單片機(jī)串行口的使用與“藍(lán)牙”電測(cè)系統(tǒng)

一、系統(tǒng)構(gòu)成與功能

　　本系統(tǒng)由測(cè)量發(fā)射和接收顯示兩部分構(gòu)成。測(cè)量發(fā)射部分完成對(duì)模擬電量的采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過串行口送出，調(diào)制無線發(fā)射電路將其發(fā)射出去。接收部分將無線信息接收下來，經(jīng)放大整形后將串行數(shù)據(jù)信號(hào)送到接收部分的單片機(jī)串行口，單片機(jī)按約定的格式將數(shù)據(jù)信息成功接收后，經(jīng)顯示代碼轉(zhuǎn)換送LED顯示出來，其測(cè)量和顯示部分是分離的。

二、電量測(cè)量及數(shù)據(jù)發(fā)送原理

　　測(cè)量發(fā)送電原理見圖1。被測(cè)模擬量自IC1（AT89C2051）的P1.1輸入。系統(tǒng)完成測(cè)量后將數(shù)據(jù)存于累加器A中，然后將A中的數(shù)據(jù)送串行口，通過P3.1（TXD）輸出，經(jīng)過調(diào)制無線發(fā)射電路，將數(shù)據(jù)信息發(fā)射出去。

　　測(cè)量過程中的模數(shù)轉(zhuǎn)換，我們?cè)谏弦黄谝呀?jīng)講過。無線發(fā)射電路及調(diào)制原理，我們可以從其他書上或以其他方式學(xué)到，這里不再贅述。以下著重講一下單片機(jī)串行口的設(shè)置和串行口數(shù)據(jù)輸出格式。

　　AT89C51和AT89C2051內(nèi)部皆設(shè)有性能優(yōu)良的可編程全雙工串行通訊接口,簡稱串行口。利用此串行口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)是十分方便的。用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的寄存器有兩個(gè),分別是發(fā)送SBUF和接收SBUF。這兩個(gè)寄存器使用同一個(gè)地址99H,但收發(fā)并不會(huì)沖突,因?yàn)槭瞻l(fā)指令是可以將其區(qū)別的。當(dāng)CPU執(zhí)行MOV SBUF，A時(shí)，累加器A中的數(shù)據(jù)便寫入發(fā)送SBUF中；而當(dāng)執(zhí)行 MOV A,SBUF時(shí)，CPU就將接收SBUF中的數(shù)據(jù)讀入累加器A中。當(dāng)將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入SBUF后,串行口發(fā)送控制器便自動(dòng)按一定的格式和波特率將數(shù)據(jù)從P3.1串行輸出。最常用的串行輸出格式是11位格式。這種格式規(guī)定，串行口輸出的完整的數(shù)據(jù)幀由11位二進(jìn)制數(shù)據(jù)構(gòu)成。幀結(jié)構(gòu)示意圖見圖2（a）。開始先發(fā)送1位數(shù)據(jù) “0”作為發(fā)送數(shù)據(jù)的起始符，然后發(fā)送8位被發(fā)送字節(jié)的各個(gè)數(shù)據(jù)位，低位在前。也就是先發(fā)送D0，再依次發(fā)送D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7，然后發(fā)送一個(gè)可以定義的特殊位，比如奇偶校驗(yàn)位“P”或有其他意義的數(shù)據(jù)位。這個(gè)特殊位是整個(gè)數(shù)據(jù)幀的第10位。第10位發(fā)送完畢，接著輸出1位數(shù)據(jù)“1”，作為數(shù)據(jù)幀的結(jié)束符。若以11位串行格式發(fā)送值為#87H的數(shù)據(jù)，P3.1輸出的方波見圖2（b）。此方波控制VT1的導(dǎo)通與截止，將數(shù)據(jù)調(diào)制到發(fā)射電路上。為了大家制作方便，本例將發(fā)射數(shù)據(jù)信息的紅外線發(fā)射電路接在串行口上，使紅外發(fā)光管VD1受VT1的調(diào)制。這樣，P3.1輸出的數(shù)據(jù)信息就被調(diào)制到紅外線載波上了。VT1集電極波形見圖2 （c），調(diào)制后的紅外光載波序列見圖2（d）。

