掌握51单片机多机通信：例题8-5实战演练

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简介：本课程将深入剖析"51单片机原理及接口技术例题8-5"，探讨AT89C51微控制器实现多机通信方式0的设计实例。51系列单片机作为基于Intel 8051架构的微处理器，在嵌入式系统和工业控制中扮演重要角色。我们将重点学习如何通过AT89C51的内置串行端口来执行多机通信，并理解SCON寄存器的配置、波特率设置以及如何区分主从设备。此外，课程将展示如何通过源代码、电路图和说明文档，实现AT89C51的串口初始化和数据的发送接收，从而帮助开发者在实际项目中运用多机通信技术。

1. AT89C51微控制器多机通信概览

1.1 多机通信的定义与背景

在工业控制、嵌入式系统等领域，单片机往往需要与多个从设备进行信息交换，这时就需要多机通信。多机通信是指一个主设备与多个从设备之间能够实现数据交换的一种通信方式。AT89C51微控制器以其稳定的性能和灵活的编程，在多机通信领域占有一席之地。

1.2 AT89C51微控制器的优势

AT89C51是一个8位微控制器，具有内置的串行通信接口，能够简单方便地实现多机通信。它支持多种通信模式，且指令集十分丰富，易于编程和操作，因此在多机通信中具有明显优势。

1.3 多机通信的技术挑战与解决策略

在多机通信过程中，如何有效区分主设备和从设备、如何保证数据传输的准确性与高效性是两个主要的技术挑战。针对这些问题，我们可以通过合理配置多机通信模式、精确设置波特率以及精心设计通信协议等策略来解决。

在下一章，我们将深入探讨AT89C51微控制器的串行通信接口，这是实现多机通信的技术基础。

2. 51单片机串行接口详解

2.1 51单片机串行通信接口基础

2.1.1 串行通信接口的硬件结构

串行通信接口（Serial Communication Interface, SCI）是51单片机实现数据串行传输的重要硬件部件。其硬件结构主要由以下几部分组成：

TXD (Transmit Data) ：发送数据引脚，用于将数据从单片机发送到外部设备或另一台单片机。
RXD (Receive Data) ：接收数据引脚，用于接收来自外部设备的数据。
串行通信控制逻辑 ：负责数据的串行格式化、错误检测等功能。
波特率发生器 ：用于产生所需通信速率的时钟信号。

重要特性：

异步通信 ：不需要外部时钟信号，发送和接收双方通过预设的波特率来同步。
全双工通信 ：同时支持数据的发送和接收。

2.1.2 串行通信接口的工作原理

在51单片机中，串行通信接口通过以下方式实现工作：

数据准备 ：数据要发送时，首先存放在数据寄存器SBUF中。
发送过程 ：一旦TXD引脚被配置为发送模式，串行口控制逻辑开始将SBUF的数据逐位串行地发送出去。
接收过程 ：当RXD引脚被配置为接收模式时，串行口控制逻辑会接收数据，并将其重新组合成原始的字节数据存入SBUF。

通信流程：

初始化 ：设置串行通信工作模式和波特率。
数据准备与发送 ：将数据加载到SBUF，CPU通过TXD引脚逐位串行发送。
数据接收 ：RXD引脚接收数据，串行口控制逻辑处理后将数据存入SBUF。
数据处理 ：程序读取SBUF，获取接收到的数据。

