第10章 串行通信及其接口
• 串行通信基础
• MCS-51串行通信
• MCS-51串行通信工作方式
串行通信基础
•一、串行通信的基本概念
•串行通信：是将数据的各位一位一位地依次传送。
传送距离较远，适合于计算机之间、计算机与外
部设备之间的远距离通信。
•并行通信：指数据各位同时传送。速度快、效率
高、距离短。
•串行通信有 同步通信和异步通信两种方式：
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同步字符 CRC字符
开始
终止
数据块
图9-5 同步通信数据格式
返回本节
•同步通信：每个数据块开始时，发送一个或两个同步字符，
使发送和接收双方取得同步，数据块各字符间取消了起始位
和发送位。如发送的数据之间有间隔时，用发送同步字符填
充。(较少使用）
•同步字符由用户规定，如：01111110
•同步传送时，收、发双方要求时钟和频率一致。（较少使用）
图9-4 异步串行通信数据帧格式
•异步通信：数据在线路上是以一个字（或字符）为单位来
传送的。不需严格的同步时钟控制，也不需数据流的连续性。
在串行通信中常用。
•数据帧：包含起始位（“0”电平），数据位（从低位到高
位逐位数据传送），奇偶校验位、停止位（用“1”表示）。
• 线路不传送数据时，应保持为“1”（保证起始处有一
个下跳沿）。
单片机的串行通信使用的是异步串行通信，所谓异步就是
指发送端和接收端使用的不是同一个时钟。异步串行通信通常
以字符（或者字节）为单位组成字符帧传送。字符帧由发送端
一帧一帧地传送，接收端通过传输线一帧一帧地接收。
在异步通信中，收、发两方必须事先规定两件事：
1. 字符帧的帧格式
字符帧由四部分组成，分别是起始位、数据位、奇偶校验
位、停止位。如图所示：
1） 起始位：位于字符帧的开头，只占一位，始终位逻辑低
电平，表示发送端开始发送一帧数据。
2） 数据位：紧跟起始位后，可取5、6、7、8位，低位在前，
高位在后。
3）奇偶校验位：占一位，用于对字符传送作正确性检查，因此奇偶校
验位是可选择的，共有三种可能，即奇偶校验、偶校验和无校验，由用户根
据需要选定。
4）停止位：末尾，为逻辑“1”高电平，可取1、、2位，表示一帧
字符传送完毕。
如：ASCII码帧（字符）为10位。
其中：数据7位
起始位、校验位、停止位各一位。
字符帧格式
2. 传送的速率
串行通信的速率用波特率来表示，所谓波特率就是指一秒钟
传送数据位的个数。每秒钟传送一个数据位就是1波特。即：1
波特＝1bps（位/秒） 。
在串行通信中，数据位的发送和接收分别由发送时钟脉冲
和接收时钟脉冲进行定时控制。时钟频率高，则波特率高，通
信速度就快；反之，时钟频率低，波特率就低, 通信速度就慢。
如120个字符（帧）/秒，每帧数据有10位，则传输速率为1200
波特率。（1200bit/s）
接收器
图9-1 单工方式
发送器
1.单向数据传送：数据只向一个方向传送
二、串行通信数据传送方向
接收器
接收器
发送器
发送器
数据流
图9-2 半双工方式
2.半双向数据传送：用一根传送线既作输入又作输出，但通
信双方不能同时收、发数据。要改变数据传送方向，必须进
行通信双方的收、发设备的开关 切换。
发送器
接收器
数据流
接收器
发送器
图9-3 全双工方式
3.全双向数据传送：由两根传送线来发送和
接收数据，双方可同时进行发送和接收。
串行数据通信要解决两个关键技术问题，一个是
数据传送，另一个是数据转换。所谓数据传送就是指
