单片机串行通信的结构组成及工作原理解析

串行通信方式是数据传输的一种方式。这种方式操作简单，连接少，传输距离远，因而在信息传送，尤其是在远距离的传送中得到了广泛的应用。目前常用的串行通信方式有RS -232 C，RS - 422 A，RS - 423 A及RS - 485 A等。RS - 232 C是通用串行接口，以电平形式传输信号，只需3根线就可在两个设备之间交换信息，最高传输速率为20 Kb/s，此时允许设备之间的最远距离为15 m。为了改进RS - 232C传输速率低，传输距离短的不足，EIA又推出了RS - 422 A，RS - 423 A.RS - 485 A等。RS - 422 A采用差分形式传输信号，每个通道用两根信号线，在电路中规定只有一个发送器，其最高传输速率为10 Mb/s，在此速率下的最远传输距离为120 m;若将波特率降到90 Kb/s，则通信距离可延长至1200 m。RS - 423A采用不平衡差分形式传送信号。RS - 485A则允许多个发送器的存在。它们都有一些共同的特点，即传输速率低，传输速率和传输距离相互影响，对传输介质要求高，一般要求用屏蔽电缆。当传输距离较远或连接的设备较多时，会增加系统的成本。

随着计算机应用的不断发展，在有些场合需要高速度、远距离传输信号，同时又要尽量降低成本。为满足这一要求，本节以单片机之间的串行通信为例，介绍一个可以实现高速度、远距离的串行通信装置。

一、单片机串口的特点

目前多数单片机都配有串行接口，如51单片机和MCS - 96等系列单片机都配有一个全双工的串行接口，可以同时收、发信号。以51单片机串口为例，共有4种串行工作方式，波特率可由软件设置，并在片内定时器产生，接收或发送均可工作在中断或查询方式，使用比较灵活。该接口一般通过接口电路工作在RS - 232C或RS - 422A方式，因此，它具有RS - 232 C或RS - 422A的特点。其4种工作方式如下。

1.方式O

同步移位寄存方式，其波特率为fosc/12。fsc为振荡器的振荡频率，数据由RxD端输入，同步移位脉冲由TxD端输出，发/收均为8位数据。一般利用这种方式扩展并行接口、键盘或显示接口等。

2.方式1

串行工作方式，RxD接收，TxD发送，每帧信息为10位，包括1位起始位、8位数据位和1位停止位，其收/发的波特率为：

式中：SMOD=1或0，由软件设定;N为软件设置的定时器自装载常数，其值为0～255。当SMOD-1.N-255时，波特率最高，为fosc/192;当SMOD=0，N=O时，波特率最低，为：

3.方式2

串行工作方式，每帧11位数据，包括1位起始位、8位数据位、1位可编程位、1位停止位，发送时可编程位应根据需要设定为O或1。其收/发的波特率为：

当SMOD=1时，可得最大波特率为fosc/32;当SMOD-0时，可得最小波特率为fosc/64。

4.方式3

串行通信方式，发送格式同方式2，收/发波特率同方式1，即这种方式所能得到的最大波特率为fosc/192，最小波特率为ose/98 304。

比较3种串行工作方式可知，方式2的波特率最高。对于51单片机，当选fosc=12 MHz（51单片机最高晶振）时，可得

这些值远高于目前常用的串口的波特率，因此在单片机（51单片机等）之间串行通信时，在晶振选定的情况下，只有选方式2，方可得到最高的波特率。而要远距离收/发信号，还必须在电路上采取一定的措施。为此，介绍一个可以远距离收/发信号的电路。

二、组成框图

1.信号的表示

（1）1的表示

当TxD输出1时，通过收/发电路后，在总线上出现高阻信号，接收器通过收/发电路将高阻信号变为1，送RxD接收。当串口不工作时，TxD为1，对应总线为高阻态。

（2）0的表示

用一个周期的矩形波表示0，矩形波的周期为振荡周期的32或64倍。当TxD输出0时，通过收/发电路后，在串行总线上出现一个周期的矩形波。该信号通过接收器收/发电路转换后，在RxD端又变为0。

2.收/发电路的组成框图

收/发电路的组成框图如图1 - 17所示。该装置由控制电路、分频器、输出驱动、差动输入、耦合变压器等组成。控制电路由一片GAL电路或由门电路组成，输出驱动采用三态门，差动输入利用三片运放组成两级比较电路，分频器提供控制电路工作的基准和状态变化的条件，耦合变压器用来实现信号的输入或输出。

三、工作原理

1.信号输出

当TxD为1时，A，B两线信号为0，C线信号为1，三态门关闭，输出高阻信号;当TxD为0时，C线为0，三态门打开，A线由0变1，A’输出高电平，B线保持为0，B’输出低电平。持续32或16个振荡周期后，电路状态改变，A线由1变O，B线由0变1，C线继续为0，A’输出低电平，B，输出高电平。经过32或16个振荡周期后，0发送完毕，电路恢复原态，通过耦合变压器，在串行总线上有一个矩形波出现。

2.信号输入

串行总线上的信号经耦合变压器，送到接收器的差动输入电路。

当总线上出现高阻信号时，运放Ai的输出为O。该信号分别送到运放A2和A3的输入端，经过比较后，A2和A3的输出也为0，经过控制电路后，使RxD为1。

当总线上出现矩形波信号时，若前半周T+为高电平，后半周T+为低电平，则：

①前半周

T+=1，T-=O

经A1差动放大后，其输出为低电平。经过A2和A3后，A2的输出保持为0;而A3的输出则由O变1。这两个信号都送至控制电路，并使RxD由1变O，同时开始定时。

②后半周

T+ =0.T_=1

经Ai后，A1输出变为高电平，再经A2和A3的比较，A2的输出由0变1，A3则输出O，再经控制电路后，维持RxD为0这一状态，直到定时时间或输入信号改变。

控制电路保证只有E线先由O变1，接着F线由0变1时，RxD才会由1变O，并持续32/64个振荡周期，否则RxD保持为1。

3.可靠性措施

（1）本装置输出时

收/发电路的输入端与输出端连在一起，因此当本装置输出时，输入端同样也有响应。为便于区分输入端的信号是来自装置自身还是来自总线，输出信号经变压器倒相后输出。这样外来信号就与内部信号有180。的相位差，而接收装置只对其中一种信号有响应，因而输入电路只对来自总线的信号作出响应。

（2）干扰信号引入时

当干扰信号经过总线串入时，运放A1，A2和A3的输出端也要改变，但干扰信号一般都是不规则信号，不会与本装置输入电路要求的矩形波信号完全一样。所以，尽管输入电路有输出，但不会引起控制电路的状态发生变化，也就不会影响RxD的状态。

本例介绍的串行通信装置，组成简单，成本低，操作方便，只需两根线就可在两个设备之间交换信息;利用高阻差分电路作输入端，只要两根线上有信号差，输出就有变化，可在1 200 m范围内以187.5 Kb/s的速率可靠地传输信息;对传输线的要求低，普通双绞线就可连接两个设备，不需要屏蔽电缆，对导线无特殊要求，当传输距离较远时，可以大大降低系统的成本;采用独特的信号传输方式和结构，有很强的抗干扰能力，利用本装置不影响单片机串口的操作方式。因此，本装置是实现单片机之间高速度、远距离串行通信的一种比较理想的装置。若给PC机配上这类装置，还可实现PC机与单片机之间的高速度、远距离串行通信。