Последовательный порт микроконтроллера Печать

Вернуться к оглавлению

Последовательный порт микроконтроллера

Через универсальный последовательный порт осуществляются прием и передача информации, представленной в последовательном коде (младшими битами вперед). Наличие буферного регистра приемника позволяет совмещать операцию чтения ранее принятого байта с приемом очередного. Но если к моменту окончания приема байта предыдущий не был считан из SBUF, то он будет потерян. Работой последовательного порта управляют три регистра:

  • Регистр управления/статуса приемопередатчика SCON
  • Бит SMOD регистра управления мощностью PCON
  • Буферный регистр приемопередатчика SBUF

Последовательный порт может работать в четырех различных режимах.

  • Режим 0. Синхронный режим  Информация передается, и принимается через вывод входа приемника RxD. Принимаются или передается 8 бит данных. Через вывод TxD выдаются импульсы синхронизации, которые сопровождают каждый бит. Скорость передачи фиксирована и составляет 1/12 Fген.
  • Режим 1. Асинхронный 8-ми битовый режим Передаются (через TXD) или принимаются (через RXD) 10 бит: старт-бит (логический 0), 8 бит данных (младшим разрядом вперед) и стоп-бит (логическая 1). При приеме, стоп-бит поступает в бит RB8 регистра SCON. Скорость передачи в режиме 1 переменная: для управления скоростью передачи вы можете использовать таймер Т1 и/или Т2.
  • Режим 2. Передаются (через TXD) или принимаются (через RXD) 11 бит: старт-бит. 8 бит данных (младшим разрядом вперед), программируемый 9-й бит данных и стоп-бит. При передаче, в 9-й бит данных (бит ТВ8 регистра SCON) может быть записан логический 0 или 1, например, значение бита четности (бит Р регистра PSW). При приеме, 9-й бит данных поступает в бит RB8 регистра SCON. Присутствие стоп-бита контролируется схемой обнаружения ошибки кадра. Скорость передачи программируется и может быть равна либо 1/32, либо 1/64 частоты резонатора в зависимости от управляющего бита SMOD.
  • Режим 3. Совпадает с режимом 2 во всех деталях, за исключением частоты приема/передачи, которая задается таймером.

Во всех четырех режимах передача начинается любой командой, которая использует SBUF как регистр-приемник. Прием в режиме 0 начинается при условии RI = 0, REN = 1. Прием в других режимах начинается с приходом старт-бита, если бит REN установлен.

Регистр управления/статуса приемопередатчика SCON

Управление режимом работы приемопередатчика осуществляется через специальный регистр с символическим именем SCON. Этот регистр содержит не только управляющие биты, определяющие режим работы последовательного порта, но и девятый бит принимаемых или передаваемых данных (RB8 и ТВ8) и биты прерывания приемопередатчика (R1 и Т1).

Функциональное назначение бит регистра управления/статуса приемопередатчика SCON.

Символ

Позиция

Имя и назначение

SM0

SCON.7

Биты управления режимом работы приемопередатчика. Устанавливаются/сбрасываются программно см. примечание 1

SM0

SM1

Режим работы приемопередатчика

Сдвигающий регистр расширения ввода/вывода

0

1

8 битовый приемопередатчик, изменяемая скорость передачи

1

0

9 битовый приемопередатчик. Фиксированная скорость передачи

1

1

9 битовый приемопередатчик, изменяемая скорость передачи

SM1

SCON.6

SM2

SCON.5

Бит управления режимом приемопередатчика. Устанавливается программно для запрета приема сообщения, в котором девятьй бит имеет значение 0

REN

SCON.4

Бит разрешения приема. Устанавливается/сбрасывается программно для разрешения/запрета приема последовательных данных

TB8

SCON. 3

Передача бита 8. Устанавливается/сбрасывается программно для задания девятого передаваемого бита в режиме 9-битового передатчика

