路上在不传送数据时，保持为1。接收端不断检测线路的状态。若在连续收到1以后，又收到一个0，就知道发来一个新数据，开始接收。数据位一般情况下是 8位（D0～D7）。 奇偶校验位（D8）只占用一位，在数据传送中也可以规定不用奇偶校验位，这一位可以省去，或者把它用作地址/数据帧标志，来确定这一帧中的数据所代表信息的性质，如规定D8=1表示该帧信息传送的是地址，D8=0表示传送的是数据。停止位用来表示一个传送字符的结束，它一定是高电平，停止位可以是1位、1.5位或2位，接收端接收到停止位后，就知道这一字符已传送完毕。两帧信息之间可以无间隔，也可以有间隔，且间隔时间可以任意改变，间隔用空闲位“1”来填充。

1 MCS-51的串行接口及控制寄存器

MCS-51单片机的串行口电路结构如图1所示[1]。

图1 MCS-51单片机串行口结构示意图Fig.1 MCS-51 MCUserial port structure diagram

8051通过引脚RXD（串行数据接收端）和引脚TXD（串行数据发送端）与外界进行通信。单片机内部的全双工串行接口部分，包含有串行发送缓冲器和接收缓冲器，两个物理上独立的缓冲器。发送缓冲器CPU只能写入发送的数据，但不能读出；接收缓冲器CPU只能读出接收的数据，但不能写入。因此，串行口可同时收、发数据，实现全双工传送。串行口发送和接收缓冲器的名称都是特殊功能寄存器SBUF（一个是接收SBUF，一个是发送SBUF），它们共用一个地址 99H。CPU若向外发送一个数据，只要执行一条写传送数据指令（如MOV SBUF，A）。若要接收一个外部传来的数据，只要执行一条读数据传送指令（如MOV A，SBUF）。

2 串行口通信控制

8051串行口是可编程接口，对它初始化编程主要是对串行口控制寄存器SCON（98H）的设置，包含串行口工作方式选择位、接收和发送控制位以及串行口状态标志位，其格式如图2所示。

图2 串行口控制寄存器SCONFig.2 Serial port control register SCON

SM0、SM1：串行口工作方式选择位，8051串行口可设置方式0、方式1、方式2、方式3共4种工作方式。

SM2：多机通信控制位，双机通信时，SM2=0，多机通信时，SM2=1。

REN：允许串行接收位。由软件置1允许接收数据，置0禁止接收数据。

TB8：是在方式2和方式3中发送的附加位数据。根据发送数据的需要由软件置位或复位。可作奇偶校验位，也可在多机通信中作区别地址帧或数据帧的标志位。在方式0、方式1中该位未用。

RB8：是在方式2和方式3中接收的附加位数据。可作约定的奇偶校验位，或是约定的地址/数据的标志位。在方式1中，若SM2=0，RB8中存放的是已接收到的停止位。方式0不使用 RB8。

TI：发送中断请求标志位。在方式0中，串行发送第8位结束时，由硬件置位TI；在其他3种方式中，串行发送停止位开始时，由硬件置位TI。TI=1表示一帧数据发送完毕。可由软件查询TI的状态，TI为1时，向CPU申请中断，CPU响应中断，TI标志必须由软件清零，才能再发送下一帧数据。

RI：接收中断标志位。在方式0中，串行接收到第8位数据时，由硬件置位RI；在其他3种方式中，串行接收到停止位时，硬件置位RI。RI=1表示一帧数据接收结束。可由软件查询RI的状态，RI为1时，向CPU申请中断，CPU响应中断，RI必须由软件清零，准备接收下一帧信息。

发送中断和接收中断是同一中断服务程序入口地址（0023H），所以在全双工通信时，必须由软件查询是发送中断TI=1，还是接收中断RI=1。

3 数据帧格式

方式0以8位数据为一帧，不设起始位、停止位和奇偶校验位，如图3（a）。先发送或接收低位。工作方式0为同步移位寄存器输入/输出方式。常用于串行口外接移位寄存器以扩展I/O口，也可以外接串行同步输入/输出设备，不能用于单片机之间的通信。方式1为8位数据异步通信接口。传送一帧信息为10位。包括1位起始位（0）、8位数据位（先低位，后高位）和1位停止位（1），如图3（b）。方式2和方式 3为9位数据异步通信接口。传送一帧信息为11位，包括1位起始位（0），8位数据位（先低位，后高位），1位附加可编程控制位，1 位停止位（1），如图 3 （c）所示。

图3 数据帧格式Fig.3 Data frame format

4 波特率设置

方式1与方式3发送和接收数据时的波特率相同，波特率是由内部定时器T1送来的溢出信号经过16或32分频（取决于SMOD位，SMOD是电源控制寄存器PCON的最高位，当SMOD=1时，使串行口波特率加倍。）而得到的，波特率为=2SMOD/32×T1溢出率。波特率是可变的。

