單片機串行口的使用與“藍牙”電測系統

一、系統構成與功能

　　本系統由測量發射和接收顯示兩部分構成。測量發射部分完成對模擬電量的采樣和模數轉換，并將轉換后的數據通過串行口送出，調制無線發射電路將其發射出去。接收部分將無線信息接收下來，經放大整形后將串行數據信號送到接收部分的單片機串行口，單片機按約定的格式將數據信息成功接收后，經顯示代碼轉換送LED顯示出來，其測量和顯示部分是分離的。

二、電量測量及數據發送原理

　　測量發送電原理見圖1。被測模擬量自IC1（AT89C2051）的P1.1輸入。系統完成測量后將數據存于累加器A中，然后將A中的數據送串行口，通過P3.1（TXD）輸出，經過調制無線發射電路，將數據信息發射出去。

　　測量過程中的模數轉換，我們在上一期已經講過。無線發射電路及調制原理，我們可以從其他書上或以其他方式學到，這里不再贅述。以下著重講一下單片機串行口的設置和串行口數據輸出格式。

　　AT89C51和AT89C2051內部皆設有性能優良的可編程全雙工串行通訊接口,簡稱串行口。利用此串行口發送和接收數據是十分方便的。用于發送和接收數據的寄存器有兩個,分別是發送SBUF和接收SBUF。這兩個寄存器使用同一個地址99H,但收發并不會沖突,因為收發指令是可以將其區別的。當CPU執行MOV SBUF，A時，累加器A中的數據便寫入發送SBUF中；而當執行 MOV A,SBUF時，CPU就將接收SBUF中的數據讀入累加器A中。當將需要發送的數據寫入SBUF后,串行口發送控制器便自動按一定的格式和波特率將數據從P3.1串行輸出。最常用的串行輸出格式是11位格式。這種格式規定，串行口輸出的完整的數據幀由11位二進制數據構成。幀結構示意圖見圖2（a）。開始先發送1位數據 “0”作為發送數據的起始符，然后發送8位被發送字節的各個數據位，低位在前。也就是先發送D0，再依次發送D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7，然后發送一個可以定義的特殊位，比如奇偶校驗位“P”或有其他意義的數據位。這個特殊位是整個數據幀的第10位。第10位發送完畢，接著輸出1位數據“1”，作為數據幀的結束符。若以11位串行格式發送值為#87H的數據，P3.1輸出的方波見圖2（b）。此方波控制VT1的導通與截止，將數據調制到發射電路上。為了大家制作方便，本例將發射數據信息的紅外線發射電路接在串行口上，使紅外發光管VD1受VT1的調制。這樣，P3.1輸出的數據信息就被調制到紅外線載波上了。VT1集電極波形見圖2 （c），調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SM0、SM1進行定義，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，就完成了上述設置。在串行口工作于模式2的簡單通訊實驗中，SM2、TB8和RB8可不必關心。REN和RI分別是接收允許位和接收中斷標志位，其功用將在接收部分加以說明。TI為發送中斷標志。當發送控制器發送完一幀數據后，自動將TI置“1”。程序發現TI置“1”后，確認數據已經發完，將TI清“0”后，去執行其他程序。見程序清單000AH處。而0005H至 0007H處暫放置3條空操作指令，大家可將調用測量子程序指令放于此，這樣，測量發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中的數據為#87H。0008H處MOV SBUF，A是將A中的數據送入串行口發送寄存器。這樣，數據#87H就通過P3.1以11位格式輸出，推動VT1，調制VD1將載有數據的紅外線載波串發射出去。只是程序清單中省去了真正的測量程序，而采用模擬測量的方式來發送數據。上述程序使串行口的波特率為93.75Kb/s，也就是說每秒可發送93750位二進制數據。此速率是較高的。以這樣的速率，調制紅外發射管進行數據發送是可靠的，而調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送數據，采用P3.2或其他口線以其他的編碼規則進行低速發送才可靠。而與“藍牙”芯片聯接，可另通過P3口的其他口線，以I²C總線協議進行通訊。