RB8

SCON.2

Прием бита 8. Устанавливается/сбрасывается аппаратно для фиксации девятого принимаемого бита в режиме 9-битового приемника

TI

SCON. 1

Флаг прерывания передатчика. Устанавливается аппаратно при окончании передачи байта. Сбрасывается программно после обслуживания прерывания

RI

SCON.0

Флаг прерывания приемника. Устанавливается аппаратно при приеме байта. Сбрасывается программно после обслуживания прерывания

Прикладная программа путем загрузки в старшие биты регистра SCON двухбитного кода определяет режим работы приемопередатчика. Во всех четырех режимах работы передача инициализируется любой командой, в которой буферный регистр SBUF указан как получатель байта. Как уже отмечалось, прием в режиме 0 осуществляется при условии, что R1 = 0 и REN = 1, в остальных режимах - при условии, что REN = 1.

В бите ТВ8 программно устанавливается значение девятого бита данных, который будет передан 8 режиме 2 или 3. В бите RB8 в этих режимах фиксируется девятый принимаемый бит данных. В режиме 1 в бит RB8 заносится стоп-бит. В режиме 0 бит RB8 не используется.

Флаг прерывания передатчика ТI устанавливается аппаратно в конце периода передачи стоп-бита во всех режимах. Соответствующая подпрограмма обслуживания прерывания должна сбрасывать бит TL.

Флаг прерывания приемника RI устанавливается аппаратно в конце периода приема восьмого бита данных в режиме 0 и в середине периода приема стоп-бита в режимах 1, 2 и 3. Подпрограмма обслуживания прерывания должна сбрасывать бит RI.

Скорость приема/передачи информации через последовательный порт

Скорость приема/передачи, т.е. частота работы приемопередатчика в различных режимах, определяется различными способами.

В режиме 0 частота передачи зависит только от резонансной частоты кварцевого резонатора f РЕЗ:

f=fРЕЗ/12.

За машинный цикл последовательный порт передает один бит информации. В режимах 1, 2 и 3 скорость приема/передачи зависит от значения управляющего бита SMOD в регистре специальных функций PCON.

Регистр управления мощностью PCON

Символ

Позиция

Наименование и функция

SMOD

PCON.7

Удвоенная скорость передачи. Если бит установлен в 1, то скорость передачи вдвое больше, чем при SMOD = 0. По сбросу SMOD = 0.

 

PCON.6

Не используется

 

PCON.5

Не используется

 

PCON.4

е используется

GF1
GF0

PCON.3 PCON.2

Флаги, специфицируемые пользователем (флаги общего назначения)

PD

PCON.1

Бит пониженной мощности. При установке бита в 1 микро-ЭВМ переходит в режим пониженной потребляемой мощности

IDL

PCON.0

Бит холостого хода. Если бит установлен в 1, то микро-ЭВМ переходит в режим холостого хода

Примечание. При одновременной записи 1 в PD и IDL бит PD имеет преимущество. Сброс содержимого PCON выполняется путем загрузки в него кода 0XXX0000.

В режиме 2 частота передачи определяется выражением

f =2SMODfРЕЗ/64.

Иными словами, при SMOD = 0 частота передачи равна 1/64 частоты fРЕЗ, а при SMOD = 1 - 1/32 частоты fРЕЗ.

В режимах 1 и 3 в формировании частоты передачи, кроме управляющего бита SMOD, принимает участие таймер 1. При этом частота передачи f зависит от частоты переполнения f OVLT и определяется следующим образом:

f=2SMODfOVTL1/32

При использовании таймера 1 для тактирования последовательного порта прерывания от этого таймера должны быть запрещены. Таймер может быть использован как в режиме шестнадцатиразрядного таймера, так и в режиме таймера с автозагрузкой. Обычно используется режим таймера с автозагрузкой (старшая тетрада регистра TMOD = 0010В). При этом скорость передачи последовательного порта определяется выражением:

f = 2SMODfРЕЗ/(32х12х(256 -ТН1)).

