8051單片機串口通信中的檢錯方法

摘 要:為了保證微處理器芯片中串口傳輸數據內容的正確性，除了串口自帶的奇偶校驗外。采用信道編碼也可以保證串口數據準確無誤的傳輸。文中對應用較多奇偶校驗CRC一8以及漢明糾錯碼三種方法進行檢錯分析，改進了數據傳輸的效率，同時比較了三種方法之間的性能差異。

關鍵詞:串口通信數據檢錯 (ErrorChecking)8051單片機

中圖分類號:TP368.12文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)08(b)-0076-02

1 串行口方式0應用編程

8051單片機串行口方式0為移位寄存器方式，外接一個串入并出的移位寄存器，就能擴展一個并行口。例如，用8051單片機串行口外接CD4094擴展8位并行輸出口，8位并行口的各位都接一個發光二極管，要求發光管呈流水燈狀態。串行口方式0的數據傳送可采用中斷方式，也可采用查詢方式，無論哪種方式，都要借助于TI或RI標志。串行發送時，能靠TI置位(發完一幀數據后)引起中斷申請，在中斷服務程序中發送下一幀數據，或者通過查詢TI的狀態，只要TI為0就繼續查詢，TI為1就結束查詢，發送下一幀數據。在串行接收時，則由RI引起中斷或對RI查詢來確定何時接收下一幀數據。無論采用什么方式，在開始通信之前，都要先對控制寄存器SCON進行初始化。在方式0中將，將00H送SCON就能了。

1.1 單片機串行口通信程序設計列子

ORG 2000H

START: MOV SCON，#00H ;置串行口工作方式0

MOV A，#80H ;

CLR P1.0 ;關閉并行輸出

OUT0: MOV SBUF，A ;開始串行輸出

OUT1: JNB TI，OUT1 ;輸出完否

CLR TI ;完了，清TI標志，以備下次發送

SETB P1.0 ;打開并行口輸出

ACALL DELAY ;延時一段時間

RR A ;循環右移

CLR P1.0 ;關閉并行輸出

JMP OUT0 ;循環

1.2 串行口異步通信

org 0000H

AJMP START

ORG 30H

START:

mov SP，#5fh ;

mov TMOD，#20h ;T1: 工作模式2

mov PCON，#80h ;SMOD=1

mov TH1，#0FDH ;初始化波特率

mov SCON，#50h ;Standard UART settings

MOV R0，#0AAH ;準備送出的數

SETB REN ;允許接收

SETB TR1 ;T1開始工作

WAIT:

MOV A，R0

CPL A

MOV R0，A

MOV SBUF，A

LCALL DELAY

JBC TI，WAIT1 ;如果TI等于1，則清TI并轉WAIT1

AJMP WAIT

WAIT1: JBC RI，READ ;如果RI等于1，則清RI并轉READ

AJMP WAIT1

READ:

MOV A，SBUF ;將取得的數送P1口

MOV P1，A

LJMP WAIT

DELAY: ;延時子程序

MOV R7，#0ffH

DJNZ R7，$

RET

END

將程序編譯通過，寫入芯片，插入實驗板，用通讀電纜將實驗板與主機的串行口相連就能實驗了。上面的程序功能很簡單，就是每隔一段時間向主機輪流送數55H和AAH，并把主機送去的數送到P1口。能在PC端用串行口精靈來做實驗。運行串行口精靈后，按主界面上的“設置參數”按鈕進入“設置參數”對話框，按下面的參數進行設置。注意，我的機器上用的是串行口2，如果你不是串行口2，請自行更改串行口的設置。設置完后，按確定返回主界面，注意右邊有一個下拉列表，應當選中“按16進制”。然后按“開始發送”、“開始接收”就能了。大家能自行更改設置參數中的發送字符如55，00，FF等等，也能在主界面上更改下拉列表中的“按16進制”為“按10進制”或“按ASCII字符”來觀察現象，并仔細分析。這對于大家理解16進制、10進制、ASCII字符也是很有好處的。程序本身很簡單，又有注釋，這里就不詳加說明了。

1.3 上述程序的中斷版本

org 0000H

AJMP START

org 0023h

AJMP SERIAL ;

ORG 30H

START:

mov SP，#5fh ;

mov TMOD，#20h ;T1: 工作模式2

mov PCON，#80h ;SMOD=1

mov TH1，#0FDH ;初始化波特率(參見表)

mov SCON，#50h ;Standard UART settings

MOV R0，#0AAH ;準備送出的數

SETB REN ;允許接收

SETB TR1 ;T1開始工作

SETB EA ;開總中斷

SETB ES ;開串行口中斷

SJMP $

SERIAL:

MOV A，SBUF

MOV P1，A

CLR RI

RETI

END

2 基于8051的串口數據通信系統檢錯方式

對于基于flash控制器的8051的芯片結構，一般在進行數據傳輸時，都是先通過串口將數據傳送到flash控制器的buffer中。由于buffer的大小為512bytes，所以每次傳輸的最大數據量為512bytes。本文中所討論的三種檢錯方法的傳輸數據量均為512bytes。基于8051的串口數據通信系統的硬件開發平臺框圖如圖1所示。利用該平臺進行數據傳輸時，通常有三種數據檢錯方式。