2.2 串行通信的数据格式与协议

2.2.1 数据帧格式

数据帧是串行通信中的基本单位，通常包含以下元素：

起始位 ：标识数据帧的开始。
数据位 ：实际传输的数据，通常是8位。
奇偶校验位 ：可选，用于数据错误检测。
停止位 ：标识数据帧的结束，通常是1位或2位。

数据帧示例：

起始位 | 数据位 | 奇偶校验位 | 停止位

2.2.2 同步与异步通信协议

同步通信 ：数据发送与接收双方共享一个时钟信号，数据通常以块的形式发送。
异步通信 ：没有共享时钟信号，使用起始位和停止位来标识数据的边界。

同步与异步对比：

同步通信 具有较高的数据传输速率，但增加了时钟同步的复杂性。
异步通信 配置简单，但每个数据帧有额外的开销（起始位和停止位）。

2.3 串行通信的模式选择与应用

2.3.1 不同通信模式的比较

51单片机支持多种串行通信模式，主要包括：

模式0 ：8位可变波特率。
模式1 ：8位固定波特率。
模式2 ：9位可变波特率。
模式3 ：9位固定波特率。

特点对比：

模式0 适用于近距离、低波特率的通信。
模式1 和 模式3 适用于标准的异步通信。
模式2 适用于需要9位数据通信（如地址/数据帧）的场合。

2.3.2 典型应用场景分析

串行通信在实际应用中可应用于多种场景：

工业控制 ：用于PLC与传感器、执行器之间的通信。
数据采集 ：与多个测量仪器进行数据同步或异步通信。
远程监控 ：通过串口进行数据交换实现远程监控。

在选择串行通信模式时，应根据实际应用场景的需求来决定，如需要远距离通信和高速率传输时，可能会选择模式1或模式3，而对于一些特殊应用需求，例如需要9位数据帧时，则会选用模式2。

以上是关于51单片机串行通信接口的详细介绍，接下来，我们将继续深入了解SCON寄存器的设置与功能。

3. 多机通信方式0的设计与配置

多机通信是现代嵌入式系统设计中的重要部分，特别是对于需要多个设备共享同一通信线路进行数据交换的应用。在AT89C51微控制器中，多机通信可以通过不同的通信模式实现，其中方式0是一种特定的通信配置，它适用于简化协议和特定速率要求的环境。本章将深入探讨多机通信方式0的设计与配置。

3.1 多机通信方式0的概念与特点

3.1.1 方式0的工作机制

方式0，也被称为同步移位寄存器方式，是一种8位数据的同步传输模式。在这种模式下，发送和接收数据的过程是通过移位操作完成的。方式0使用两个引脚（P3.0和P3.1）分别作为数据输入和输出，不使用标准的TXD和RXD引脚。工作机制要求发送和接收设备的时钟信号严格同步，数据在每个时钟脉冲下进行一位的移位。

在方式0中，数据的发送通过执行特定的指令序列来控制。例如，使用 MOV SBUF, A 指令将累加器A中的数据写入到串行缓冲寄存器（SBUF），然后数据自动开始串行移出。接收过程需要等待RI（接收中断）标志位被置位，之后可以从SBUF读取接收到的数据。

3.1.2 方式0的优势与局限

方式0的优势在于其简洁的数据格式和无需额外的起始和停止位，减少了数据帧的开销，适合于低速通信需求和简单的通信协议设计。然而，它的局限性也十分明显，由于要求严格同步的时钟信号，使得通信距离受限且抗干扰能力较差。此外，由于不使用标准的串行通信引脚，方式0不支持AT89C51微控制器的串行通信中断功能，这也限制了它的应用范围。

3.2 多机通信方式0的配置流程

3.2.1 硬件连接要求

为了实现多机通信方式0，硬件连接方式较为简单。数据发送和接收端共用一组数据线，需要确保两个设备的时钟信号严格同步。通常，这要求发送设备提供一个稳定的时钟信号供接收设备使用。如果两个设备的时钟频率不是完全一致的，可能会导致数据错位，从而产生通信错误。

3.2.2 软件配置步骤

在软件配置方面，需要对微控制器的串行通信控制寄存器（SCON）进行适当设置，以适应方式0的要求。通常，需要将SCON寄存器设置为模式0，具体步骤如下：

设置SCON寄存器为0x00，以选择方式0。
使用适当的指令将数据写入到SBUF寄存器以启动数据发送。
在接收端，设置相应的中断或轮询逻辑来接收数据。

示例代码：

#include <reg51.h>

void main(void)
{
    SCON = 0x00; // 设置串行通信方式为0
    TMOD = 0x20; // 使用定时器1作为串行通信的时钟源
    TH1 = 0xFD;  // 设置波特率发生器的值以匹配所需波特率