数据以什么形式进行传送。所谓数据转换就是指单片
机在接受数据时，如何把接收到的串行数据转化为并
行数据，单片机在发送数据时，如 何把并行数据转换
为串行数据进行发送。
所有串行接口电路都是以并行数据形式和CPU接
口，以串行数据形式和外部通信接口。
•通用异步接收发送器UART
接收器
发送器
控制部件
串行输入
时钟
复位
并行输入
时钟
控制信号
并行输出
数据
总线
串行输出（对外）
状态信息
控制信息
UART基本组成框图
UART主要功能：
1、数据的串化、反串化
数据的串化：将并行数据变为串行数据；（发送器）
数据的反串化：将串行数据变为并行数据；（接收器）
2、格式信息的插入和删除
格式信息：异步通信中的起始位、校验位、停止位等。
串化过程：将格式信息插入和数据一起构成一个完整
的数据帧。
反串化过程：滤出格式信息，保留数据位。
3、错误检验
检验数据通信过程是否正确。
• MCS-51串行通信
•MCS-51单片机将一个“全双工串行通信接口电
路”集成在单片机内。
数据转换
串行接口电路为用户提供了两个串行口缓冲寄存器
（SBUF），一个称为发送缓存器，它的用途是接收片内
总线送来的数据，即发送缓冲器只能写不能读。发送缓冲
器中的数据通过TXD引脚向外传送。另一个称为接收缓冲
器，它的用途是向片内总线发送数据，即接收缓冲器只能
读不能写。接收缓冲器通过RXD引脚接收数据。因为这两
个缓冲器一个只能写，一个只能读，所以共用一个地址
99H。串行接口电路如图所示。
MCS-51串行口寄存器结构
•串行接收的双缓冲结构
移位寄存器
数据缓冲器SBUF
一帧数据（8位）接收完，由移位寄存器装入
SBUF，立即接收下一帧。要求主机应立即将
SBUF中数据取走。否则前一帧数据将丢失。
发送是由CPU操纵的，不会发生帧重叠错误。
将数据写入SBUF，（自动）通过移位脉冲一位一
位地发送出去。
二级
MCS-51单片机串行通信的控制寄存器
与串行通信有关的寄存器有三个
1. 串行口控制寄存器（SCON）
SCON是MCS-51单片机的一个可位寻址的专用寄存器，用于串行数据通信
的控制。单元地址为98H，位地址为98H～9FH。寄存器的内容及位地址表示
如下：
位地址 9FH 9EH 9DH 9CH 9BH 9AH 99H 98H
位符号 SM0 SM1 SM2 REN TB8 RB8 TI RI
各位的说明如下：
1） SM0 、SM1——串行口工作方式选择位
2） SM2——允许方式2、3的多机通信控制位
在方式2和3中，若SM2＝1且接收到的第九位数
据（RB8）为1，才将接收到的前8位数据送入接收
SBUF中，并置位RI产生中断请求；否则丢弃前8位数
据。若 SM2＝0，则不论第九位数据（RB8）为1还是
为0,都将前8位送入接收SBUF中，并产生中断请求。
方式0时，SM2必须置0。
多机通信的机制：地址帧 数据帧 地址帧
被确认的从机，复位SM2=0，接收RB8=0的数据。
RR8=1 地址帧
RR8=0 数据帧
SM2=1 多机方式
SM2=0 直通方式
3） REN——允许接收位 (通过软件值位、复位)
REN＝0 禁止接收数据
REN＝1 允许接收数据
4） TB8——发送数据位8
在方式2、3时，TB8的内容是要发送的第9位数据(格式信息）在多机通
信中，通过TB8状态来表示主机发送的是地址帧（1），还是数据帧（0），
其值由用户通过软件来设置。
5） RB8——接收数据位8 （和TB8对应）
