单片机串行口的使用与“蓝牙”电测系统
一、系统构成与功能
本系统由测量发射和接收显示两部分构成。测量发射部分完成对模拟电量的采样和模数转换，并将转换后的数据通过串行口送出，调制无线发射电路将其发射出去。接收部分将无线信息接收下来，经放大整形后将串行数据信号送到接收部分的单片机串行口，单片机按约定的格式将数据信息成功接收后，经显示代码转换送LED显示出来，其测量和显示部分是分离的。
二、电量测量及数据发送原理
测量发送电原理见图1。被测模拟量自IC1（AT89C2051）的P1.1输入。系统完成测量后将数据存于累加器A中，然后将A中的数据送串行口，通过P3.1（TXD）输出，经过调制无线发射电路，将数据信息发射出去。
测量过程中的模数转换，我们在上一期已经讲过。无线发射电路及调制原理，我们可以从其他书上或以其他方式学到，这里不再赘述。以下着重讲一下单片机串行口的设置和串行口数据输出格式。
AT89C51和AT89C2051内部皆设有性能优良的可编程全双工串行通讯接口,简称串行口。利用此串行口发送和接收数据是十分方便的。用于发送和接收数据的寄存器有两个,分别是发送SBUF和接收SBUF。这两个寄存器使用同一个地址99H,但收发并不会冲突,因为收发指令是可以将其区别的。当CPU执行MOV SBUF，A时，累加器A中的数据便写入发送SBUF中；而当执行 MOV A,SBUF时，CPU就将接收SBUF中的数据读入累加器A中。当将需要发送的数据写入SBUF后,串行口发送控制器便自动按一定的格式和波特率将数据从P3.1串行输出。最常用的串行输出格式是11位格式。这种格式规定，串行口输出的完整的数据帧由11位二进制数据构成。帧结构示意图见图2（a）。开始先发送1位数据 “0”作为发送数据的起始符，然后发送8位被发送字节的各个数据位，低位在前。也就是先发送D0，再依次发送D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7，然后发送一个可以定义的特殊位，比如奇偶校验位“P”或有其他意义的数据位。这个特殊位是整个数据帧的第10位。第10位发送完毕，接着输出1位数据“1”，作为数据帧的结束符。若以11位串行格式发送值为#87H的数据，P3.1输出的方波见图2（b）。此方波控制VT1的导通与截止，将数据调制到发射电路上。为了大家制作方便，本例将发射数据信息的红外线发射电路接在串行口上，使红外发光管VD1受VT1的调制。这样，P3.1输出的数据信息就被调制到红外线载波上了。VT1集电极波形见图2 （c），调制后的红外光载波序列见图2（d）。
串行口的工作方式和工作状态是可以通过程序来定义的。决定串行口输出格式及工作状态的寄存器是串行口控制寄存器SCON，其地址是98H。SCON各位定义见附表。
附表
D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
SM0 SM1 SM2 REN TB8 RB8 TI RI
SM0、SM1是串行口工作模式选择位，对SM0、SM1进行定义，可决定串行口的模式0（00）、模式1 （01）、模式2（10）、模式3（11）等4种工作模式。由于本例采用的是11位串行格式，选择串行口工作于模式2，所以将SM0置“1”、 SM1置“0”即可。程序清单中0000H处的MOV SCON，#80H，就完成了上述设置。在串行口工作于模式2的简单通讯实验中，SM2、TB8和RB8可不必关心。REN和RI分别是接收允许位和接收中断标志位，其功用将在接收部分加以说明。TI为发送中断标志。当发送控制器发送完一帧数据后，自动将TI置“1”。程序发现TI置“1”后，确认数据已经发完，将TI清“0”后，去执行其他程序。见程序清单000AH处。而0005H至 0007H处暂放置3条空操作指令，大家可将调用测量子程序指令放于此，这样，测量发射部分的程序就完整了。从程序中不难看出，0003H处MOV A，#87H，使累加器A中的数据为#87H。0008H处MOV SBUF，A是将A中的数据送入串行口发送寄存器。这样，数据#87H就通过P3.1以11位格式输出，推动VT1，调制VD1将载有数据的红外线载波串发射出去。只是程序清单中省去了真正的测量程序，而采用模拟测量的方式来发送数据。上述程序使串行口的波特率为93.75Kb/s，也就是说每秒可发送93750位二进制数据。此速率是较高的。以这样的速率，调制红外发射管进行数据发送是可靠的，而调制一般的简易高频振荡电路显得太高。所以，若要利用简易高频振荡电路来发送数据，采用P3.2或其他口线以其他的编码规则进行低速发送才可靠。而与“蓝牙”芯片联接，可另通过P3口的其他口线，以I2C总线协议进行通讯。
三、数据的接收及显示原理
接收显示部分电原理见图3（这里只给出红外线接收的简单电路）。
