通信速率可調的單片機多機通信系統研究

鄭毛祥

（武漢鐵路職業技術學院 湖北 武漢 430205）

在單片機的串行異步通信中，實現波特率設置的方法有很多種，但是有些方法要么需要額外的硬件支持，要么實現算法過于復雜，占用單片機的大量資源，而且研究通信波特率高的情況比較多，但對如何適應波特率較低的情況研究較少，這就大大降低單片機通信應用范圍。文中研究并實現了一種簡單實用的方法，不需要額外的硬件支持，對單片機的波特率有效設置的方法，并且軟件開銷也非常小。

MCS-51串行通信接口可以作通用異步接收和發送器（UART）使用，也可以作同步移位寄存器用。在異步通信中，傳送的數據以幀的形式一幀一幀傳送的，數據可以是一個字符代碼或一個字節數據。一幀數據由4個部分組成：起始位、數據位、奇偶校驗位和停止位。異步通信起始位用“0”表示數據傳送的開始，然后從數據低位到高位逐位傳送數據，接下來是奇偶校驗位（可以省略不用），最后為停止位，用“1”表示一幀數據結束。起始位信號只占用一位，用來通知接收設備一個待接收的數據開始到達，線路上在不傳送數據時，保持為1。接收端不斷檢測線路的狀態。若在連續收到1以后，又收到一個0，就知道發來一個新數據，開始接收。數據位一般情況下是 8位（D0～D7）。 奇偶校驗位（D8）只占用一位，在數據傳送中也可以規定不用奇偶校驗位，這一位可以省去，或者把它用作地址/數據幀標志，來確定這一幀中的數據所代表信息的性質，如規定D8=1表示該幀信息傳送的是地址，D8=0表示傳送的是數據。停止位用來表示一個傳送字符的結束，它一定是高電平，停止位可以是1位、1.5位或2位，接收端接收到停止位后，就知道這一字符已傳送完畢。兩幀信息之間可以無間隔，也可以有間隔，且間隔時間可以任意改變，間隔用空閑位“1”來填充。

1 MCS-51的串行接口及控制寄存器

MCS-51單片機的串行口電路結構如圖1所示[1]。

圖1 MCS-51單片機串行口結構示意圖Fig.1 MCS-51 MCUserial port structure diagram

8051通過引腳RXD（串行數據接收端）和引腳TXD（串行數據發送端）與外界進行通信。單片機內部的全雙工串行接口部分，包含有串行發送緩沖器和接收緩沖器，兩個物理上獨立的緩沖器。發送緩沖器CPU只能寫入發送的數據，但不能讀出；接收緩沖器CPU只能讀出接收的數據，但不能寫入。因此，串行口可同時收、發數據，實現全雙工傳送。串行口發送和接收緩沖器的名稱都是特殊功能寄存器SBUF（一個是接收SBUF，一個是發送SBUF），它們共用一個地址 99H。CPU若向外發送一個數據，只要執行一條寫傳送數據指令（如MOV SBUF，A）。若要接收一個外部傳來的數據，只要執行一條讀數據傳送指令（如MOV A，SBUF）。

2 串行口通信控制

8051串行口是可編程接口，對它初始化編程主要是對串行口控制寄存器SCON（98H）的設置，包含串行口工作方式選擇位、接收和發送控制位以及串行口狀態標志位，其格式如圖2所示。

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

SM0、SM1：串行口工作方式選擇位，8051串行口可設置方式0、方式1、方式2、方式3共4種工作方式。

SM2：多機通信控制位，雙機通信時，SM2=0，多機通信時，SM2=1。

REN：允許串行接收位。由軟件置1允許接收數據，置0禁止接收數據。

TB8：是在方式2和方式3中發送的附加位數據。根據發送數據的需要由軟件置位或復位。可作奇偶校驗位，也可在多機通信中作區別地址幀或數據幀的標志位。在方式0、方式1中該位未用。

RB8：是在方式2和方式3中接收的附加位數據。可作約定的奇偶校驗位，或是約定的地址/數據的標志位。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：發送中斷請求標志位。在方式0中，串行發送第8位結束時，由硬件置位TI；在其他3種方式中，串行發送停止位開始時，由硬件置位TI。TI=1表示一幀數據發送完畢。可由軟件查詢TI的狀態，TI為1時，向CPU申請中斷，CPU響應中斷，TI標志必須由軟件清零，才能再發送下一幀數據。

RI：接收中斷標志位。在方式0中，串行接收到第8位數據時，由硬件置位RI；在其他3種方式中，串行接收到停止位時，硬件置位RI。RI=1表示一幀數據接收結束。可由軟件查詢RI的狀態，RI為1時，向CPU申請中斷，CPU響應中斷，RI必須由軟件清零，準備接收下一幀信息。