方式 2波特率=2SMOD/64×fosc，只有 2种：fosc/64或 fosc/32（取决于SMOD的值）。

显然，波特率可以灵活改变的只有方式1和方式3，定时器T1作为可变的波特率发生器，T1工作方式有3种，可以工作在方式0（13位定时方式）、方式1（16位定时方式）和方式2（8位自动重装定时初值）。一般情况下，为了不影响波特率的精度，选用定时器工作方式2，且禁止T1中断定（ET1=0），以免T1溢出时产生不必要的中断。设定时器T1的初值为X，计数器长度为 L（取13、16和8）每过 2L-X个计数周期，T1就会产生一次溢出。溢出周期为：12/fosc（2L-X）。T1的溢出率为溢出周期的倒数，则

图4 波特率随初值X的变化Fig.4 Baud rate with initial X changes

从图4可以看出，如果串行通信选用较低的波特率时，将定时器T1设置定时方式1（16位计数）最好控制，X值的变化对波特率引影比较接近线性关系，变化比较平坦，易于对波特率的设置与微调。其次是方式0（13位计数），最后才是方式2。但在选用方式0或方式1的情况下，T1溢出时需由中断服务程序来重装计数初值，而且应该允许T1中断（ET1=1）。中断响应和中断处理的时间虽然会对波特率的精度带来一点误差，但也是可以根据指令执行周期进行校正克服的。

5 单片机通信

单片机之间的通信，可以利用其串行通信口，构成双机通信和多机通信系统。串行口控制寄存器SCON中的SM2为多机通信控制位[2]。

图5 主从式多机通信Fig.5 Master slave multi MCUs communication

双机通信时，在方式1处于接收状态时，SM2置为0，则接收到有效的停止位（高电平 1）时，才会激活 RI（即RI置1）；在方式2和方式 3处于接收状态时，SM2置为0，则接收到第 9 位数据（RB8）=1 后，RI置 1。

多机通信，只有工作方式2和工作方式3，主机SM2置为0，由主机发起通信，当从机SM2置为1时，从机接收到第9位数据（RB8）=1后，RI才置 1；当从机 SM2置为 0时，则接收到第 9位数据（RB8）为0或1时，RI都置1。

1）双机通信数据传输

方式1发送数据时，数据从TXD端输出。只要执行把8位数据写入发送缓冲器SBUF命令，便启动串行口发送器发送。启动发送后，串行口能自动地在数据的前后分别插入1位起始位（0）和 1位停止位（1），以构成一帧信息，依次由TXD端上发出。在一帧数据发出之后，也就是在停止位输出时，使TI置1，用以通知CPU可以发送下一个数据。当一帧信息发完之后，自动保持TXD端的信号为1。接收数据时，数据从RXD端输入。在REN置“1”，允许接收器接收的前提下，在没有信号到来时，RXD端状态为1，当检测到有由1到0的变化时，就确认是一帧信息的起始位（0），便开始接收这一帧数据。把收到的数据一位一位地移入接收移位寄存器中，直到一帧数据全部接收完毕（包括1位停止位）。在RI=0并且SM2=0时，前8位数据装入SBUF中，置中断标志RI为1。如果不满足这两个条件，将丢弃接收到的信息，并不置位RI。

方式2和方式3的接收和发送操作完全一样，只是波特率设置不同。方式2（或方式3）发送数据时，数据由TXD端输出，发送一帧信息为11位，附加位数据D8是SCON中的TB8（可作奇偶校验位或地址/数据标志位，发送前根据通信协议由软件设置），CPU执行一条数据写入发送缓冲器SBUF的指令，就启动发送器发送，发送完一帧信息，置中断标志TI为1，发送过程和方式1相同。接收数据时，数据从RXD端输入。方式2（或方式3）在SCON中的REN=1，允许接收时，接收器开始采样RXD电平。当检测到RXD端有1到0变化时，启动接收器接收，把接收到的9位数据逐位移入移位寄存器中（含附加位），接收完一帧信息后，在RI=0并且SM2=0时，前8位数据装入SBUF中，附加位数据D8装入SCON中的RB8，置中断标志RI为1。如果不满足这两个条件，将丢弃接收到的信息，并不置位RI。

2）多机通信数据传输

图5所示为MCS-51多机通信系统的连接示意图。系统中只有一个主机，有多个从机。主机发送的信息可传到各个从机或指定的从机，而各个从机发送的信息只能被主机接收。

当串行口以方式2（或方式3）接收数据时，SM2=1，则仅当接收器接收到的附加位RB8=1时，本帧数据才装入接收缓冲器SBUF，且置RI为1，向CPU发出中断请求信号；若RB8=0，则不产生中断请求信号，数据将丢失。而SM2=0时，则接收到一个数据字节后，不管RB8=0或RB8=1，都产生中断请求信号RI，接收数据装入SBUF中。应用这一特性，便可实现多个MCS-51单片机之间的串行通信。