Предельно низких скоростей приема и передачи по последовательному порту можно достичь при использовании таймера в режиме 1 (старший полубайт TMOD = 0001В). Перезагрузка 16-битного таймера должна осуществляться программным путем. При этом для того, чтобы можно было независимо от передачи выполнять дополнительные задачи, необходимо использовать механизм обработки прерываний и для этого разрешить прерывания от таймера 1.

Настройка таймера 1 для управления скоростью работы последовательного порта.

Частота приема/передачи (BAUD RATE)

Частота резонатора МГц

Таймер/счетчик 1

SMOD

С/Т

Режим (MODE)

Перезагружаемое число

Режим 0, макс: 1 МГц

12

X

X

X

X

Режим 2, макс: 375 КГц

12

1

X

X

X

Режим 1, 3: 62,2 Кгц

12

1

0

2

0FFH

19,2 Кгц

11,059

1

0

2

0FDH

9,6 Кгц

11,059

0

0

2

0FDH

4,8 Кгц

11,059

0

0

2

0FAH

2,4 Кгц

11,059

0

0

2

0F4H

1,2 Кгц

11,059

0

0

2

0F4H

137,5 Гц

11,059

0

0

2

1DH

110 Гц

6

0

0

2

72H

110 Гц

12

0

0

1

0FЕЕВН

Отметим, что для старших моделей семейства MCS-51 при использовании для синхронизации последовательного порта таймеров 1 и 2 скорости приема и передачи информации по последовательному порту могут различаться.

Режим 0. Синхронный последовательный порт.

В нулевом режиме последовательный порт работает как обыкновенный сдвиговый регистр. Это позволяет использовать последовательный порт для увеличения количества внешних ножек микросхемы. Использование сдвиговых регистров для этой цели показано на рисунке 1 и 3. Передача по последовательному порту начинается после записи байта в регистр данных SBUF. Временная диаграмма сигнала, вырабатываемого последовательным портом микроконтроллера при передаче восьми бит данных приведена на рисунке 2. Приём байта по последовательному порту начинается после обнуления флага готовности приёмника RI. Временная диаграмма приёма входной информации последовательным портом в нулевом режиме приведена на рисунке 4.

Рисунок 1. Использование нулевого режима работы последовательного порта в качестве расширителя портов.

Рисунок 2. Временная диаграмма работы последовательного порта в нулевом режиме после записи передаваемого байта в регистр данных SBUF.

Нулевой режим работы задаётся записью комбинации 00 в биты SM0 и SM1 регистра SCON. В синхронном режиме работы информация передается, и принимается через вывод входа приемника RxD, то есть в этом режиме работы последовательный порт работаем в симплексном режиме. Через вывод TxD выдаются импульсы синхронизации, которые сопровождают каждый информационный бит. Скорость передачи в этом режиме фиксирована и составляет 1/12*Fген. Это означает, что при частоте задающего генератора 24 МГц обмен данными осуществляется на скорости 2 мегабита в секунду.

Для осуществления передачи байта данных достаточно занести его в буфер данных SBUF, как это показано в примере:

Рисунок 3. Использование нулевого режима работы последовательного порта для ввода информации.

Рисунок 4. Временная диаграмма приёма входной информации последовательным портом в нулевом режиме после обнуления флага готовности приёмника RI.

Для осуществления приёма байта данных достаточно настроить порт на приём в синхронном режиме работы и обнулить флаг приёма RI, как это показано в примере, приведённом на рисунке 5.

В настоящее время разработано огромное количество микросхем таких как, например, синтезаторы частоты, микросхемы приёмников, блоков цветности телевизоров, микросхем памяти данных, управление которыми осуществляется по последовательному протоколу. При этом микросхемы обычно реализуют синхронные протоколы обмена SPI или I2C. Последовательный порт микроконтроллеров семейства MCS-51, работающий в нулевом режиме позволяет осуществлять обмен с такими микросхемами при минимальных программно-аппаратных затратах.