(1)奇偶校驗。奇偶校驗是檢錯中比較常見的一種方法。它利用數據中的1的個數作為檢錯的標志位，若1的個數為奇數個，則錯誤檢測的標志位為1，若1的個數為偶數，則錯誤檢測的標志位為0。在發送端和接收端同時檢測奇偶位，若得到相同的結果，則說明數據傳輸過程無錯誤發生;若得到不同的結果，則說明數據傳輸過程中有錯誤發生，此時8051會發送一個錯誤重傳的信號，讓PC端再次發送數據。

(2)循環冗余校驗(CRC)。CRC是利用除法和余數的原理來進行錯誤檢測(Error Detecting)。如果原始數據為多項式JP(x)，則將P(x)對生成的多項式G(x)進行模2除法，再將得到的余式R(x)作為生成的CRC校驗碼，用公式可以表示為:P(x)=Q(x)·G(x)+R(x)式中的Q(x)為除法得到的商。發送端將原始數據P(x)和生成的CRC校驗碼R(x)發送到接收端。接收端則根據接收到的數據P'(x)算出另外的一個CRC校驗碼R'(x)，然后對兩個CRC校驗碼進行比較，即可得出在傳輸過程中是否有錯誤發生。若發生錯誤，則用發送端重傳。本文中所采用的CRC8所生成的多項式G(x)為:x2+x5+x4+1。

(3)漢明碼(Hamming)。漢明碼是在一組代碼中加入一定數量的冗余，以形成一組新的數據。新加入的冗余數據被稱為校驗位。若某個信息位出錯，則將引起幾組奇偶校驗結果均出錯，由此根據奇偶組的檢錯，便可確定誤碼的信息位及性質。漢明碼具有如下特點:

碼長:N＝2m－1

信息碼位:k=2m-m-1

監督碼位:r=N-k=m，其中m≥2正整數

由于本文中的檢錯對象是串口發送，一次發送8bits數據，故需要的冗余位為4 bits，本文采用的漢明碼為(12，8)，其編碼由8bits數據和4bits組成。設數據分別為a0，a1，a2，a3，a4，a5，a6，a7。檢驗位為a8，a9，a10，a11，它們可按下面的式子決定:

3 測試環境及原理

本文的測試平臺分為兩部分，即PC串口發送部分和8051串口接收部分。PC通過串口發送數據，每次串口發送的單位為8bits。8051通過串口接收PC發送的數據。由于硬件的限制，8051中存儲數據的buffer最大為512bytes。所以PC端的數據每次也只發送512bytes，總共測試的數據大小為8Kbytes，傳輸完8Kbytes的數據需要16次。串口傳輸的波特率為57600。8051接收來自PC的數據，每次接收512bytes數據，并進行錯誤檢測。若檢測到錯誤，則給PC發送一個重傳請求，若沒有檢測到錯誤，則給PC發送一個繼續傳輸的命令。

為了提高傳輸效率，在不影響檢錯的情況下，可分別對奇偶校驗、CRC校驗、漢明碼校驗采用不同的數據傳輸結構。奇偶校驗每發送8bits數據就算出1bit的奇偶位，在算出8bits的奇偶位之后，再將校驗位一起發送到8051，其中數據D為512bytes，Group為64bytes，data為8bits數據。其數據結構如圖2所示。CRC校驗時，每512bytes數據產生1bytes校驗位并發送到8051，其數據結構如圖3所示。其中D為512bytes，data為512bytes，CRCbyte為8bit。即每512個bytes得到一個CRC校驗值。漢明碼由于采用了(12，4)，每8bits數據產生4bits的校驗位。故其數據結構如圖4所示，圖中，D為512bytes的數據，data為8bits的數據。

4 測試結果分析

本文通過相同的環境，綜合比較了三種錯誤檢測的實際效率，其實驗結果如表1所列。表1是根據發送數據的長短和波特率計算出來的理論值，實際測試值則是調用PC端的時間函數來測試的。為了提高漢明碼的解碼效率，本文在8051上通過匯編語言進行解碼。通過對得出的表中數據進行分析可見，CRC校驗具有最好的檢錯效率，且差錯率低，耗時適中。

5 結語

本文通過對串口傳輸中三種檢錯方法的大量數據進行比較，分析了它們的檢錯結果和效率。在奇偶校驗中，為了提高檢錯速度，8051端可采用匯編語言直接讀取標志位寄存器中的奇偶標識。而在漢明碼中，則可分別采用C語言和匯編語言來進行編程。三種檢錯方法中，耗時最低的是奇偶校驗，其檢錯的速度最快，CRC8次之，檢錯最慢的是漢明碼。誤差率最低的為CRC8，其次為漢明碼，奇偶校驗發生錯誤的概率比較大。總之，由于是串口通信，出錯的概率比較小，因此，傳輸較大文件時，檢錯一般采用奇偶校驗，只有對誤差率要求較高的場合，才用到CRC。漢明碼一般很少用于檢錯場合。