    // 发送数据
    SBUF = 0xAA; // 发送数据0xAA
    while(!TI);  // 等待发送完成
    TI = 0;      // 清除发送完成标志

    // 接收数据
    while(!RI);  // 等待接收完成
    RI = 0;      // 清除接收完成标志
    char receivedData = SBUF;

    while(1);
}

在上面的代码中，我们首先初始化SCON寄存器为方式0，并设置定时器1来提供通信时钟信号。发送操作通过将数据写入SBUF寄存器并等待TI标志位来完成。接收操作通过等待RI标志位并从SBUF读取数据来完成。需要注意的是，为了确保通信同步，发送端和接收端都需要使用相同的波特率设置。

通过以上的配置，我们就能够实现多机通信方式0的基本数据交换。在接下来的章节中，我们将探讨SCON寄存器的更多细节及其在多机通信中的具体应用。

4. SCON寄存器的设置与功能

SCON（Serial Control）寄存器是51单片机串行通信中的关键组成部分，其设置的正确性直接影响到串行通信的效率和稳定性。在这一章节，我们将深入探讨SCON寄存器的结构及其在多机通信中的应用和功能。

4.1 SCON寄存器结构解析

SCON寄存器主要负责控制串行通信的各种操作模式和接收状态的指示。此寄存器通常包含多个位字段，通过设置这些字段的值来配置通信参数和管理数据流。

4.1.1 SCON寄存器的位功能

SCON寄存器由8位组成，分别是SM0、SM1、SM2、Reni、Temi、Tix、Rix、Rix1。每个位有其特定的功能：

SM0和SM1：这两个位联合定义了串行通信的工作模式。
SM0 = 0, SM1 = 0 对应模式0（8位UART异步通信）
SM0 = 1, SM1 = 0 对应模式1（9位UART变量波特率通信）
SM0 = 0, SM1 = 1 对应模式2（9位UART固定波特率通信）
SM0 = 1, SM1 = 1 对应模式3（仅用于多机通信）
SM2：多位用于多机通信中的地址/数据识别。
当SM2 = 0，不论接收到的数据第9位（TB8或RB8）是什么值，均可以启动CPU中断。
当SM2 = 1，仅当接收到的数据第9位为1时，才会启动CPU中断。
REN：接收使能位。当REN = 1时，允许串行口接收数据。
TB8和RB8：这两个位分别用于发送和接收数据的第9位。在模式1和模式3中，TB8位用于表示数据的第9位，而在接收数据时，RB8位用于表示接收到的数据的第9位。
TI和RI：发送和接收中断标志位。当TI或RI被设置为1时，表示串行口在发送或接收过程中发生了中断。

4.1.2 SCON寄存器的操作方法

SCON寄存器的操作主要依赖于单片机提供的指令集。在实际操作中，我们常用指令如 MOV 来设置SCON寄存器的值，或者使用 JNB 和 JB 指令来检查TI和RI位的状态。

一个典型的初始化SCON寄存器的代码片段可能如下：

; 初始化串行通信控制寄存器 SCON
; 设定模式1, REN=1, SM2=0
MOV SCON, #50H  ; ***B

这段代码将SCON寄存器设置为模式1，并启动接收功能（REN=1），关闭多机通信地址识别（SM2=0）。

4.2 SCON寄存器在多机通信中的作用

SCON寄存器在多机通信中扮演着至关重要的角色，它不仅管理着通信模式的选择，还控制着数据的接收和发送过程，以及接收数据的处理方式。

4.2.1 多机通信模式下的SCON设置

在多机通信模式下，SCON寄存器的设置要根据实际应用需求来决定。一般情况下，若要让设备在多机通信中扮演主设备角色，我们需要将SCON寄存器的SM2位置为0，以确保不论接收到的数据帧的第9位如何，CPU都能响应接收中断。