Справедливости ради необходимо отметить, что в современных микросхемах семейства MCS-51 присутствуют отдельные последовательные порты, работающие по протоколу SPI или I2C. В качестве примера такой микросхемы можно назвать ADuC834 фирмы Analog Devices. В микросхемах с отдельными SPI или I2C портами последовательный порт используется исключительно для связи с универсальным компьютером.

Режим 1. Асинхронный восьмиразрядный последовательный порт.

В первом режиме работы последовательный порт работает в асинхронном режиме. Временная диаграмма передаваемых сигналов через последовательный порт в асинхронном режиме работы показана на рисунке 6. Первый режим работы задаётся записью комбинации 01 в биты SM0 и SM1 регистра SCON. В асинхронном режиме работы информация передается через ножку передатчика последовательного порта микроконтроллера TxD, а принимается через вывод входа приемника RxD, то есть в этом режиме работы последовательный порт работает в дуплексном режиме. Это означает, что передача и приём информации может вестись независимо друг от друга. Скорость передачи в этом режиме настраивается при помощи таймера T1.

Рисунок 6. Временная диаграмма приёма или передачи информации последовательным портом в первом режиме работы.

При работе в асинхронном режиме работы два микроконтроллера могут обмениваться информацией между собой. Такой способ обмена позволяет сократить до минимума количество соединительных проводов между блоками или даже отдельными устройствами. Единственное условие: в отличие от синхронного режима работы, скорости работы последовательных портов должны быть одинаковыми. Обычно используются стандартные скорости передачи, такие как 1200бит/с, 2400 бит/с и т.д. Для таких скоростей передачи обычно используется кварцевый резонатор с частотой 11.0592 МГц. Скорости передачи и коэффициенты, загружаемые в таймер 1, для этих скоростей передачи приведены в таблице 1.

В отличие от нулевого режима работы в первом режиме работы возможен обмен информацией между двумя микроконтроллерами, а не только между микроконтроллером и исполнительными микросхемами. Схема соединения двух микроконтроллеров между собой для обмена информацией приведена на рисунке 7. Таким образом может быть построена простейшая многопроцессорная система.

Рисунок 7. Схема обмена информацией между двумя микроконтроллерами по последовательному порту.

В первом режиме работы, также как и в нулевом для передачи байта через последовательный порт достаточно скопировать его в буфер данных SBUF. Единственное отличие заключается в том, что, кроме настройки регистра SCON, необходимо настроить таймер для задания скорости передачи информации по последовательному порту. При приёме байта по последовательному порту приём начинается только после обнаружения стартового бита.

В качестве примера работы с последовательным портом приведём подпрограмму инициализации последовательного порта для работы в асинхронном режиме на скорости 9600 бит/с. Настройка режима работы последовательного порта в этой программе производится записью двоичной константы в регистр управления SCON. Выбор конкретных значений бит двоичной константы подробно приводится в комментариях к программе.

Так как для последовательного порта требуется таймер, то, кроме настройки последовательного порта, при помощи регистра выбора режима работы таймеров TMOD настраивается таймер T1. Эта настройка тоже производится при помощи записи двоичной константы.

Скорость работы последовательного порта настраивается записью константы 0FDh в старший байт таймера T1.

Возможность работы в асинхронном режиме позволяет использовать последовательный порт для связи с универсальным компьютером через его последовательный COM порт. К сожалению уровни последовательного порта микроконтроллера не совпадают с уровнями последовательного порта компьютера, поэтому для подключения микроконтроллера к последовательному порту компьютера используются специализированные микросхемы согласования уровней. Эти же микросхемы обеспечивают защиту микроконтроллера от вывода из строя статическим потенциалом при подключении разъёмов.