在方式2、3时，RB8是存放接收的第9位数据。可判断是地址帧（1），
还是数据帧（0）。
在方式1时，RB8是接收的停止位。
在方式0时，不使用RB8
A B
单机方式
主机
从机2 从机1 从机n
多机方式
6） TI——发送中断标志位
在方式0时，发送完第8位数据后，该位由硬件置位。
在其它方式下，于发送停止位开始时，由硬件置位。
因此，TI＝1表示帧发送结束，其状态既可供软件查
询使用，也可请求中断。
TI必须由软件清“0”。
7） RI——接收中断标志位
在方式0时，接收完第8位数据后，该位由硬件置位。
在其它方式下，于接收到停止位中间时，该位由硬件
置位。
因此，RI＝1表示帧接收结束，其状态既可供软件查
询使用， 也可请求中断。
RI由必须软件清“0”。
2. 电源控制寄存器（PCON）
PCON不可位寻址，字节地址为87H。它主要是为
CHMOS型单片机80C51的电源控制而设置的专用寄存
器。其内容如下：
与串行通信有关的只有D7位（SMOD），该位为波特率倍增
位，当SMOD=1时，串行口波特率增加一倍，当SMOD=0时，串
行口波特率为设定值。当系统复位时，SMOD=0。
位序 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
位符号 SMOD / / / GF1 GF0 PD IDL
3. 中断允许控制寄存器（IE）
进行字节操作时，寄存器地址为0A8H。按位操作时，各位的地
址为0A8H~0AFH。寄存器的内容及位地址表示如下：
位地址 0AFH 0AEH 0ADH 0ACH 0ABH 0AAH 0A9H 0A8H
位符号 EA / / ES ET1 EX1 ET0 EX0
ES:串口中断允许位
ES=0：禁止串口中断
ES=1：允许串口中断
MCS-51串行通信工作方式
串行口的工作方式由SM0和SM1确定，编码和功能如表所示。
方式0和方式2的波特率是固定的，而方式1和方式3的波特
率是可变的，由T1的溢出率决定。
SM0 SM1 方式 功能说明 波特率
0 0 方式0 移位寄存器方式 fosc/12
0 1 方式1 8位UART 可变
1 0 方式2 9位UART fosc/64 或者fosc/32
1 1 方式3 9位UART 可变
方式0发送时序
串行工作方式0（移位方式）
1. 数据输出（发送） 并口扩展P147
当数据写入SBUF后，数据从RXD（）端在移位脉冲
TXD（
数据的串并转换。当8位数据全部移出后，TI由硬件置位，发生中断请
求。若CPU响应中断，则从0023H单元开始执行串行口中断服务程序，
数据由74LS164并行输出。其接口逻辑如图所示。
图为接口逻辑
移位数据：
一帧8位。低
位在前，高
位在后，没
有起始位、
停止位。
图为 方式0接收时序
2. 数据输入（接收）
要实现接收数据，必须首先把SCON中的允许接收位
REN设置为1。当REN设置为1时，数据就在移位脉冲的
控制下，从RXD端输入。当接收到8位数据时，置位接收
中断标志位RI，发生中断请求。其接口逻辑如图所示。由
逻辑图可知，通过外接74LS165，串行口能够实现数据的
并行输入。（并串转换）
图为外接移位寄存器输入
•数据输出（发送）：
当8位数据全部移出后 ，TI被自动置位。
•数据输入（接收）：
当REN=1（允许接收），接收到8位数据时，
RI被自动置1。
【例】使用74LS164的并行输出端接8支发光二极管，
利用它的串入并出功能，把发光二极管从左到右依次点
