51单片机的串行口扩展方法设计

1 引言

在研究采场瓦斯积聚模拟试验台的过程中，笔者设计了主从式多机采控系统结构。主从式多机控制系统是实时控制系统中较为普遍的结构形式，它具有可靠性高，结构灵活等优点。当选用单串口51单片机构成这种主从式多机系统时，51单片机一方面可能要和主机Computer通信，一方面又要和下位机通信，这时就需要扩展串行通道。本文具体介绍了两种串行通道的扩展方法。

2 串行口的扩展方法

常用的标准51单片机内部仅含有一个可编程的全双工串行通信接口，具有UART的全部功能。该接口电路不仅能同时进行数据的发送和接收，也可作为一个同步移位寄存器使用。当以此类型单片机构成分布式多级应用系统时，器件本身的串口资源就不够用了。笔者在实际开发中，查阅了有关资料，总结出如下两种常用而有效的串行通道扩展方法。

2.1 基于SP2538的扩展方法

SP2538是专用低功耗串行口扩展芯片，该芯片主要是为解决当前基于UART串口通信的外围智能模块及器件较多，而单片机或DSP原有的UART串口又过少的问题而推出的。利用该器件可将现有单片机或DSP的单串口扩展至5个全双工串口。使用方法简单、高效。

在应用SP2538扩展串行通道时，母串口波特率K1=2880*Fosc_in，单位是MHz，且Fosc_in小于20.0MHz, 在SP2538输入时钟Fosc_in =20.0MHz时母串口可自适应上位机的56000bps和57600bps两种标准波特率输入。子串口波特率K2=480*Fosc_in。

母串口和所有子串口都是TTL电平接口，可直接匹配其他单片机或TTL数字电路，如需连接PC机则必须增加电平转换芯片如MAX202 、MAX232 等。SP2538具有内置的上电复位电路和可关闭的看门狗监控电路。上位机写命令字0x10可实现喂狗，写命令字0x15关闭看门狗，初次上电后看门狗处于激活状态或写命令字0x20激活看门狗监控功能。上位机可通过芯片复位指令0x35在任何时候让芯片进行指令复位，也可通过芯片睡眠指令0x55在任何时候让芯片进入微功耗睡眠模式以降低系统功耗。初次上电后芯片不会自行进入睡眠模式，但只能由上位机通过母串口任意发送一个字节数据将其唤醒，其他子串口不具备这一功能。

图(1)是AT89C52单片机与SP2538的电路连接，图中，AT89C52的全双工串口与SP2538的母串口5相连，该串口同时也作为命令/数据口。SP2538的ADRI0、ADRI1、ADRI2分别与AT89C52的P2.3、P2.4、P2.5口相连，可用于选择发送数据是选择相应的串口0~4；ADRO0、ADRO1、ADRO2与P2.0、P2.1、P2.2相连，用于判断接收的数据来自哪一个串口。 SP2538的时钟频率选为20.0MHZ，此时母串口5的波特率为57600bps，串口0~4的波特率为9600bps。

下面是与上述硬件电路相关的接口程序，该程序用A51汇编语言编制，程序仅说明了中断方式下对子串口0(TX0、RX0)的操作，其它子串口类似。
TBLOCK DATA 20H
RBLOCK DATA 30H
LENGTH DATA 14H
…
TXR_REV_SEND: CLR ES
JBC RI,RECEIVE
CLR TI
MOV A,@R0
CLR P2.0 ; 写数据到SBUF前必须先置欲发送子串口的地址
CLR P2.1
CLR P2.2
MOV SBUF,A
DJNZ R2,NEXT
SJMP $
NEXT: INC R0
RETI
RECEIVE: MOV A,P2
AND A,#31H ;判断是否为子串口0
JNZ ELSE
MOV A,SBUF
MOV @R1,A
INC R1
RETI

2.2 基于Intel8251的串行口扩展方法

上面基于SP2538的串口扩展方法可以说是一种串行的扩展方法，这里基于Intel8251的扩展方法则是一种并行的方法。Intel8251是一种通用的同步/异步发送器(USART)，它的工作方式可以通过编程设置。能够以同步或异步串行通信方式工作，能自动完成帧格式。

Intel8251具有独立的接收/发送器。在异步方式下，用于产生8251内部时序的时钟CLK输入至少应为发送或接收时钟的4.5倍。接收/发送(RXC/TXC)时钟应为波特率的1倍、16倍或64倍(由8251的工作方式字设定)。

图(2)是用Intel8251扩展一个串行通道的电路原理，图中，11.0592MHZ晶振经ALE6分频后于 、组合，产生1.8432MHZ的时钟频率，分别作为8251与8253的时钟输入，若设定8251通信波特率为9600bps，波特率因子为16，则需要 153.6KHZ的接收/发送时钟频率，该频率可由8253的OUT0产生。

下面的A51程序段说明了如何设置8253使其产生153.6KHZ的方波，以及如何用8251收/发数据：
;设置8253的程序段：
MOV A,#36H ; 计数器0输出方波控制字
MOV DPTR,#0FFFFH ; 指向控制字寄存器
MOVX @DPTR,A
MOV DPTR,#0FFFCH ; 指向0计数器地址
MOV A,#0DH
MOVX @DPTR,A
MOV A,#0
MOVX DPTR,A
SETB P1.0
;操作8251的程序段：
…
START: MOV DPTR,#7FFFH ;8251控制、命令口地址
MOV A,#5EH ;一个停止位，奇校验，8位数据，异步*16
MOVX @DPTR,A ;写入方式字
MOV A,#15H
MOVX @DPTR,A ;命令字，启动发送和接收器
…
LOOP: SJMP LOOP ;等待8251中断
8251_INT: ;现场保护
MOV DPTR,#7FFFH
MOV A,@DPTR
JB ACC.0,TX_INT
JB ACC.1,RX_INT
INT_EXIT: ;恢复现场
RETI
;发送数据
TX_INT: MOV DPTR,#7FFEH ;8251数据口地址
MOV A,20H
MOVX @DPTR,A
…
AJMP INT_EXIT
;接收数据
RX_INT: MOV DPTR,#7FFEH
MOVX A,@DPTR
MOV 30H,A
…
AJMP INI_EXIT