發送中斷和接收中斷是同一中斷服務程序入口地址（0023H），所以在全雙工通信時，必須由軟件查詢是發送中斷TI=1，還是接收中斷RI=1。

3 數據幀格式

方式0以8位數據為一幀，不設起始位、停止位和奇偶校驗位，如圖3（a）。先發送或接收低位。工作方式0為同步移位寄存器輸入/輸出方式。常用于串行口外接移位寄存器以擴展I/O口，也可以外接串行同步輸入/輸出設備，不能用于單片機之間的通信。方式1為8位數據異步通信接口。傳送一幀信息為10位。包括1位起始位（0）、8位數據位（先低位，后高位）和1位停止位（1），如圖3（b）。方式2和方式 3為9位數據異步通信接口。傳送一幀信息為11位，包括1位起始位（0），8位數據位（先低位，后高位），1位附加可編程控制位，1 位停止位（1），如圖 3 （c）所示。

圖3 數據幀格式Fig.3 Data frame format

4 波特率設置

方式1與方式3發送和接收數據時的波特率相同，波特率是由內部定時器T1送來的溢出信號經過16或32分頻（取決于SMOD位，SMOD是電源控制寄存器PCON的最高位，當SMOD=1時，使串行口波特率加倍。）而得到的，波特率為=2SMOD/32×T1溢出率。波特率是可變的。

方式 2波特率=2SMOD/64×fosc，只有 2種：fosc/64或 fosc/32（取決于SMOD的值）。

顯然，波特率可以靈活改變的只有方式1和方式3，定時器T1作為可變的波特率發生器，T1工作方式有3種，可以工作在方式0（13位定時方式）、方式1（16位定時方式）和方式2（8位自動重裝定時初值）。一般情況下，為了不影響波特率的精度，選用定時器工作方式2，且禁止T1中斷定（ET1=0），以免T1溢出時產生不必要的中斷。設定時器T1的初值為X，計數器長度為 L（取13、16和8）每過 2L-X個計數周期，T1就會產生一次溢出。溢出周期為：12/fosc（2L-X）。T1的溢出率為溢出周期的倒數，則

圖4 波特率隨初值X的變化Fig.4 Baud rate with initial X changes

從圖4可以看出，如果串行通信選用較低的波特率時，將定時器T1設置定時方式1（16位計數）最好控制，X值的變化對波特率引影比較接近線性關系，變化比較平坦，易于對波特率的設置與微調。其次是方式0（13位計數），最后才是方式2。但在選用方式0或方式1的情況下，T1溢出時需由中斷服務程序來重裝計數初值，而且應該允許T1中斷（ET1=1）。中斷響應和中斷處理的時間雖然會對波特率的精度帶來一點誤差，但也是可以根據指令執行周期進行校正克服的。

5 單片機通信

單片機之間的通信，可以利用其串行通信口，構成雙機通信和多機通信系統。串行口控制寄存器SCON中的SM2為多機通信控制位[2]。

圖5 主從式多機通信Fig.5 Master slave multi MCUs communication

雙機通信時，在方式1處于接收狀態時，SM2置為0，則接收到有效的停止位（高電平 1）時，才會激活 RI（即RI置1）；在方式2和方式 3處于接收狀態時，SM2置為0，則接收到第 9 位數據（RB8）=1 后，RI置 1。

多機通信，只有工作方式2和工作方式3，主機SM2置為0，由主機發起通信，當從機SM2置為1時，從機接收到第9位數據（RB8）=1后，RI才置 1；當從機 SM2置為 0時，則接收到第 9位數據（RB8）為0或1時，RI都置1。

1）雙機通信數據傳輸

方式1發送數據時，數據從TXD端輸出。只要執行把8位數據寫入發送緩沖器SBUF命令，便啟動串行口發送器發送。啟動發送后，串行口能自動地在數據的前后分別插入1位起始位（0）和 1位停止位（1），以構成一幀信息，依次由TXD端上發出。在一幀數據發出之后，也就是在停止位輸出時，使TI置1，用以通知CPU可以發送下一個數據。當一幀信息發完之后，自動保持TXD端的信號為1。接收數據時，數據從RXD端輸入。在REN置“1”，允許接收器接收的前提下，在沒有信號到來時，RXD端狀態為1，當檢測到有由1到0的變化時，就確認是一幀信息的起始位（0），便開始接收這一幀數據。把收到的數據一位一位地移入接收移位寄存器中，直到一幀數據全部接收完畢（包括1位停止位）。在RI=0并且SM2=0時，前8位數據裝入SBUF中，置中斷標志RI為1。如果不滿足這兩個條件，將丟棄接收到的信息，并不置位RI。

方式2和方式3的接收和發送操作完全一樣，只是波特率設置不同。方式2（或方式3）發送數據時，數據由TXD端輸出，發送一幀信息為11位，附加位數據D8是SCON中的TB8（可作奇偶校驗位或地址/數據標志位，發送前根據通信協議由軟件設置），CPU執行一條數據寫入發送緩沖器SBUF的指令，就啟動發送器發送，發送完一幀信息，置中斷標志TI為1，發送過程和方式1相同。接收數據時，數據從RXD端輸入。方式2（或方式3）在SCON中的REN=1，允許接收時，接收器開始采樣RXD電平。當檢測到RXD端有1到0變化時，啟動接收器接收，把接收到的9位數據逐位移入移位寄存器中（含附加位），接收完一幀信息后，在RI=0并且SM2=0時，前8位數據裝入SBUF中，附加位數據D8裝入SCON中的RB8，置中斷標志RI為1。如果不滿足這兩個條件，將丟棄接收到的信息，并不置位RI。