亮，并反复循环。假定发光二极管为共阴极接法。
图为电路设计
解：电路如图。软件部分如下：
ORG 0000H
LJMP MAIN
ORG 1000H
MAIN： MOV SCON，#00H ；串行口工作在方式0
CLR ES ；禁止串行中断
MOV A， #80H ；发光二极管从左边亮起
DELR： CLR ；关闭并行输出
MOV SBUF， A ；串行输出
WAINT：JNB TI， WAIT ；状态查询
SETB ；开启并行输出
ACALL DELAY ；调用延时子程序
CLR TI ；清发送中断标志
RR A ；发光右移
AJMP DELR ；继续
EDN
串行工作方式1
方式1为10位一帧的异步串行通信方式。其帧格式为
1个起始位、8个数据位和1个停止位。如图所示。
图为方式1的帧格式
1. 数据输出（发送）
数据写入SBUF后，开始发送，此时由硬件自动加入
起始位和停止位，构成一帧数据，由TXD串行输出。输出
一帧数据后，TXD保持在高电平状态下（停止位1），并
将TI置位，通知CPU可以进行下一个字符的发送。
图为方式1发送时序
图为方式1接收时序
2. 数据输入（接收） 被动状态
当REN=1且接收到起始位后（1到0），在移位脉冲的控制下，把
接收到的数据移入接收缓冲寄存器（SBUF）中，直到停止位到来后，
把停止位送入RB8（1）中，并置位RI，通知CPU接收到一个字符。
3. 波特率的设定
工作在方式1时，其波特率是可变的，波特率的计算公式为：
其中，SMOD为PCON寄存器最高位的值，其值为1
或0。
波特率=2^SMOD*定时器1的溢出率/32
当定时器1作波特率发生器使用时，选用定时工作方式2（即自动
加载定时初值方式）。选择定时工作方式2可以避免通过程序反复装
入定时初值所引起的定时误差，使波特率更加稳定。假定计数初值为
X，则计数溢出周期为：
溢出率为溢出周期的倒数。则波特率的计算公式为：
实际使用中，波特率是已知的。因此需要根据波特
率的计算公式求定时初值X。用户只需要把定时初值设
置到定时器1，就能得到所要求的波特率。
图为两台8031直接通信
应用举例（用方式1实现双机串行通信）
（1）通信双方的硬件连接
作为应用系统首先要研究通信双方如何连接。一种办法是把
两片8051的串行口直接相连，一片8051的TXD与另一片的RXD
相连，RXD与另一片的TXD相连，地与地连通。由于8051串行
口的输出是TTL电平，两片相连所允许的距离极短。
（2）通信双方的软件约定
为实现双机通信，我们规定如下：
• 假定A机为发送机，B机为接收机。
• 当A机发送时，先送一个“AA”信号，B机收到后回答一个
“BB” 信号，表示同意接收。
• 当A机接收到“BB”后，开始发送数据，每发送一次求一
次“检查和”，假定数据块长16个字节，起始地址为30H，一个
数据块发送完后再发出“检查和”。
B机接收数据并转存到数据区，起始地址也为30H，同时每接收一次
也计算一次“检查和”，当一个数据块收齐后，再接收A机发来的“检查
和”，并将它与B机的“检查和”进行比较。若两者相等，说明接收正确，
B机回答一个00；若两者不相等，说明接收不正确，B机回答一个FF，请
求重发。
• A机收到00的答复后，结束发送。若收到的答复非0，则重新将数据
发送一次。
• 双方均以1200波特的速率传送。假设晶振频率为6MHz ，计算定时器
1的计数初值：
为使波特率不倍增，设定PCON寄存器的SMOD=0，则
PCON＝00H ..
