基于80C196KC微处理器的高速串行通讯
2009-05-19
作者：张卫杰 魏震生 路 平
摘 要：讨论了基于80C196KC微处理器串行通讯口的硬件设计、波特率设置和软件开发的技术途径，并简要介绍了串行通讯在某型雷达仿真平台中的应用，其主要性能和可靠性达到了系统的设计要求。
关键词：微处理器 串行通讯 波特率设置
Intel公司的MCS－96系列微处理器是目前性能最强、应用最广泛的16位微处理器。近年来，在国内各个领域中，特别是航天、航空等工业领域应用相当广泛。80C196KC是Intel公司九十年代初期推出的性能较强的第三代CMOS芯片，其数据/地址线均为16位，使用MCS－96家族共享的指令系统，除了8X96已包括的一些外设(如时钟发生器、I/O端口、A/D转换、PWM输出、串行口、定时/计数器、监视定时器WATCHDOG、高速输入/输出器等)外，还集成了先进的外设事务服务器(PTS)和事件处理器阵列(EPA)。80C196KC在串行口功能上除了支持异步串行口之外，还增加了同步串行口，可以支持多种标准同步串行传输协议。
图1是80C196KC串行通讯接口的具体结构。该电路使用了符合RS232通信标准的驱动电路MAX232芯片，进行串行通讯。MAX232功耗低，集成度高，只用单一5V电源，芯片内部有电泵，不需外接正负12V电源，具有两个接收和发送的通道。整个接口电路简单，可靠性高。
1 80C196KC串行通信口工作原理
1.1 串行口的通信模式
80C196KC具有4种通信模式：三种异步模式，一种同步模式。
模式0：称为同步模式，常用于I/O扩展，实现并－串输入或者串－并输出，它不能直接同时发送或接收数据，需要外接双向缓冲器。
模式1：称为标准异步通信模式，是最常用的模式。在这种模式下，串行通信的每帧数据是由10位组成的，即1位起始位，8位数据位，1位停止位。该模式下,TXD用来发送数据，RXD用来接收数据，可用中断和查询两种方式进行控制：当一个数据帧最后一个数据位发送完毕后，发送中断的标志TI置位；而一个数据帧的最后一个数据位被接收后，接收中断的标志RI置位。
模式2：称为异步第9位辩识通信模式。在这种模式下，每帧数据由11位构成：1位起始位，8位数据位，1位可编程数据位，1位停止位。
模式3：称为带校验位的通信模式。该模式的帧格式与模式2相同，只是在串行口控制寄存器(SP_CON)的PEN位被置位时，可编程数据位作为奇偶校验位。模式2和模式3通常互相配合，用于多机通信。
1.2 串行口控制
80C196KC串行口的控制由串行口控制/状态寄存器(SP－CON/SP－STAT)实现，其定义见图2。数据的发送或接收都通过访问串行口数据缓冲器SBUF，这里需要指出的是80C196KC的发送寄存器SBUF(TR)和接收寄存器SBUF(RX)在物理上是分开的两个寄存器，因此串行口在异步模式下是全双工工作的。由图2可见，读或写串行口控制/状态寄存器时，都是访问其中的某些位：低5位只写，属于SP_CON；高3位只读，属于SP_STAT。当发送或接收操作完成后，相应的中断标志TI或者RI将置位，以通知CPU继续发送或者准备接收下一帧数据，或做其它处理；读SP_STAT后，TI和RI也被清除。
在所有异步模式下(模式1～3)下，向SBUF写入数据就会自动启动一次发送过程。在发送停止位之前，保持在SBUF中的新数据应保持不变。若接收允许位(REN)已经被置1，则RXD脚上出现的下降沿就会启动一次接收过程。
在80C196KC中，TXD和P2.0是共用一个引脚的，对I/O控制器1的位5置1才能选通TXD功能。RXD和P2.1也是共用引脚，但不受IOC影响，而是受SP_CON的REN位控制。
1.3 串行通信波特率的计算
在80C196KC中波特率寄存器的内容决定了串行口通信的波特率，向该寄存器写入数据时必须用连续写入两个字节的方式，低位字节在前。寄存器的最高位用于选择波特率发生器的输入频率源。当选用晶振XTAL1为时钟源时，80C196KC内部时钟信号是由振荡器二分频后得到的，因此可以用以下公式计算波特率寄存器(BAUD_REG)的写入值：
同步模式0：BAUD_REG＝XTAL1/(BAUD_RATE*2)－1 或者T2CLK/BAUD_RATE
异步模式1、2和3：BAUD_REG＝XTAL1/(BAUD_RATE*16)－1 或者T2CLK/(BAUD_RATE*8)
表1列出的是XTAL作为时钟源时异步模式常用波特率对应的波特率寄存器的值。
当采用12MHz频率时，异步模式的最大波特率为750kbps，同步模式为3Mbps。
2 串行通讯的软件设计
80C196KC串行通讯的软件设计可以采用查询和中断两种不同的方式。查询方式通过访问串行口控制/状态寄存器的标志位TI和RI，检查发送寄存器SBUF(TR)是否空或者接收寄存器SBUF(RX)已经接收了一帧数据。
下面的程序采用查询方式接收和发送N个字节数据，其中串行口设置为工作模式1，波特率57600，不设奇偶校验，12MHz晶振。
初始化程序：
ldb sp，#0fff0h ；设置堆栈指针
ldb r_buf,#0e000h ；设置接收数据区地址指针 ldb t_buf,#2300h ；设置发送数据区地址指针
orb ioc1,#20h ；选通TXD引脚功能
ldb temp,#20h ；设置临时寄存器
ldb baud_rate,#0ch ；设置波特率57600
ldb baud_rate,#80h