　　串行口的工作方式和工作狀態(tài)是可以通過程序來定義的。決定串行口輸出格式及工作狀態(tài)的寄存器是串行口控制寄存器SCON，其地址是98H。SCON各位定義見附表。

附表

D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

SM0 SM1 SM2 REN TB8 RB8 TI RI

　　SM0、SM1是串行口工作模式選擇位，對(duì)SM0、SM1進(jìn)行定義，可決定串行口的模式0（00）、模式1 （01）、模式2（10）、模式3（11）等4種工作模式。由于本例采用的是11位串行格式，選擇串行口工作于模式2，所以將SM0置“1”、 SM1置“0”即可。程序清單中0000H處的MOV SCON，#80H，就完成了上述設(shè)置。在串行口工作于模式2的簡單通訊實(shí)驗(yàn)中，SM2、TB8和RB8可不必關(guān)心。REN和RI分別是接收允許位和接收中斷標(biāo)志位，其功用將在接收部分加以說明。TI為發(fā)送中斷標(biāo)志。當(dāng)發(fā)送控制器發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)后，自動(dòng)將TI置“1”。程序發(fā)現(xiàn)TI置“1”后，確認(rèn)數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)完，將TI清“0”后，去執(zhí)行其他程序。見程序清單000AH處。而0005H至 0007H處暫放置3條空操作指令，大家可將調(diào)用測(cè)量子程序指令放于此，這樣，測(cè)量發(fā)射部分的程序就完整了。從程序中不難看出，0003H處MOV A，#87H，使累加器A中的數(shù)據(jù)為#87H。0008H處MOV SBUF，A是將A中的數(shù)據(jù)送入串行口發(fā)送寄存器。這樣，數(shù)據(jù)#87H就通過P3.1以11位格式輸出，推動(dòng)VT1，調(diào)制VD1將載有數(shù)據(jù)的紅外線載波串發(fā)射出去。只是程序清單中省去了真正的測(cè)量程序，而采用模擬測(cè)量的方式來發(fā)送數(shù)據(jù)。上述程序使串行口的波特率為93.75Kb/s，也就是說每秒可發(fā)送93750位二進(jìn)制數(shù)據(jù)。此速率是較高的。以這樣的速率，調(diào)制紅外發(fā)射管進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送是可靠的，而調(diào)制一般的簡易高頻振蕩電路顯得太高。所以，若要利用簡易高頻振蕩電路來發(fā)送數(shù)據(jù)，采用P3.2或其他口線以其他的編碼規(guī)則進(jìn)行低速發(fā)送才可靠。而與“藍(lán)牙”芯片聯(lián)接，可另通過P3口的其他口線，以I²C總線協(xié)議進(jìn)行通訊。