（3）基本的通信程序
设计程序框图如图所示。
图为 双机通信程序结构图
根据结构图设计出下述通信程序：
A机通信程序：
ASTART: MOV TMOD，#20H ；设定定时器1工作方式2
MOV TL1，#0F3H ；设定计数初值
MOV TH1，#0F3H ；计数重装值
MOV PCON，#00H ；波特率不倍增
SETB TR1 ；启动T1
MOV SCON，#50H ；设置串行口方式1
ATT1: MOV SBUF， #0AAH ；发送“AA”
AWAIT1: JBC TI， ARR1 ；等待一帧发送完
SJMP AWAIT1
ARR1: JBC RI，ARR2 ；等待应答信号
SJMP ARR1
ARR2: MOV A， SBUF
XRL A，#0BBH
JNZ ATT1 ；判断是否是应答信号
“00”
ATT2: MOV R0， #30H
MOV R7，#10
MOV R6，#00H
ATT3: MOV SBUF， @R0
MOV A，R6
ADD A，@R0
MOV R6，A
INC R0
AWAIT2: JBC TI，ATT4
SJMP AWAIT2 ；发送有效数据
ATT4: DJNZ R7， ATT3 ；判断是否传送完毕
MOV SBUF， R6
AWAIT3: JBC TI， ARR3
SJMP AWAIT3 ；等待
ARR3: JBC RI， ARR4
SJMP ARR3 ；等待
ARR4: MOV A， SBUF
JNZ ATT2
AEND: RET
B机通信程序：
BST\ART: MOV TMOD， #20H ；设定定时器1工作方式2
MOV TH1，#0F2H ；设定计数初值
MOV TL1，#0F2H ；计数重装值
MOV PCON，#00H ；波特率不倍增
SETB TR1
MOV SCON，#50H
BRR1: JBC RI,BRR2
SJMP BRR1 ；等待
BRR2: MOV A,SBUF ；把接收到的数据送入A
XRL A,#0AAH ；判断接收到数据是否是
“AA”
JNZ BRR1 ；如果不是继续等待
BTT11: MOV SBUF,0BBH ；发送应答信号
BWAIT1: JBC TI, BRR3 ；等待
SJMP BWAIT1
BRR3: MOV R0,#30H ；接收有效数据
MOV R7,#10
MOV R6,#00H
BRR4: JBC RI,BRR5
SJMP BRR4
BRR6: MOV A， SBUF
XRL A，R6
JZ BEND
MOV SBUF，#0FFH
BWAIT3: JBC TI， BRR3
SJMP BWAIT3
BEND: MOV SBUF， #00H
RET
串行工作方式2、3
• 当SM0SM1=10、11时，串行口工作在方式2、3。方式2
波特率为（ 1/64） fosc或（ 1/32） fosc，方式 3波特率
=（2SMOD/32）×定时器T1的溢出率，为波特率可变的9位
异步通信方式，除了波特率外，方式3和方式2相同。
•字符帧11位：
•起始位（0）1位、数据位8位、可程控第9位数据、停止位
（1）1位。
•发送时，第9位数据由SCON中TB8位提供，软件设置：
• SETB TB8 ; CLR TB8 (多机通信时）
•接收时，串行口把接收到的前8个数据位送入SBUF,而把
•第9位数据装入SCON中RB8位，系统自动装入。
返回本节
图为方式2发送时序
图为 方式2的接收时序
波特率的计算
波特率计算公式
表7-3 常用的波特率及计算器初值
返回本节
•对于可变波特率（方式1、3）其计算公式：
波特率=（2SMOD/32）×定时器T1的溢出率
定时器溢出率：单位时间定时器溢出的次数；
溢出率为溢出周期的倒数。
溢出周期：定时器溢出一次所需时间。（定时时间）
当定时器T1作波特率发生器时，通常选用定时方式2
（8位自动加载），可以避免通过程序反复装入定时初值
所引起的定时误差，使波特率更加稳定。
假定计数初值为X，则计数溢出周期为：
则波特率的计算公式为：
实际使用中，
①首先确定波特率；（双方已相互约定）
②再根据波特率的计算公式求定时1初值X；
