單片機的異步串行通信功能和基本使用方法
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單片機的數(shù)據(jù)通信有兩種方式：并行通信和串行通信。并行通信指數(shù)據(jù)字節(jié)的各位同時發(fā)送或接收;而串行通信是數(shù)據(jù)字長距離傳輸數(shù)據(jù)節(jié)一位一位按順序發(fā)送或接收。并行通信傳輸線多，適用于短距離、快速度的通信；面串行通信僅需單線傳輸信息，適用于長距離傳輸數(shù)據(jù)，由于每次傳送一位，所以傳輸速度比較慢。串行通信又分異步和同步兩種方式，其中異步串行通信是最常用的方式。本文主要通過兩個實例介紹單片機的異步串行通信功能和基本使用方法。
一、串行通信基本知識
ATmega8單片機帶有一個全雙工的同步／異步串行收發(fā)模塊USART，模塊由時鐘發(fā)生器、數(shù)據(jù)發(fā)送器和接收器、控制寄存器等部分組成。異步串行通信的接線方式見下圖，其中RXD為接收端，TXD為發(fā)送端。數(shù)據(jù)通信以幀為傳輸單位，每一幀包含1位起始位0、8位或9位數(shù)據(jù)、1位奇偶校驗位和1位停止位1。
傳輸格式見下圖。
下面介紹與USART相關的幾個寄存器，為了節(jié)省篇幅，只對編程中要用到的相關內(nèi)容進行介紹。
1．數(shù)據(jù)寄存器UDR 數(shù)據(jù)寄存器UDR用來存放要發(fā)射或者接收的數(shù)據(jù)，UDR可讀可寫，初始值為0x00。
2．控制和狀態(tài)寄存器UCSRA．UCSRB、UCSRC
UCSRA的定義見下表。
UCSRA的初始值為0x20。
RXC位為USART接收完成標志位，數(shù)據(jù)哲器中有未讀出的數(shù)據(jù)時RXC置位，否則清零。接收器禁止時，數(shù)據(jù)寄存器被刷新，導致RXC清零。RXC標志可用來產(chǎn)生接收結束中斷。
TXC位為USART發(fā)送完成標志位，發(fā)送移位緩沖器中的數(shù)據(jù)被送出，且當發(fā)送緩沖器(UDR)為空時TXC置位。執(zhí)行發(fā)送結束中斷時TXC標志自動清零，也可以通過寫1進行清除操作。TXC標志可用來產(chǎn)生發(fā)送結束中斷。
UDRE位數(shù)據(jù)寄存器空標志位，標志指出發(fā)送緩沖器(UDR)是否準備好接收新數(shù)據(jù)。UDRE為1說明緩沖器為空，已準備好進行數(shù)據(jù)接收。UDRE標志可用來產(chǎn)生數(shù)據(jù)寄存器空中斷。復位后UDRE置位，表明發(fā)送器已經(jīng)就緒。
UCSRB的定義見下表。
UCSRB的初始值為0x00。
RENC位為數(shù)據(jù)接收允許標志位，置位后將啟動USART接收器。RXD引腳的通用端口功能被USART功能所取代。
TXNC位為發(fā)送數(shù)據(jù)允許標志位，置位后將啟動USART發(fā)送器。TXD引腳的通用端口功能被USART功能所取代。TXEN清零后，只有等到所有的數(shù)據(jù)發(fā)送完成后發(fā)送器才能夠真正禁止，即發(fā)送移位寄存器與發(fā)送緩沖寄存器中沒有要傳送的數(shù)據(jù)。
CSRC的定義如下表。
UCSRC的初始值為0x86。
UCSRC寄存器與UBRRH寄存器共用相同的I／O地址。
URSEL位為寄存器選擇標志位，通過該位選擇訪問UCSRC寄存器或UBRRH寄存器。當讀UCSRC時，該位為1；當寫UCSRC時，該位必須寫入1。
UMSEL位為模式選擇標志位，通過這一位來選擇同步或異步工作模式。UMSEL=O為異步模式，UMSEL=1為同步模式。
UPM1～O位為奇偶校驗模式，這兩位設置奇偶校驗的模式并使能奇偶校驗。如果使能了奇偶校驗，那么在發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送器都會自動產(chǎn)生并發(fā)送奇偶校驗位。對每一個接收到的數(shù)據(jù)，接收器都會產(chǎn)生一奇偶值，并與UPM0所設置的值進行比較。如果不匹配，那么就將UCSRA中的PE置位。校驗方式見下表。
USBS位為停止位選擇標志位，通過這一位可以設置發(fā)射幀中停止位的位數(shù)。接收器忽略這一位的設置。USBS=0為1位停止位，USBS=1為2位停止位。
UCSZ1～0位為字符長度標志位，UCSZ1～0與UCSRB寄存器的UCSZ2位結合在一起可以設置數(shù)據(jù)幀包含的數(shù)據(jù)位數(shù)(字符長度)具體設置見下表。
| UCSZ2 | UCSZ1 | UCSZ0 | 字符長度 |
| 0 | 0 | 0 | 5位 |
| 0 | 0 | 1 | 6位 |
| O | 1 | 0 | 7位 |
| 0 | 1 | 1 | 8位 |
| 1 | 1 | 1 | 9位 |
3．波特率寄存器UBRRL和UBRRH
UBRRL和UBRRH的初始值均為Ox00。
UBRRH的最高位URSEL為寄存器選擇標志位，用于選擇確定UCSRC寄存器和UBRRH寄存器的操作。如果讀UBRRH寄存器，該位為0。當寫UBRRH寄存器時，該位必須寫入0。
寄存器UBRRH的低4位和寄存器UBRRL的8位構成一個12位的UBRR寄存器，用于USART傳送或接收波特率(BAUD)的設置。
波特率是信號傳遞的速率，在二進制信號中其值等于每秒鐘傳送多少位二進數(shù)。在異步通信正常模式下波特率的計算公式為BAUD=fosc／16(UBRRH)，式中fosc為單片機系統(tǒng)時鐘頻率。
二、串口的應用實驗
本文通過兩個實驗來介紹串口的應用，兩個實驗都是計算機和ATmega8單片機串口通信的實例。
實驗一PC控制電源開關
1．實驗電路
實驗板上與本實驗相關的電路見下圖，這個實驗是通過計算機對實驗板上繼電器K1、K2進行控制，即通過計算機用串行通信控制．ATmega8的(PD6、PD7)腳的輸出狀態(tài)。
2．程序設計
本實驗的程序由上位機(計算機)程序和下位機(單片機)程序兩部分組成。串口通信采用8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無校驗位。波特率為9600。
上位機程序是安裝在計算機上的串口應用程序，主要作用是向RS-232C端口發(fā)送控制信號、接收和處理返回信號。上位機程序由筆者用VB語言編寫，在編寫和使用時均要使用MSComm通信控件。軟件的界面如下圖所示，當用鼠標單擊某一開關按鈕時，其上面的圓形指示燈狀態(tài)就會發(fā)生變化，紅色表示電源打開，黑色表示電源關閉，對應單片機控制的繼電器也會發(fā)生相應的變化。程序界面上的串口指示燈作串口工作狀態(tài)指示，串口通信正常時狀態(tài)為綠色，反之為黑色。軟件還可以對使用的串口進行選擇。
下位機程序如下：
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