三、數(shù)據(jù)的接收及顯示原理

　　接收顯示部分電原理見圖3（這里只給出紅外線接收的簡單電路）。

　　紅外線被VD1接收，經(jīng)VT5放大整形后將信號(hào)輸入至IC2（AT89C51）的P3.0 （RXD）。當(dāng)未收到紅外線信息時(shí)，VD1呈高阻態(tài)，VT5截止，P3.0呈高電位。當(dāng)有紅外線被VD1接收，VD1呈低阻態(tài)，VT5導(dǎo)通，P3.0被拉至低電位。當(dāng)VD1接收到值為#87H的完整數(shù)據(jù)幀后，VT5的集電極輸出波形見圖2（b）。由于IC2串行口具備自動(dòng)接收的功能，所以，當(dāng)程序允許串行口接收時(shí)，接收控制器就會(huì)不間斷檢測(cè)P3.0 的電位，發(fā)現(xiàn)P3.0低跳后，立刻按設(shè)定的接收格式以一定的波特率進(jìn)行接收。當(dāng)接收完畢時(shí)，數(shù)據(jù)存于接收SUBF之中，然后置中斷標(biāo)志，將SCON的RI位置“1”，而當(dāng)程序發(fā)現(xiàn)RI置“1”后，即確認(rèn)已接收完畢，清掉標(biāo)志位并關(guān)閉接收控制器，將接收寄存器SUBF中的數(shù)據(jù)取出，調(diào)用數(shù)據(jù)處理和掃描顯示子程序，將數(shù)據(jù)送LED顯示出來，這便完成了測(cè)量數(shù)據(jù)的接收和顯示任務(wù)。由于發(fā)送數(shù)據(jù)采用11位格式，所以，接收也要采用同一種格式，并采用相同的波特率。與發(fā)送部分相同的是，在接收程序清單0006H處也安放了一條MOV SCON，#80H指令，使SCON的SM0位置“1”，其他各位皆為“0”，這就使接收端CPUIC2的串行口工作于模式2，也就是11位格式。由于沒有進(jìn)行其他有關(guān)波特率的設(shè)置，接收部分的串行口的接收速率也是93.75Kb/s。SCON的第5位REN為接收允許位，由于在設(shè)置串行口工作模式的指令中已將此位寫“0”，所以串行口接收被禁止。而程序清單中0009H處SETB REN，使REN位置“1”，接收被允許，這就使串行口呈自動(dòng)接收狀態(tài)，對(duì)P3.0監(jiān)測(cè)并自動(dòng)完成接收。當(dāng)接收完畢并清除接收中斷標(biāo)志RI后，程序應(yīng)暫時(shí)關(guān)閉接收，去進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示的操作。程序清單中0012H處的CLR REN指令，將REN清“0”，串行口的接收功能被禁止。

　　當(dāng)接收被允許時(shí)，串行口的接收控制器就能獨(dú)立工作。程序只關(guān)注接收中斷標(biāo)志位即可。程序清單000BH處的JBC RI，0010和AJMP 000B指令，就使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了接收等待和接收確認(rèn)后，再轉(zhuǎn)去處理數(shù)據(jù)的功能。在接收程序的0014H處留有3個(gè)空操作字節(jié)，大家可以在這里安放一條數(shù)據(jù)處理和掃描顯示的子程序調(diào)用指令。清單中給出的程序，也能顯示出接收的數(shù)據(jù)。如果正確接收到數(shù)據(jù)#87H，直接將其送P0口，然后將P2口所有口線置高電位，VT1 至VT4就會(huì)全部導(dǎo)通。這樣，未經(jīng)譯碼的數(shù)據(jù)#87H就會(huì)將LED中的相應(yīng)字段點(diǎn)亮。

　　由于#87H，正是數(shù)字“7.”的顯示代碼，所以，運(yùn)行上述程序，如正確接收到 #87H時(shí)，LED1至LED4就會(huì)顯示出“7.7.7.7.”字樣。采用紅外線進(jìn)行無線發(fā)射和接收，便于進(jìn)行硬件的免調(diào)試實(shí)驗(yàn)，從而方便大家進(jìn)行串行口的設(shè)置及發(fā)送接收數(shù)據(jù)等方面的編程練習(xí)。

　　以上，通過簡單的無線電測(cè)系統(tǒng)，闡述了單片機(jī)串行口設(shè)置和利用串行口進(jìn)行通訊的簡單方法。實(shí)際上，為了實(shí)現(xiàn)通訊過程中數(shù)據(jù)傳送的可靠性和準(zhǔn)確性，往往需要編制較復(fù)雜的程序作保障。而單片機(jī)內(nèi)部也還有一些硬件資源可供開發(fā)者使用，如奇偶校驗(yàn)、波特率的進(jìn)一步設(shè)置等等，本文不作詳述。

