MCS-51 单片机串行接口的扩展

MCS-51系列单片机仅有一个异步通讯串行接口，而在实际应用中，经常需要一个以上的串行口。例如当8031用于构成主从式多机系统时，主机8031一方面要和从机通讯，另一方面还要和终端（或上级管理机）通讯。利用可编程同步/异步接收/发送器（USART），如INTEL8251来扩展通道是一个有效的办法。
一、8251的基本功能
1． 可用于同步和异步传送
2． 同步传送：5—8bit字符，内部或外部字符同步化，自动插入同步字符。
3． 异步传送：5—8bit字符，时钟速率为通讯波特率的1、16或64倍。
4． 可产生中止字符（Break Character）；可产生1、1.5或2位的停止位。可检查假启动位。自动检测和处理中止字符。
5． 波特率：DC—19。2K(异步)； DC-64K（同步）。
6． 完全双工，双缓冲发送和接收器。
7． 误差检测——具有奇偶、溢出和帧错误检测电路。
二、8251的功能框图
8251的结构如图8.41的功能框图所示。整个8251可以分成5个主要部分：接收器，发送器，调制控制，读写控制以及I/O缓冲器。而I/O缓冲器由状态缓冲器，发送数据/命令缓冲器和接收数据缓冲器三部分组成。8251的内部由内部数据总线实现相互之间的通讯。

图8.41

1．接收器
　　接收器接收在RXD脚上的串行数据并按规定的格式把它转换为并行数据，存放在接收数据缓冲器中。
当8251工作在异步方式且允许接收和准备好接收数据时，它监视RDX线。在无字符传送时，RXD线上为高电平（即所谓MARK），当发现RXD线上出现低电平时，即认为它是起始位（即所谓的Space），就起动一个内部计数器，当计数到一个数据位宽度的一半（若时钟脉冲频率为波特率的16倍时，则为计数到第8个脉冲）时，重新采样RXD线作为输入信号，送至移位寄存器，经过移位，以经过奇偶校验和去掉停止位后，就得到了变换为并行的数据，经过8251内部数据总线传送至接收数据缓冲器，同时发出RXRDY信号，告诉CPU数据已接收到。
2． 发送器
　　发送器接收CPU送来的并行数据，加上起始位、奇偶校验位和停止位后由TXD脚发送。
在异步方式时，发送器加上起始位；检查并根据程序规定的检验要求（奇校验还是偶校验）加上适当的校验位；最后根据程序的规定，再加上1位、 1 位或2位停止位。
不论在同步或异步工作方式，只有当程序设置了TXEN（Transmitter Enable——允许发送）和CTS（Clear to Send——这是对调制器发出的请求发送的响应信号）有效时，才能发送。
1． I/O控制
读/写控制逻辑对CPU输出的控制信号进行译码以实现表11-13所示的读/写功能。
USART是以RD或WR信号中的一个为“0”来实现I/O操作的。若两者中无一“0”，则USART不执行I/O操作；若两者全为“0”，这是一种无确定结果的非法状态。
三、接口信号
　　8251是用来用为CPU与外设或调制解调器之间的接口，如图8.42所示。