2）多機通信數據傳輸

圖5所示為MCS-51多機通信系統的連接示意圖。系統中只有一個主機，有多個從機。主機發送的信息可傳到各個從機或指定的從機，而各個從機發送的信息只能被主機接收。

當串行口以方式2（或方式3）接收數據時，SM2=1，則僅當接收器接收到的附加位RB8=1時，本幀數據才裝入接收緩沖器SBUF，且置RI為1，向CPU發出中斷請求信號；若RB8=0，則不產生中斷請求信號，數據將丟失。而SM2=0時，則接收到一個數據字節后，不管RB8=0或RB8=1，都產生中斷請求信號RI，接收數據裝入SBUF中。應用這一特性，便可實現多個MCS-51單片機之間的串行通信。

在多機通信時，主機發送的信息有兩類，即地址和數據。地址是需要和主機通信的從機地址。例如，將圖5中3個從機的地址分別定義為00H，01H，02H。主機和從機串行口工作在方式2（或方式3），即9位異步通信方式。主機發送的是地址信息時特征是D8=1，而發送的是數據信息時特征是D8=0。對于從機就要利用SM2位的功能來確認主機是否在呼叫自己，及數據傳送。從機處于接收時，置SM2=1，然后依據接收到的串行數據的附加位的值來決定是否接收主機信號，多機通信實現過程如下。

首先定義從機地址，由系統初始化程序（或相關處理程序）將從機串行口編程為方式2或方式3接收（9位異步通訊方式），然后置從機SM2=1，REN=1，允許串行口中斷。

①主機首先將要通信的從機地址發出，發地址時D8=1，所有從機都接收。

② 從機串行口接收D8=1時，則置位中斷標志RI，各從機CPU分別響應中斷。

③各從機執行中斷服務程序，以判斷主機送來的地址是否與本機地址相符。若與本機地址相符，則SM2清零，準備和主機通信；若地址不一致，則保持SM2=1。

④ 主機發送數據（附加位為0）。

⑤ 從機接收到D8=0的信息幀（表示數據），只有SM2=0的從機才激活中斷標志RI=1，轉入中斷程序，表示接收主機的數據或命令，實現主機與從機的信息傳送。而其他從機因SM2=1，附加位為0，不激活RI中斷標志，接收的信息自動丟失不作處理，從而實現主機和從機的一對一通信。

⑥從機在通信完成后，重新使SM2置1，并退出中斷服務程序，等待下次通信。

用定時器T1，定時器T1工作在方式1（16位計數方式）作為波特率發生器，由設定的波特率得到的此時的初裝值為XXH，將主機中的數據塊（數據塊長度放在R7中）傳送到從機。

主機程序：

DATA_BUF EQU 40H；數據存放區首地址

SLAVE_ADDR EQU 30H；從機地址

ORG 0000H

AJMP MAIN

ORG 001BH

AJMP INT_T1

ORG 0050H

MAIN:MOV TMOD，#10H；定時器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，多機位值 SM2=0，允許接受

SETB TB8，#1 ；發送地址標志

SETB TR1 ；啟動定時器1

SETB IT1

SETB ES

SETB EA

MOV A，SLAVE_ADDR；發送從機地址

MOV SBUF，A

JNB TI，$

CLR TI

MOV TB8，#0 ；發送數據標志

MOV R0，#DATA_BUF

HERE: MOV SBUF，@R0；發送數據

JNB TI，$

CLR TI

DJNZ R7，HERE

SETB TB8

MOV SBUF，A SJMP$

INT_T1:MOV TH1，#0XXH

MOV TL1，#0XXH

RETI

END

從機程序：

FLAG BIT 2AH ；數據傳送標志

ADDR_ACK EQU 1AH

DATA_BUF EQU 40H

TEMP_BUF EQU 31H ；數據暫存器

ORG 0000H

AJMP MAIN

ORG 001BH

AJMP INT_T1

ORG 0023H

AJMP HANDLEDATA

ORG 0050H

MAIN:MOV TMOD，#10H；定時器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，多機位SM2=1，允許接收

CLR FLAG

SETB TR1 ；啟動定時器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

在進行上述多機通信時，要先運行從機中的接收程序，再運行主機中的發送程序。

6 結束語

簡要闡述了單片機[7-8]通信方式及串行接口的原理，并通過實例介紹了單片機串行多機通信頻率可調的實現方法，經過實驗驗證，文中所提出的波特率可調方法具有簡單、準確、調節范圍廣的特點。可以應用于幾乎所有的具有波特率的串行通信系統中，滿足多種特定環境通信速率的不同要求。

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