③然后进行定时器1的初始化，就能得到所要求的波
特率。
SMOD值可通过
MOV PCON,#00H
或MOV PCON,#80H设定。
例：设fosc=6MHZ，波特率为1200bit/s，计算定时器1的
计数初值。串行口为工作方式1，写出相应的初始化程序。
解：设SMOD=0，T1为工作方式2。
•初始化程序：
•MOV TMOD,#20H ；设置T1工作方式2
•MOV TL1,#0F3H ；计数初值
•MOV TH1,#0F3H；
•SETB EA ；中断允许
•MOV PCON,#00H ；波特率不倍增
•MOV SCON,#50H ；串行方式1，REN=1
•SETB TR1 ；启动T1工作
多机通信接口
1．多机通信原理
串行口控制寄存器SCON中的SM2为多机通信
接口控制位。串行口以方式2或3接收时，若SM2
为1，则仅当接收到的第9位数据RB8为1时，数据
才装入SBUF，置位RI，请求CPU对数据进行处理；
当SM2为0时，则接收到一个数据后，不管第9位
数据RB8是0还是1，都将数据装入接收缓冲器
SBUF并置位中断标志RI，请求CPU处理。
……
图为 MCS-51单片机主从式多机通信
8051
TXD RXD
•多机通信：一台主机和多台从机之间的通信。
•多机通信机制：主机发送信息，可以传送到各个从机或指
定从机，各从机发送的信息只能被主机接收。
•主机发送：地址帧 数据帧 地址帧 。通过第9位数
据确 定。
TB8=1，地址帧
TB8=0，数据帧
•从机接收：串口工作在方式2、3下，
多机通信标志SM2()=1时，当
RB8=1：地址帧，将数据装入SBUF，置RI，发出接收中
断请求。
RB8=0：数据帧，在SM2=1， RB8=0时，接收数据丢弃。
•SM2=0:直通方式，不论RB8是0还是1，都将收到的数据
装入SBUF，并发出中断请求。（再置SM2=1）
• 对于所有从机，由于SM2=1， RB8=1，（都接收地址
帧）各自发出中断请求。判断主机发送的是否与本机相符，
若相符，则从机SM2清0（变成直通方式），准备接收其
后发送来的数据。
•多机通信过程：
•① 全部从机串口工作方式初始化为2或3，置位SM2,允
许中断；
•② 主机置位TB8，发送要寻址的从机地址；
•③ 所有从机均接收主机发送的地址，进入中断进行地址
比较；
•④ 确认寻址从机，自身SM2清0，向主机返回地址，供
主机核对；
•⑤ 核对无误，从机向被寻址从机发送命令，通知从机进
行一对一的数据通信。
多机通信程序设计 P195
•串行通信的接口标准
•美国电子工业协会公布的串行通信的接口标准
（EIA）
•正逻辑：
•高电平用“1”表示；
•低电平用“0”表示；
•RS232（电压型总线标准）电平逻辑：负逻辑。
•带负载时：逻辑1：-5V~-15V
逻辑0：+5V~+15V
不带负载时：输出电平，-25V~+25V
输入电压，-25V~+25V
•RS232串行信息格式：
•MCS-51串行口通信采用TTL正逻辑
•逻辑1：+
•逻辑0：
•因此， RS232与MCS-51串行口接口时，必须进行电平转
换。
“1” –
12V
“0”
+12V
•电平转换常用芯片：
•传输线驱动器：MC1488
•供电电压：±12V,输入TTL电平，输出RS232电平。
实现将TTL逻辑电平转换为RS232逻
辑电平。
•传输线接收器：MC1489
•供电电压：±5V,输入RS232电平，输出TTL电平。
（a）MC1488 （b）MC1489
图7-20 MC1488，MC1489引脚
•RS232接口常用信号：
•信号线 引脚
•保护地 1
•信号地 7
•发送数据TXD 2
•接收数据RXD 3
•请求发送RTS（输出） 4
•消除发送CTS （输入） 5
•数据准备好（输入） 6
两台8031采用RS232C总线通信
TXD
RXD
TXD
RXD
1~2米距离
•长距离可用485，MODEM，GPS，等。
THANK YOU VERY MUCH ！
•本章到此结束，
•谢谢！
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