Обычно для работы используются только сигнальные цепи COM-порта компьютера. Тем не менее, оставшиеся буферы интерфейсной микросхемы могут быть использованы для контроля питания микроконтроллерной схемы. Типовая схема подключения компьютера к последовательному порту микроконтроллеров семейства MCS-51 с применением микросхемы ADM3202 приведена на рисунке 9.

Рисунок 9. Подключение последовательного порта микроконтроллеров семейства MCS-51 к последовательному COM порту компьютера.

Использование последовательного порта компьютера позволяет не только управлять микроконтроллерным устройством, используя клавиатуру компьютера, но и отображать внутреннюю информацию этого устройства, используя дисплей компьютера. Это значительно расширяет возможности ввода и вывода информации в микроконтроллерных устройствах. В последнее время дополнительно появилась возможность заносить программу во внутреннюю память программ наиболее современных микроконтроллеров.

Режим 2. Асинхронный девятиразрядный последовательный порт с фиксированной скоростью передачи.

В этом режиме последовательный порт работает на фиксированной скорости передачи также как и в нулевом режиме работы. Скорость передачи определяется значением бита SMOD и при частоте кварцевого резонатора 12 МГц составляет 375 кбит/с то есть для современных микроконтроллеров может превышать скорость передачи 1 Мбит/с.

Основной особенностью работы последовательного порта в этом режиме является передача девятого информационного бита, который может быть использован для контроля достоверности передаваемой информации. Для вычисления чётности передаваемого байта можно воспользоваться аппаратным вычислителем, подключенным к аккумулятору микроконтроллера A. Результат вычисления чётности байта сохраняется в бите чётности P регистра PSW, откуда его можно скопировать в девятый информационный бит последовательного порта TB8, расположенный в регистре управления последовательным портом SCON.

Ещё большие возможности для построения устройств предоставляет девятиразрядный режим работы при реализации многопроцессорных систем. Параллельные порты микроконтроллеров семейства MCS-51 построены по схеме с открытым стоком. Это позволяет объединять несколько выходов передатчиков в одну шину. Такое выполнение выходных каскадов микросхем облегчает построение многопроцессорных систем. В многопроцессорной системе один процессор должен быть главным (master), остальные - подчинёнными (slave). Естественно команды главного процессора должны восприниматься подчинёнными процессорами, поэтому выход передатчика главного процессора соединяется со входами приёмников подчинённых. Выходы же передатчиков подчинённых процессоров объединяются и подключаются ко входу приёмника главного процессора. Схема примера многопроцессорной системы приведена на рисунке 10.

Рисунок 10. Схема соединения нескольких микроконтроллеров между собой по последовательному порту, работающему в асинхронном режиме.

Команды главного процессора могут быть обращены к конкретному подчинённому процессору, поэтому в состав команд включается адрес подчинённого процессора. При работе в шине необходимо уметь отличать адресную информацию от данных. Это можно осуществить при помощи девятого бита. Обычно при передаче адреса в девятый бит записывают единицу, а в байтах данных и команд - 0. Таким образом микроконтроллер, даже подключившийся к шине позднее остальных, легко может осуществить синхронизацию с многопроцессорной шиной. Временная диаграмма работы многопроцессорной шины приведена на рисунке 11.

Рисунок 11. Временная диаграмма работы многопроцессорной шины.

При настройке и работе с портом во втором режиме никаких особенностей не возникает, поэтому можно воспользоваться примером программы, приведённом для нулевого режима работы. Все особенности работы сосредоточены на протокольном уровне, а это не входит в задачу рассмотрения последовательного порта.

Режим 3. Асинхронный девятиразрядный последовательный порт.

Работа последовательного порта в этом режиме не отличается от работы во втором режиме за исключением скорости передачи. Скорость передачи по последовательному порту задаётся таймером 1 также как и в первом режиме работы. Для построения программы можно воспользоваться примером, приведённым для первого режима работы с учётом того, что в регистре SCON необходимо задать вместо первого режима третий режим работы.

Вернуться к оглавлению