　　在實(shí)際應(yīng)用的產(chǎn)品中，無線電測(cè)系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換要采用專門的高精度轉(zhuǎn)換芯片，而無線發(fā)射和接收，不管是紅外線的還是電磁波的，性能也是比較優(yōu)良的。如果采用一般的高頻振蕩電路發(fā)射（如圖1中給出的高頻振蕩電路），采用一般的無線電磁波接收，其通訊波特率需低一些才更可靠。這時(shí)，我們往往不利用串行口，而是采用一般I/O線按另外一種通訊協(xié)議和編碼方式來對(duì)其進(jìn)行調(diào)制。其原理可參考《無線電》2000年第12期《基于電網(wǎng)的載波數(shù)據(jù)傳送》一文中的有關(guān)敘述。而我們研制的無線電測(cè)系統(tǒng)，正在進(jìn)行與“藍(lán)牙”第一代芯片“BlueCore ^TM01”的聯(lián)接試驗(yàn)，并正在進(jìn)行應(yīng)用“藍(lán)牙”第二代芯片“BlueCore^TM02”和第三代芯片“BlueCore ^TM03”的設(shè)計(jì)。掌握了一定的單片機(jī)控制技術(shù)，盡可能地運(yùn)用最新的芯片，才能開發(fā)出領(lǐng)先的產(chǎn)品。廣大電子愛好者，也應(yīng)該注意這一點(diǎn)。而大家在進(jìn)行紅外線發(fā)射數(shù)據(jù)的試驗(yàn)時(shí)，可將圖1中虛線框出的部分去掉，整個(gè)電路就十分簡單了。

四、程序清單

1. 模擬測(cè)量發(fā)射部分程序清單：

地址 機(jī)器碼 指令

0000 759880 MOV SCON，#80H ；

0003 7487 MOV A，#87H ；

0005 00 NOP ；

0006 00 NOP ；

0007 00 NOP ；

0008 F599 MOV SBUF, A ；

000A 109902 JBC TI，000F ；

000D 80FB AJMP 000A ；

000F 20B5FD JB P3.5,000F ；

0012 80EF AJMP 0003 ；

2. 模擬接收顯示部分程序清單：

地址 機(jī)器碼 指令

0000 75A000 MOV P2， #00H ；

0003 758000 MOV P0,#00H ；

0006 759880 MOV SCON,#80H ；

0009 D29C SETB REN ；

000B 109802 JBC RI,0010 ；

000E 80FB AJMP 000B ；

0010 E599 MOV A, SBUF ；

0012 C29C CLR REN ；

0014 00 NOP ；

0015 00 NOP ；

0016 00 NOP ；

0017 F580 MOV P0,A ；

0019 75A0FF MOV P2, # FFH ；

001C 7A18 MOV R2，# 18H ；

001E 7BFF MOV R3，# FFH ；

0020 7CFF MOV R4，# FFH ；

0022 DCFE DJNZ R4，0022 ；

0024 DBFA DJNZ R3，0020 ；

0026 DAF6 DJNZ R2 , 001E ；

0028 75A000 MOV P2 , #00H ；

002B 80DC AJMP 0009 ；

　　至此，我們用了6講，結(jié)合實(shí)例由表及里地闡述了單片機(jī)的基本構(gòu)造和基本原理，講解了部分常用指令。大家可以自己設(shè)計(jì)一些簡單的控制電路，編制一些簡單的控制程序進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和進(jìn)一步學(xué)習(xí)。掌握了電路設(shè)計(jì)和編程的基本方法之后，再參考一些有關(guān)的書籍，進(jìn)行一些較復(fù)雜電路的制作，就能夠較為熟練地完成一些可靠的控制電路的設(shè)計(jì)，直至開發(fā)出實(shí)用的智能產(chǎn)品來，達(dá)到應(yīng)用單片機(jī)為社會(huì)創(chuàng)造效益的目的。

　　編者按：從下一期開始，我刊將開始PIC 系列單片機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)、應(yīng)用實(shí)例等文章的刊載。如大家對(duì)單片機(jī)的相關(guān)文章有什么建議或意見，歡迎來電來函與我編輯部聯(lián)系。