在多机通信时，主机发送的信息有两类，即地址和数据。地址是需要和主机通信的从机地址。例如，将图5中3个从机的地址分别定义为00H，01H，02H。主机和从机串行口工作在方式2（或方式3），即9位异步通信方式。主机发送的是地址信息时特征是D8=1，而发送的是数据信息时特征是D8=0。对于从机就要利用SM2位的功能来确认主机是否在呼叫自己，及数据传送。从机处于接收时，置SM2=1，然后依据接收到的串行数据的附加位的值来决定是否接收主机信号，多机通信实现过程如下。

首先定义从机地址，由系统初始化程序（或相关处理程序）将从机串行口编程为方式2或方式3接收（9位异步通讯方式），然后置从机SM2=1，REN=1，允许串行口中断。

①主机首先将要通信的从机地址发出，发地址时D8=1，所有从机都接收。

② 从机串行口接收D8=1时，则置位中断标志RI，各从机CPU分别响应中断。

③各从机执行中断服务程序，以判断主机送来的地址是否与本机地址相符。若与本机地址相符，则SM2清零，准备和主机通信；若地址不一致，则保持SM2=1。

④ 主机发送数据（附加位为0）。

⑤ 从机接收到D8=0的信息帧（表示数据），只有SM2=0的从机才激活中断标志RI=1，转入中断程序，表示接收主机的数据或命令，实现主机与从机的信息传送。而其他从机因SM2=1，附加位为0，不激活RI中断标志，接收的信息自动丢失不作处理，从而实现主机和从机的一对一通信。

⑥从机在通信完成后，重新使SM2置1，并退出中断服务程序，等待下次通信。

用定时器T1，定时器T1工作在方式1（16位计数方式）作为波特率发生器，由设定的波特率得到的此时的初装值为XXH，将主机中的数据块（数据块长度放在R7中）传送到从机。

主机程序：

DATA_BUF EQU 40H；数据存放区首地址

SLAVE_ADDR EQU 30H；从机地址

ORG 0000H

AJMP MAIN

ORG 001BH

AJMP INT_T1

ORG 0050H

MAIN:MOV TMOD，#10H；定时器T1初始化，工作方式1

MOV TH1，#0XXH

MOV TL1，#0XXH

MOV SCON，#0D0H ；串口工作在方式3，多机位值 SM2=0，允许接受

SETB TB8，#1 ；发送地址标志

SETB TR1 ；启动定时器1

SETB IT1

SETB ES

SETB EA

MOV A，SLAVE_ADDR；发送从机地址

MOV SBUF，A

JNB TI，$

CLR TI

MOV TB8，#0 ；发送数据标志

MOV R0，#DATA_BUF

HERE: MOV SBUF，@R0；发送数据

JNB TI，$

CLR TI

DJNZ R7，HERE

SETB TB8

MOV SBUF，A SJMP$

INT_T1:MOV TH1，#0XXH

MOV TL1，#0XXH

RETI

END

从机程序：

FLAG BIT 2AH ；数据传送标志

ADDR_ACK EQU 1AH

DATA_BUF EQU 40H

TEMP_BUF EQU 31H ；数据暂存器

ORG 0000H

AJMP MAIN

ORG 001BH

AJMP INT_T1

ORG 0023H

AJMP HANDLEDATA

ORG 0050H

MAIN:MOV TMOD，#10H；定时器T1初始化，工作方式1

MOV TH1，#0XXH

MOV TL1，#0XXH

MOV SCON，#0F0H；串口工作在方式3，多机位SM2=1，允许接收

CLR FLAG

SETB TR1 ；启动定时器T1

SETB IT1

SETB EA

AJMP$

HANDLE_DATA:CLR RI

MOV A，SBUF

MOV TEMP_BUF，A

SEND:JNB RB8，DATA_RECEIVE

CJNE ADDR_ACK，TEM_BUF， XXXX

JB FLAG OVER

SETB FLAG

CLR SM2

RETI

OVER:SETB SM2

CLR FLAG

RETI

DATA_RECEIVE:MOV DATA_BUF，TEMP_BUF

INC DATA_BUF

XXXX:RETI

INT_T1:MOV TH1，#0XXH

MOV TL1，#0XXH

RETI

END

在进行上述多机通信时，要先运行从机中的接收程序，再运行主机中的发送程序。

6 结束语

简要阐述了单片机[7-8]通信方式及串行接口的原理，并通过实例介绍了单片机串行多机通信频率可调的实现方法，经过实验验证，文中所提出的波特率可调方法具有简单、准确、调节范围广的特点。可以应用于几乎所有的具有波特率的串行通信系统中，满足多种特定环境通信速率的不同要求。

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