ldb sp_con,#19h ；设置串行通讯方式1，不设奇偶校验
ldb count，#N ；设置通讯数据块大小
………
接收程序：
read: ldb temp,sp_stat ；查询状态寄存器RI标志
jbs temp,6,read
ldb dl,sbuf ；接收并保存数据
stb dl,[r_buf]+ ；将数据存入接收数据缓冲区
djnz count,read ；未接收完数据，继续跳转查询状态寄存器RI
………
发送程序：
send: ldb temp,sp_stat ；检查状态寄存器TI标志
jbc temp,5,send
ldb dl,[t_buf]+ ；发送寄存器空，取数据
ldb sbuf,dl ；发送数据
djnz count,read ；未发完数据，继续跳转查询状态寄存器TI
………
查询方式设计程序简单，但由于CPU不断查询标志位，不能做其它工作，因此，程序效率不高，不能用于对实时性要求高的场合，利用串行中断设计程序可以有效克服这些缺点。在96系列微处理器中，8098和8096只有一种中断方式，而80C196KB以后的产品又增设了发送中断和接收中断，分别设置了独立的中断向量。下面的程序采用中断方式接收和发送N个字节数据，其中串行口设置为工作模式1，波特率57600，不设奇偶校验，12MHz晶振。
初始化程序：
ldb sp，#0fff0h ；设置堆栈指针
ld bx,#2200h ；设置接收中断向量地址
ld ax,#2032h
st bx,[ax]
ld bx,#2250h ；设置发送中断向量地址
ld ax,#2030h
st bx,[ax]
orb ioc1,#20h ；选通TXD引脚功能
ldb temp,#20h ；设置临时寄存器
ldb baud_rate,#0ch ；设置串行通讯波特率57600
ldb baud_rate,#80h
ldb sp_con,#19h ；设置串行通讯方式1，不设奇偶校验
clrb int_mask ；清除中断屏蔽寄存器和中断悬挂寄存器
clrb int_pend
clrb int_mask1
clrb int_pend1
orb int_mask1,#03h ；置中断屏蔽寄存器1，容许发送和接收中断
ld count,#N ；设置通讯数据块大小
ei ；开中断
………
ldb dl,[t_buf]+
ldb sbuf,dl
………
接收中断子程序 ：org 2200h
pushf ；保护现场
ldb dl,sbuf ；接收并保存数据
stb dl,[r_buf]+
djnz count,exit1 ；未接收完数据，退出等待下一次接收中断
………
exit1: popf ；出栈
ret
发送中断子程序：org 2250h
pushf ；保护现场
orb int_mask1,#01h ；置中断屏蔽寄存器1，容许发送中断
ldb dl,[t_buf]+ ；发送数据
ldb sbuf,dl
djnz count,exit2
………
exit2: pop ；恢复现场,出栈
ret
3 串行通讯应注意的几个问题
用户在串行通讯设计时应注意，串行口中断不要与接收中断、发送中断同时打开，只能开放二者中的一个，设计中通常采用接收中断和发送中断，实现全双工串行口的功能；由于访问状态寄存器SP_STAT后，其中内容即被清除，因此，必须用其它寄存器保存SP_STAT的内容；另外，当利用发送器的双缓冲器特点发送数据时，不应把串行口中断屏蔽掉，否则可能会漏记被发送的字节数；此外，当串行口两端采用不同的晶振频率或链路的一端是80C196KC串行口，另一端为其他系统时，应认真考虑两者的匹配问题，若发送端和接收端的波特率完全一致，则接收端对每一数据位的采样都发生在位周期的中点，能够可靠通讯；若发送端和接收端的波特率不一致，则在数据的连续传输过程中，接收端对数据位的采样点将愈来愈偏离位周期的中点，产生累积误差，最终导致通讯紊乱。所以，用户在串行口设计中，必须考虑波特率误差带来的影响。通讯方式，通讯数据量，握手方式等通讯协议的内容，必须通过实验测试加以验证。
4 80C196KC串行通讯的应用
某雷达仿真平台的控制电路中采用了80C196KC微处理器作为核心芯片，利用串行口完成目标坐标诸元数据和命令的交换。其中，80C196KC微处理器的串行口采用通讯模式1，波特率为57600，接收采用中断方式，发送采用查询方式。串行通讯内容分为数据和命令两类，各由HEAD和BODY两部分组成，80C196KC每次接收到串行口上的信息时，产生接收中断。在中断服务程序中，完成对接收到的信息的识别和处理，检查标志并提取其中的有效部分，若为指令，则执行；若为数据，则存入接收数据缓冲区。若从串口发送数据时，按照通信协议的格式，将发送数据送入发送缓冲区，以查询方式将数据写入SBUF，直至发完全部数据。 目前，该串行口运行良好，实现了计算机同微处理器之间的高速(57600和115200两种波特率)通讯，达到了系统的设计要求。
参考文献
1 涂时亮,姚志石.单片微机MCS—96/98实用子程序.上海:复旦大学出版社,1991年9月
2 张幽彤,陈宝江.MCS8098系统实用大全.北京：清华大学出版社,1993年9月
3朱晓强,姚志石 .8096/8098单片机原理及应用.上海：复旦大学出版社 .1993年5月
4孙涵芳 .Intel16位单片机.北京：北京航空航天大学出版社,1995年11月
5 鲍可进.一种实用的单片机系统的RS—232接口.实验室研究与探索.1997；(5):75～78