而当设备作为从设备时，SM2位通常被置为1。这样，仅当从设备接收到的帧数据中的第9位为1时，才会触发中断，从而识别到自己的地址而作出响应。

4.2.2 SCON与多机通信效率的关联

SCON寄存器对于多机通信的效率有着直接的影响。通过合理配置SM0、SM1和SM2位，可以实现多机通信的地址识别机制，这有助于提高通信的准确性和效率。例如，在多机通信模式3下，主设备可发送地址帧，然后通过改变SM2位的状态来决定是发送数据还是接收数据。

正确配置SCON寄存器的位功能对于维持通信的流畅性和稳定性是十分关键的。它不仅需要根据通信协议来设置，还需针对具体的通信场景来调整，以实现最佳的通信效果。

接下来，我们将详细探讨如何通过波特率的调整与SCON寄存器的配置，进一步优化多机通信过程的性能。

5. 波特率调整与SCON寄存器配置

在数据通信中，波特率是指每秒钟可以传输的符号（位）数。它是衡量通信系统传输速率的重要参数，对于确保数据的正确接收和发送至关重要。在AT89C51微控制器中，SCON寄存器是负责控制串行通信的关键寄存器之一，而波特率的设置与SCON寄存器的配置密切相关。

5.1 波特率的概念及其重要性

5.1.1 波特率的定义

波特率（Baud Rate）是衡量通信设备传输速率的单位，定义为每秒传输的符号数，符号可以是一个二进制位（bit）或多个二进制位。在串行通信中，波特率用于确定数据信号的变化频率，即每秒内信号电平变化的次数。例如，一个通信系统如果以9600波特率运行，则表示每秒内信号电平变化9600次。

5.1.2 波特率对通信性能的影响

合适的波特率设置是确保通信质量的前提。波特率过低会导致通信效率低下，而波特率过高可能会超出硬件能力，从而引起数据错误。在多机通信中，所有设备应使用相同或兼容的波特率，以保证信息同步和准确传输。

5.2 波特率的计算与设置

5.2.1 波特率的理论计算方法

AT89C51微控制器提供两种方式来生成波特率：使用定时器或外部时钟信号。理论计算公式依赖于所选方法： - 当使用定时器（Timer 1）时，波特率 = (2^SMOD / 32) * (晶振频率 / (12 * (256 - TH1))) - 当使用外部时钟时，波特率 = 外部时钟频率 / 32

其中，SMOD为PCON寄存器的第7位，用于加倍波特率（当SMOD = 1时）。

5.2.2 实际配置案例与步骤

以使用定时器（Timer 1）为例，假设我们使用11.0592MHz的晶振频率，希望设置波特率为9600，则根据计算公式： 9600 = (2^SMOD / 32) * ( / (12 * (256 - TH1))) 解得 TH1 = 256 - ( / (12 * 9600 * 32 / 2^SMOD))

编写代码配置SCON和Timer 1寄存器：

#include <reg51.h>

void main() {
    TMOD &= 0x0F; // 清除定时器1模式位
    TMOD |= 0x20; // 设置定时器1为模式2（8位自动重装载）
    TH1 = 0xFD;   // 加载定时器1初值，用于9600波特率
    SCON = 0x50;  // 设置串行控制寄存器，工作在模式1
    TR1 = 1;      // 启动定时器1
    TI = 1;       // 设置TI以启动发送
}

上述代码中， 0xFD 是定时器1的初值，通过调整该值可改变波特率。

5.3 SCON寄存器与波特率的关系

5.3.1 SCON中的波特率设置位

SCON寄存器的SM0和SM1位用于选择不同的串行通信模式，同时也间接影响波特率的生成。当SM0 = 0且SM1 = 1时，微控制器处于模式1，波特率由定时器1决定。

5.3.2 SCON配置对通信速率的调节

除了波特率本身，SCON寄存器的其他位也影响通信速率。例如，RE和TI位分别控制接收和发送操作的启动。合理配置这些位可以优化通信过程，防止数据碰撞或丢失。

至此，我们已经了解了波特率的定义、计算方法，以及SCON寄存器的相关配置。这些知识构成了AT89C51微控制器多机通信的基石。下一章节，我们将深入探讨主从设备如何区分，以及它们在多机通信中的角色和通信过程。

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