三、數據的接收及顯示原理

　　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VT5放大整形后將信號輸入至IC2（AT89C51）的P3.0 （RXD）。當未收到紅外線信息時，VD1呈高阻態，VT5截止，P3.0呈高電位。當有紅外線被VD1接收，VD1呈低阻態，VT5導通，P3.0被拉至低電位。當VD1接收到值為#87H的完整數據幀后，VT5的集電極輸出波形見圖2（b）。由于IC2串行口具備自動接收的功能，所以，當程序允許串行口接收時，接收控制器就會不間斷檢測P3.0 的電位，發現P3.0低跳后，立刻按設定的接收格式以一定的波特率進行接收。當接收完畢時，數據存于接收SUBF之中，然后置中斷標志，將SCON的RI位置“1”，而當程序發現RI置“1”后，即確認已接收完畢，清掉標志位并關閉接收控制器，將接收寄存器SUBF中的數據取出，調用數據處理和掃描顯示子程序，將數據送LED顯示出來，這便完成了測量數據的接收和顯示任務。由于發送數據采用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。由于沒有進行其他有關波特率的設置，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接收狀態，對P3.0監測并自動完成接收。當接收完畢并清除接收中斷標志RI后，程序應暫時關閉接收，去進行數據處理和顯示的操作。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。

　　當接收被允許時，串行口的接收控制器就能獨立工作。程序只關注接收中斷標志位即可。程序清單000BH處的JBC RI，0010和AJMP 000B指令，就使系統實現了接收等待和接收確認后，再轉去處理數據的功能。在接收程序的0014H處留有3個空操作字節，大家可以在這里安放一條數據處理和掃描顯示的子程序調用指令。清單中給出的程序，也能顯示出接收的數據。如果正確接收到數據#87H，直接將其送P0口，然后將P2口所有口線置高電位，VT1 至VT4就會全部導通。這樣，未經譯碼的數據#87H就會將LED中的相應字段點亮。

　　由于#87H，正是數字“7.”的顯示代碼，所以，運行上述程序，如正確接收到 #87H時，LED1至LED4就會顯示出“7.7.7.7.”字樣。采用紅外線進行無線發射和接收，便于進行硬件的免調試實驗，從而方便大家進行串行口的設置及發送接收數據等方面的編程練習。

　　以上，通過簡單的無線電測系統，闡述了單片機串行口設置和利用串行口進行通訊的簡單方法。實際上，為了實現通訊過程中數據傳送的可靠性和準確性，往往需要編制較復雜的程序作保障。而單片機內部也還有一些硬件資源可供開發者使用，如奇偶校驗、波特率的進一步設置等等，本文不作詳述。

　　在實際應用的產品中，無線電測系統的模數轉換要采用專門的高精度轉換芯片，而無線發射和接收，不管是紅外線的還是電磁波的，性能也是比較優良的。如果采用一般的高頻振蕩電路發射（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，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議和編碼方式來對其進行調制。其原理可參考《無線電》2000年第12期《基于電網的載波數據傳送》一文中的有關敘述。而我們研制的無線電測系統，正在進行與“藍牙”第一代芯片“BlueCore ^TM01”的聯接試驗，并正在進行應用“藍牙”第二代芯片“BlueCore^TM02”和第三代芯片“BlueCore ^TM03”的設計。掌握了一定的單片機控制技術，盡可能地運用最新的芯片，才能開發出領先的產品。廣大電子愛好者，也應該注意這一點。而大家在進行紅外線發射數據的試驗時，可將圖1中虛線框出的部分去掉，整個電路就十分簡單了。

四、程序清單

1. 模擬測量發射部分程序清單：

地址 機器碼 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，結合實例由表及里地闡述了單片機的基本構造和基本原理，講解了部分常用指令。大家可以自己設計一些簡單的控制電路，編制一些簡單的控制程序進行實驗和進一步學習。掌握了電路設計和編程的基本方法之后，再參考一些有關的書籍，進行一些較復雜電路的制作，就能夠較為熟練地完成一些可靠的控制電路的設計，直至開發出實用的智能產品來，達到應用單片機為社會創造效益的目的。

　　編者按：從下一期開始，我刊將開始PIC 系列單片機基礎知識、應用實例等文章的刊載。如大家對單片機的相關文章有什么建議或意見，歡迎來電來函與我編輯部聯系。