红外线被VD1接收，经VT5放大整形后将信号输入至IC2（AT89C51）的P3.0 （RXD）。当未收到红外线信息时，VD1呈高阻态，VT5截止，P3.0呈高电位。当有红外线被VD1接收，VD1呈低阻态，VT5导通，P3.0被拉至低电位。当VD1接收到值为#87H的完整数据帧后，VT5的集电极输出波形见图2（b）。由于IC2串行口具备自动接收的功能，所以，当程序允许串行口接收时，接收控制器就会不间断检测P3.0 的电位，发现P3.0低跳后，立刻按设定的接收格式以一定的波特率进行接收。当接收完毕时，数据存于接收SUBF之中，然后置中断标志，将SCON的RI位置“1”，而当程序发现RI置“1”后，即确认已接收完毕，清掉标志位并关闭接收控制器，将接收寄存器SUBF中的数据取出，调用数据处理和扫描显示子程序，将数据送LED显示出来，这便完成了测量数据的接收和显示任务。由于发送数据采用11位格式，所以，接收也要采用同一种格式，并采用相同的波特率。与发送部分相同的是，在接收程序清单0006H处也安放了一条MOV SCON，#80H指令，使SCON的SM0位置“1”，其他各位皆为“0”，这就使接收端CPUIC2的串行口工作于模式2，也就是11位格式。由于没有进行其他有关波特率的设置，接收部分的串行口的接收速率也是93.75Kb/s。SCON的第5位REN为接收允许位，由于在设置串行口工作模式的指令中已将此位写“0”，所以串行口接收被禁止。而程序清单中0009H处SETB REN，使REN位置“1”，接收被允许，这就使串行口呈自动接收状态，对P3.0监测并自动完成接收。当接收完毕并清除接收中断标志RI后，程序应暂时关闭接收，去进行数据处理和显示的操作。程序清单中0012H处的CLR REN指令，将REN清“0”，串行口的接收功能被禁止。
当接收被允许时，串行口的接收控制器就能独立工作。程序只关注接收中断标志位即可。程序清单000BH处的JBC RI，0010和AJMP 000B指令，就使系统实现了接收等待和接收确认后，再转去处理数据的功能。在接收程序的0014H处留有3个空操作字节，大家可以在这里安放一条数据处理和扫描显示的子程序调用指令。清单中给出的程序，也能显示出接收的数据。如果正确接收到数据#87H，直接将其送P0口，然后将P2口所有口线置高电位，VT1 至VT4就会全部导通。这样，未经译码的数据#87H就会将LED中的相应字段点亮。
由于#87H，正是数字“7.”的显示代码，所以，运行上述程序，如正确接收到 #87H时，LED1至LED4就会显示出“7.7.7.7.”字样。采用红外线进行无线发射和接收，便于进行硬件的免调试实验，从而方便大家进行串行口的设置及发送接收数据等方面的编程练习。
以上，通过简单的无线电测系统，阐述了单片机串行口设置和利用串行口进行通讯的简单方法。实际上，为了实现通讯过程中数据传送的可靠性和准确性，往往需要编制较复杂的程序作保障。而单片机内部也还有一些硬件资源可供开发者使用，如奇偶校验、波特率的进一步设置等等，本文不作详述。
在实际应用的产品中，无线电测系统的模数转换要采用专门的高精度转换芯片，而无线发射和接收，不管是红外线的还是电磁波的，性能也是比较优良的。如果采用一般的高频振荡电路发射（如图1中给出的高频振荡电路），采用一般的无线电磁波接收，其通讯波特率需低一些才更可靠。这时，我们往往不利用串行口，而是采用一般I/O线按另外一种通讯协议和编码方式来对其进行调制。其原理可参考《无线电》2000年第12期《基于电网的载波数据传送》一文中的有关叙述。而我们研制的无线电测系统，正在进行与“蓝牙”第一代芯片“BlueCore TM01”的联接试验，并正在进行应用“蓝牙”第二代芯片“BlueCoreTM02”和第三代芯片“BlueCore TM03”的设计。掌握了一定的单片机控制技术，尽可能地运用最新的芯片，才能开发出领先的产品。广大电子爱好者，也应该注意这一点。而大家在进行红外线发射数据的试验时，可将图1中虚线框出的部分去掉，整个电路就十分简单了。
四、程序清单
1. 模拟测量发射部分程序清单：
地址 机器码 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. 模拟接收显示部分程序清单：
地址 机器码 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，我们用了6讲，结合实例由表及里地阐述了单片机的基本构造和基本原理，讲解了部分常用指令。大家可以自己设计一些简单的控制电路，编制一些简单的控制程序进行实验和进一步学习。掌握了电路设计和编程的基本方法之后，再参考一些有关的书籍，进行一些较复杂电路的制作，就能够较为熟练地完成一些可靠的控制电路的设计，直至开发出实用的智能产品来，达到应用单片机为社会创造效益的目的。
编者按：从下一期开始，我刊将开始PIC 系列单片机基础知识、应用实例等文章的刊载。如大家对单片机的相关文章有什么建议或意见，欢迎来电来函与我编辑部联系。
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