图8.42

　　其接口信号可以分为两组：一组为CPU接口的信号；另一组为与外设（或调制器）接口的信号。

1． 与CPU的接口信号
　　DB7~DB0——8251的外部三态双向数据总线，它可连到CPU的数据总线。CPU与8251之间的命令信息、数据以及状态信息都是通过这组数据总线传送的。
CLK——由这个CLK输入产生8251的内部时序。CLK的频率在同步方式工作时，必须大于接收器和发送器输入时钟频率的30倍；在异步方式工作时，必须大于输入时钟的4.5倍.
另外，规定CLK的周期要地0.42us到1.35us的范围内。
CS——选片信号，它应由CPU的地址信号经译码后供给。
C/D —— 控制/数据端。在CPU读操作时，若此端为高电平，由数据总线读入的是8251的状态信息；低电平时，读入的是数据。此端通常连到CPU地址总线的A0.
TXTRDY（Transmitter Ready）——发送准备好信号。只有当USART允许发送（即CTS是低和TXEN是高），且发送命令/数据缓冲器为空时，此信号有效。它用以通知CPU，8251已准备好接收一个数据。当CPU与8251之间用查询方式交换信息时，此信号可作为一个“联络”信号;在用中断方式交换信息时，此信号可用为8251的一个中断请求信号。当USART 从CPU接收了一个字符时，TXRDY复位。
TXE（Transmitter Empty）——发送器空信号。当它有效（高电平）时，表示发送器中的并行串行转换器空。
RXRDY（Receiver Ready）——接收器准备好信号。若命令寄存器的RXE（Receive Enable）位置位时，当8251已经从它的串行输入端接受了一个字符，可以传送到CPU时，此信号有效。用查询方式时，此信号可作为一个“联络”信号；在中断方式时可作为一个中断请求信处号。当CPU读入一个字符后，此信号复位。
SYNDET（Synchronous Ready）——同步检测信号。它只用于同步方式。
2． 与装置的接口信号
DTR（Data Terminal Ready）—— 数据终端准备好。这是一个通用的输出信号，低电平有效。它能由命令指令的bit 5置“1”变为有效，用以表示CPU准备就绪.
DSR (Data Set Ready)——数据装置准备好。这是一个通用的输入信号，低电平有效。用以表示调制器或外设已准备好。CPU可通过读入状态操作，在状态寄存器的bit1检测这个信号。
RTS（Reguest to Send）——请求传送，这是一个输出信号，等效于DTR这个信号用于通知调制器CPU准备好发送。可由命令指令的bit5置“1”来使其有效（低电平有效）。
CTS（Clear To Send）——清除传送，这是调制器对USART的RTS信号的响应，当其有效时（低电平），USART发送数据。
RXC（Receiver Clock）——接收器时钟，这个时钟控制USART接收字符的速度。
在异步方式，RXC是波特率的1倍，16倍或64倍，由方式控制指令预先选择。USART在RXC的上升沿采样数据。
RXD（Receiver Data）——接收器数据，字符在这条线上串行地被接收。在USART中转换为并行的字符。
TXC（Transmitter Clock）——发送器时钟，这个时钟控制USART发送字符的速度。在时钟速度与波特率之间的关系同RXC。数据在TXC的下降沿由USART发送字符的速度。
TXD(Transmitter Data)——发送器数据。由CPU送来的并行数据在这条线上被串行地发送。
四、8251的编程
8251是一个可编程的多功能通讯接口。所以在具体使用时必须对它进行初始化编程，确定它的具体工作方式。例如：规定工作于同步还是异步方式：传送的波特率；字符格式等等。
初始化编程必须在系统RESET以后，在USART工作以前进行 ，即USART不论工作于任何方式，都必须先经过初始化。
初始化编程的过程如图8.43所示

图8.43

1． 方式选择指令
其指令格式如图8.44所示.

图8.44

　　指令可以分为四组，每组两位。首先，由D1D2确定是工作于同步方式还是异步方式。当D1D2=00时，则为同步方式；而在D1D0≠00时为异步方式，且D1D0的三种组合用以选择输入时钟频率与波特率之间的系数。
D3D2用以确定字符的位数；D5D4用以确定奇偶校验的性质；D7D8在同步和异步方式时的意义是不同的。异步时用以规定停止位的位数，同步时用以确定是内同步还是外同步，以及同步字符的个数。
在同步方式时，紧跟在方式指令后面的是由程序输入的同步字符。它是用与方式指令类似的方法由CPU输出给USART的。
在输入同步字符后，或在异步方式时，在方式选择指令后应由CPU输给命令指令，其格式如图8.45所示。

图8.45

　　方式选择指令是规定8251的工作方式，而命令指令直接使8251处于规定的工作状态，以准备接收或发送数据。
8251内部设有状态寄存器，CPU可通过I/O读操作把8251的状态读入CPU，用以控制CPU在8251之间的数据交换。读状态字时，C/D端为“1”。状态的格式见图8.46.

图8.46